Nghiên cứu hiệu năng mã Turbo qua kênh fading Rayleigh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

“NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MÃ TURBO QUA
KÊNH FADING RAYLEIGH”
Người hướng dẫn

: Th.S. NGUYỄN THU HIÊN

Sinh viên thực hiện

: ĐẶNG VĂN ĐẠT

Lớp

: D11VT3

Khóa

: 2011 – 2016

Hệ

: CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Đồ án tốt nghiệp đại học của sinh viên Đặng Văn Đạt nghiên cứu về “Nghiên cứu
hiệu năng mã turbo qua kênh fading Rayleigh” được trình bày trong ba chương với bố
cục logic, khoa học. Trong đó: chương 1 giới thiệu tổng quan về các mô hình kênh,
chương 2 đi vào nghiên cứu mã turbo và chương 3 là hiệu năng của mã turbo qua kênh
fading Rayleigh.
Mã Turbo là một trong những mã kênh cho chất lượng dần đến giới hạn Shannon.
Đặc biệt với giải mã lặp cho phép cải thiện hiệu năng BER. Nghiên cứu về mã Turbo và
đánh giá hiệu năng của mã turbo qua kênh fading Rayleigh theo phương pháp mô phỏng
Monte-Carlo luôn là mảng nghiên cứu khó và có ý nghĩa khoa học.
Trong quá trình làm đồ án, sinh viên Đạt luôn chủ động và tích cực trong công
việc, có phương pháp làm việc khoa học. Điều này sẽ giúp sinh viên vững vàng và tự
tin trong công việc của mình sau này.
Đồ án đáp ứng tốt những yêu cầu của một đồ án tốt nghiệp Đại học. Đánh giá đồ
án đạt loại tốt.
Đề nghị hội đồng chấm bảo vệ tốt nghiệp cho phép sinh viên Đạt được bảo vệ
trước hội đồng.

Điểm: 10 (Mười)
Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn
ThS: Nguyễn Thu Hiên


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………..
Điểm: ……………………………..(bằng chữ: …………………..)
…………………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày …. tháng 12 năm 2015
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Ký, họ tên)


Đồ án tốt nghiệp đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn khoa viễn thông I - Học viện công nghệ bưu chính viễn
thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp
này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô ThS.Nguyễn Thu Hiên, người đã tận tình
huớng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Em kính
chúc cô luôn mạnh khoẻ để giảng dạy được nhiều thế hệ sinh viên hơn nữa.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa viễn thông I đã tận
tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt những năm
học tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông.
Xin cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và ủng hộ của gia đình, bạn bè đã giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Mặc dù em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, nhưng chắc chắn sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức, và những kinh nghiệm thực tế. Em mong
nhận được sự thông cảm, góp ý tận tình và chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để đồ án
của em được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 Năm 2015
Sinh viên
Đặng Văn Đạt

Đặng Văn Đạt – D11VT3

i


Đồ án tốt nghiệp đại học

Mục lục

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................i
MỤC LỤC ........................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................iv
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................vi
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................vi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH KÊNH .............................. 1
1.1.

Giới thiệu chung ...................................................................................1

1.2.

Các mô hình kênh truyền thông ...........................................................2

1.2.1. Kênh hữu tuyến, ống dẫn sóng .........................................................2
1.2.2. Kênh vô tuyến ...................................................................................3
1.2.3. Kênh tầng đối lưu .............................................................................5
1.2.4. Kênh fadinh đa đường ......................................................................5
1.2.5. Kênh rời rạc ....................................................................................15
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MÃ TURBO ...............................................26
2.1.

Ghép nối mã và sự ra đời của mã Turbo. ...........................................26

2.2.

Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy RSC ...............................................27

2.2.1. Mã tích chập hệ thống và không hệ thống. .....................................27
2.2.2. Mã tích chập đệ quy và không đệ quy ............................................27
2.3.

Mã hóa turbo ......................................................................................28

2.3.1. Bộ mã hóa turbo .............................................................................28

2.3.2. Mã móc nối .....................................................................................29
2.3.3. Bộ ghép xen (interleaver) ...............................................................31
2.3.4. Kỹ thuật punturing ..........................................................................32
2.3.5. Bộ kết thúc ......................................................................................33
2.4.

Giải mã Turbo ....................................................................................33

2.5.

Giải thuật MAP và giải mã lặp trong mã Turbo .................................35

Đặng Văn Đạt – D11VT3

ii


Đồ án tốt nghiệp đại học

Mục lục

2.5.1. Xác suất và ước tính .......................................................................35
2.5.2. Tỷ số hợp lệ theo logarit – LLR ....................................................36
2.5.3. Thuật toán MAP .............................................................................39
2.5.4. Nguyên lý giải mã lặp dựa trên thuật toán MAP cải tiến ...............48
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ TURBO QUA KÊNH FADING
RAYLEIGH .................................................................................................................52
3.1.

Kênh fading phẳng .............................................................................52

3.2.

Phân bố Rayleigh ................................................................................54

3.3.

Khảo sát hiệu năng mã Turbo trong kênh fading Rayleigh................55

3.5.

Đề xuất ứng dụng của mã Turbo vào hệ thống thông tin vệ tinh .......61

3.5.1. Suy hao trong không gian tự do......................................................62
3.5.2. Mã Turbo trong thông tin vệ tinh ...................................................62
KẾT LUẬN ........................................................................................................65
PHỤ LỤC ...........................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................69

Đặng Văn Đạt – D11VT3

iii


Đồ án tốt nghiệp đại học

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Đường truyền sóng vô tuyến trong môi trường. .....................................7

Hình 1.2 Minh họa kênh fading đa đường. ...........................................................7
Hình 1.3 Minh họa đáp ứng xung kim của kênh và lý lịch trễ đa đường ..............9
Hình 1.4 Hình minh họa cho fading phẳng Rice .................................................12
Hình 1.5 Minh hoạ fading đa đường Rice và fading chọn lọc tần số..................13
Hình 1.6 Minh hoạ fading đa đường Rayleigh và fading chọn lọc tần số ..........14
Hình 1.7: Hệ thống truyền thông với mô hình kênh rời rạc ................................16
Hình 1.8: Mức tín hiệu vào máy thu .... Hình 1.9: Mô hình giả định và mô hình
hai trạng thái Markov hai trạng thái ...................................................................18
Hình 1.10: Quá trình hội tụ của phân bố xác suất trạng thái đến các giá trị trạng
thái bền ................................................................................................................20
Hình 1.11: Mô hình Fritchman có ba trạng thái tốt và một trạng thái xấu..........22
Hình 2.1 Kiểu kết nối mã nối tiếp. ......................................................................26
Hình 2.2 kiểu kết nối mã song song. ...................................................................26
Hình 2.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống ..............................................................27
Hình 2.5 Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy .........................................................28
Hình 2.6 Bộ mã hóa RSC với r = 1/2 và k = 1 ....................................................28
Hình 2.7 Bộ mã hóa PCCC tổng quát .................................................................29
Hình 2.8 Mã PCCC tốc độ r =1/3 gồm 2 bộ mã hóa chập hệ thống đệ quy........29
Hình 2.9 Mã móc nối nối tiếp .............................................................................30
Hình 2.10 Sơ đồ mã móc nối song song..............................................................31
Hình 2.11 Bộ ghép xen làm tăng trọng số mã của bộ mã hóa RSC2 so với bộ
RSC1 ....................................................................................................................31
Hình 2.12 Chuỗi đầu vào và đầu ra bộ ghép xen ................................................32
Hình 2.13 Sơ đồ bộ giải mã Turbo ......................................................................34
Hình 2.14 Tổng quan các thuật toán giải mã.......................................................35
Hình 2.15 LLR L(uk) với xác suất uk = +1 ..........................................................37
Hình 2.16 Bộ mã xoắn hồi quy hệ thống – RSC với K =3..................................41
Hình 2.17 Các chuyển đổi trạng thái có thể có của mã RSC thành phần K=3 ...41
Hình 2.18 Lưới bộ giải mã MAP cho mã RSC với K=3 .....................................42
Hình 2.19 Lược đồ tính toán các giá trị trong thuật toán MAP ..........................43

Hình 2.20 Tính toán các giá trị hồi quy αk (0) và βk (0) cho bộ mã hóa RSC với
K=3 ......................................................................................................................45

Đặng Văn Đạt – D11VT3

iv


Đồ án tốt nghiệp đại học

Danh mục hình vẽ

Hình 2.21 Bộ giải mã lặp Log-MAP ...................................................................48
Hình 3.1 Mô hình kênh fading phẳng Rayleigh trong mô phỏng .......................53
Hình 3.2 Phân bố Rice với các giá trị A={0,1,2,3,5}và σ =1. ............................54
Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng....................................................................................55
Hình 3.4 Tín hiệu khi qua kênh fading Rayleigh khi sử dụng giải Turbo, giải mã
viterbi và không sử dụng mã hóa sửa lỗi.............................................................57
Hình 3.5 Kết quả BER khi sử dụng 2 vòng lặp ...................................................58
Hình 3.6 Kết quả BER khi sử dụng 18 vòng lặp .................................................59
Hình 3.7 Hiệu năng xác suất lỗi mã Turbo khi đi qua các kênh khác nhau ........60
Hình 3.8 Hiệu năng xác suất lỗi mã Turbo ở các tốc độ khác nhau ....................60
Hình 3.9 Hiệu năng xác suất lỗi mã Turbo ở các hệ số K khác nhau .................61
Hình 3.10 Mô tả một hệ thống thông tin vệ tinh .................................................63
Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng hệ thống thông tin sử dụng mã Turbo trong thông tin
vệ tinh ..................................................................................................................63
Hình 3.12 Đánh giá hiệu năng mã Turbo trong thông tin vệ tinh .......................64

Đặng Văn Đạt – D11VT3

v


Đồ án tốt nghiệp đại học

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ viết tắt
AGC
AWGN
BER
BPSK
CCSDS
DVB-DSNG
DVB-RCS
DVB-S
FEC
FIR

Tiếng Anh
Automatic Gain Control
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Consultative Committee for Space
Data Systems
Digital Video Broadcasting Digital Satellite News Gathering
Digital Video Broadcasting Return Channel via Satellite
Digital Video Broadcasting Satellite

Forward Error Correction
Finite Impulse Response

HF
HCCC

High Frequency

IIR

Infinite Impulse Response

ISI

Intersymbol Interference
INMARSAT

INMARSAT
INTELSAT
LLR
Log-MAP

International Telecommunications
Satellite
Log Likelihood Ratio
Logarit Maximum A Posteriori

LOS
MAP

Ligh of sign
Maximum A Posteriori

NLOS

Non ligh of sign

NRZ
PCCC

Non-return-to-zero
Parallel convolution codes connect

PEP

Pairwise Error Probability

Đặng Văn Đạt – D11VT3

Tiếng Việt
Tự động điều khiển độ lợi
Nhiễu Gauss trắng cộng
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Khóa dịch pha nhị phân
Ủy ban tư vấn cho dữ liệu
không gian

Truyền hình số cho thông
tin vệ tinh
Sửa lỗi trước

Bộ lọc đáp ứng xung kim
hữu hạn
Tần số cao tần
Kết nối hỗn hợp các bộ
mã tích chập
Bộ lọc đáp ứng xung kim
vô hạn
Xuyên nhiễu ký hiệu
Công ty viễn thông của
Anh
Vệ tinh viễn thông quốc tế
Tỷ số hợp lệ theo logarit
Cực đại xác suất hậu
nghiệm theo cận logarit
Có đường truyền thẳng
Cực đại xác suất hậu
nghiệm
Không có đường truyền
thẳng
Kết nối song song các mã
tích chập
Xác suất lỗi cặp

vi


Đồ án tốt nghiệp đại học

QPSK

Quadrature phase-shift keying

RF
RSC

Radio Frequency
Recursive System Convolution

SCCC

Serial convolution codes connect

SISO

Soft Input Soft Output

TC
TDL

Turbo code
Time duplex Line

UHF
VHF

Ultra High Frequency
Very High Frequency

Đặng Văn Đạt – D11VT3

Thuật ngữ viết tắt

Điều chế biên độ cầu
phương
Sóng vô tuyến
Bộ mã tích chập hệ thống
đệ quy
Kết nối nối tiếp các mã
tích chập
Bộ giải mã đầu vào mềm
đầu ra mềm
Mã hóa Turbo
Mô hình đường trễ rẽ
nhánh
Tần số siêu cao
Tần số rất cao

vii


Đồ án tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ số, các giải pháp công nghệ hạ tầng
mạng truyền thông, hàng loạt các yêu cầu được đặt ra đối với các vấn đề khai thác vận
hành và sử dụng nguồn tài nguyên mạng một cách tối ưu nhất. Thông tin vô tuyến đóng
vai trò rất quan trọng trong mạng viễn thông cũng như trong các mạng không dây.
Mã turbo ra đời từ những năm đầu của thập niên 90 của thế kỷ 20, và được xem là

một trong những mã kênh mạnh, tiếp cận đến dung lượng Shannon và được ứng dụng
nhiều trong các hệ thống truyền thống thực tế. Mã hóa Turbo là một kỹ thuật mã hóa
mạnh có khả năng chống lỗi cao và những ưu điểm này sẽ càng được phát huy ở các
mạng băng rộng, nhưng một kỹ thuật mã hóa có mạnh thế nào cũng cần có sự xem xét,
đánh giá khả năng của nó trong từng môi trường khác nhau từ đó nhằm tối ưu kỹ thuật
cho từng loại môi trường kênh khác nhau để đáp ứng những nhu cầu về băng thông và
sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên số.
Chính vì vấn đề này mà nội dung của đồ án được chia thành ba chủ đề lớn, mỗi chủ
đề là một chương:
Chương 1: Tổng quan về các mô hình kênh: trình bày một cách tổng quan về các
mô hình kênh, xem xét nghiên cứu mô hình kênh .
Chương 2: Tổng quan về mã Turbo: Trong phần này nội dung chính nói về cấu trúc
bộ mã hóa và giải mã Turbo, trình bày về thuật toán giải mã Log - MAP trong giải mã
Turbo.
Chương 3: Đánh giá hiệu năng mã Turbo trong kênh fading phẳng Rayleigh: Phần
này trình bày về các tham số và kết quả đánh giá hiệu năng khi sử dụng mã hóa Turbo
để mã hóa tín hiệu truyền trong môi trường fading phẳng Rayleigh. Ngoài ra trong
chương này còn đánh giá hiệu năng sửa lỗi của mã Turbo cho thông tin vệ tinh
Đồ án được thực hiện trong một thời gian tương đối ngắn và do hạn chế về điều
kiện cũng như trình độ chuyên môn, nên dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không
thể tránh khỏi những sai sót nhất định. Rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp
ý kiến của các thầy cô và bạn đọc.
Hà Nội, Ngày 10 tháng 12 năm 2015
Đặng Văn Đạt

Nguyễn Thị Tâm – D10VT4

viii

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH KÊNH

1.1.

Giới thiệu chung
“Kênh” truyền thông thể hiện môi trường truyền dẫn vật lý giữa máy phát và máy
thu, thì “mô hình kênh” trình bày quan hệ vào/ra của kênh ở dạng toán học hoặc thuật
toán. Mô hình này có thể được rút ra từ đo đạc hoặc dựa trên lý thuyết truyền lan vật lý.
Các mô hình dựa trên đo đạc dẫn đến việc đặc trưng hóa theo kinh nghiệm cho kênh
trong miền tần số hoặc thời gian, và bao hàm các mô tả thống kê dưới dạng các biến
ngẫu nhiên hoặc quá trình ngẫu nhiên. Các tham số của các phân bố cơ bản và các mật
độ phổ công suất thường được ước tính từ số liệu đo. Trong khi các mô hình dựa trên
đo đạc vẫn có tin tưởng cao về tính hợp lệ và thường là những mô hình hữu dụng nhất
để thiết kế thành công, thì thường tỏ ra khó dùng và khó tổng quát hóa trừ phi phép đo
mở rộng được tập hợp trên các môi trường phù hợp. Ví dụ, rất khó sử dụng các kết quả
đo từ một vùng thành phố này để đặc tính hóa mô hình cho vùng thành phố khác trừ khi
một lượng lớn dữ liệu được tập hợp rộng về không gian và đa dạng về địa hình, và cần
có lý thuyết cơ bản đủ mạnh để giải thích ngoại suy mô hình đó cho vị trí mới.
Việc triển khai mô hình toán cho truyền lan tín hiệu cần có hiểu biết sâu về các hiện
tượng vật lý cơ bản. Ví dụ: để mô hình hóa cho kênh vô tuyến tầng điện ly, phải hiểu rõ
truyền lan sóng vô tuyến. Tương tự, phải có hiểu biết căn bản về kiến thức quang học
mới triển khai được các mô hình cho các sợi quang đơn mode và đa mode.
Một trong những thách thức khi lập mô hình kênh là chuyển mô hình truyền lan vật
lý chi tiết thành dạng phù hợp để mô phỏng. Từ viễn cảnh vật lý, các mô hình toán có
thể quá chi tiết hoặc có thể không ở dạng phù hợp để mô phỏng. Một khi rút ra được mô
hình vật lý và định rõ các giá trị tham số, việc chuyển mô hình vật lý sang mô hình mô

phỏng (thuật toán) thường dễ ràng.
Các kênh truyền thông vật lý như: cáp đồng, ống dẫn sóng, không gian tự do và sợi
quang thường thể hiện tính tuyến tính. Một số kênh như kênh vô tuyến di động, tỏ ra
vừa có tính tuyến tính vừa có tính thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian LTV. Mô hình mô
phỏng cho những kênh này thuộc một trong hai loại sau:
1. Mô hình hàm truyền đạt cho kênh bất biến theo thời gian. Ví dụ: cáp đồng, cáp
quang và không gian tự do. Khi này, ta coi kênh có bản chất tĩnh (nghĩa là, kênh
có đáp ứng xung kim bất biến theo thời gian) tạo ra một đáp ứng tần số cụ thể
bởi lẽ trễ không đổi trong kênh. Hàm truyền đạt của kênh bất biết theo thời gian
là “phẳng” nếu đặt vào kênh một tín hiệu có độ rộng băng thông, thì đáp ứng của
kênh lên tín hiệu đó là không đổi. Kênh được gọi là “chọn lọc tần số” nếu tín hiệu
vào có một độ rộng băng thông mà trên đó tác động của kênh với các mức độ
khác nhau tại các tần số khác nhau trong độ rộng băng tín hiệu hay nói cách khác
đáp ứng tần số của kênh trong vùng tần số tín hiệu là thay đổi.

Đặng Văn Đạt – D11VT3

1


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

2. Mô hình đường trễ rẽ nhánh TDL cho kênh thay đổi theo thời gian. Một ví dụ
quan trọng là kênh vô tuyến di động. Với mô hình kênh này, kênh thường được
coi là thay đổi theo thời gian. Nếu như kênh thay đổi trong khoảng thời gian nhỏ
nhất của tín hiệu đặt vào, thì kênh được gọi là "fading nhanh". Nếu như kênh vẫn
không đổi trong nhiều ký hiệu liên tiếp của nguồn tín hiệu đặt vào, thì kênh được
gọi là kênh "fading chậm" và khi này được coi như loại (1).

Các mô hình hàm truyền đạt có thể được mô phỏng trong miền thời gian hoặc miền
tần số sử dụng bộ lọc đáp ứng xung kim hữu hạn (FIR) hoặc đáp ứng xung kim vô hạn
(IIR). Các mô hình kinh nghiệm ở dạng: đáp ứng được đo hoặc đáp xung kim được tổng
hợp hoặc đáp ứng tần số thường được mô phỏng bằng cách dùng kỹ thuật FIR. Biểu
thức giải tích cho hàm truyền đạt là dễ dàng hơn để mô phỏng sử dụng kỹ thuật IIR. Các
mô hình mô phỏng cho các kênh (fading) thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian dạng mô
hình đường trễ rẽ nhánh TDL có các độ lợi nhánh và các trễ là các quá trình ngẫu nhiên.
Nếu kênh được giả định là kênh thay đổi chậm theo thời gian sao cho các điều kiện kênh
không thay đổi trên nhiều ký hiệu phát, thì ta có thể dùng chớp ảnh (nghĩa là, đáp ứng
xung kim tĩnh) của kênh để mô phỏng. Điều này có thể được lặp khi các điều kiện kênh
thay đổi.
1.2. Các mô hình kênh truyền thông
1.2.1. Kênh hữu tuyến, ống dẫn sóng
Các hệ thống truyền thông điện dùng nhiều loại dây dẫn khác nhau như cáp xoán
đôi, cáp đồng trục. Các kênh này được đặc trưng bởi mô hình mạch điện RLC và đặc
tính truyền đạt vào/ra được mô hình hoá bằng hàm truyền đạt. Dùng hàm truyền đạt khi
lập mô hình mô phỏng. Dễ dàng đo đáp ứng tần số với sự thay đổi độ dài cáp và rút ra
mô hình hàm truyền đạt dựa trên kết quả đo. Có thể cần có mạng cáp lớn để định nghĩa
kênh bằng cách dùng một số biến ngẫu nhiên để đặc trưng hóa các tham số hàm truyền
đạt hay đáp ứng xung tĩnh. Khi này, kênh được xem là bất biến theo thời gian, vì vậy
không cần đến mô hình kênh thay đổi theo thời gian.
Cáp sợi quang và ống dẫn sóng thuộc loại phương tiện truyền sóng có hướng. Khi
các mode truyền lan thay đổi, các kênh này có thể được mô hình hóa là các hệ thống
tuyến tính bất biến và được đặc trưng bởi các hàm truyền đạt.
Các hệ thống truyền thông sóng ánh sáng có hướng dùng sợi quang, trong khi đó
các hệ thống truyền thông quang không gian tự do truyền ánh sáng qua khí quyển. Hầu
hết các hệ thống truyền thông sóng ánh sáng dùng cáp sợi quang đơn mode hoặc đa
mode làm kênh truyền, có một nguồn số liệu nhị phân, một máy thu để tạo ra một quyết
định dựa trên năng lượng thu trong khoảng thời gian mỗi bit.
Ngoài việc gây suy hao xung truyền dẫn, sợi quang còn gây méo hay dãn rộng các

xung phát. Tồn tại hai cơ chế méo: tán sắc và tán sắc liên mode. Tán sắc là hậu quả của
sự khác nhau về vận tốc truyền lan của các thành phần phổ được truyền. Tán liên mode
được thấy trong sợi đa mode và tổng hợp từ một số lượng lớn các đường truyền lan dọc
theo sợi và đến đầu vào bộ tách sóng với các trễ khác nhau. Đây là hiệu ứng đa đường.
Đặng Văn Đạt – D11VT3

2


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Những mối nối và khớp nối trong một mạng cáp quang gây ra phản xạ mà có thể được
xem là tán liên mode phụ. Quan hệ vào/ra của một sợi quang được mô tả bởi hàm truyền
đạt tương đương thông thấp:


H( f ) 

 S ( ).G( f ).H

im

( ).H c ( , f )d 

(1.1)



Trong đó phổ nguồn tín hiệu S ( ) là một hàm của bước sóng  , G( ) là độ lợi
chọn lọc tần số của sợi, H im ( ) là tán liên mode và H c ( , f ) là tán sắc.
Tán liên mode là:

Him ( f ) 

1

 im 2

e

2
  im
( 2  f )2

2



  j 2 ftd


(1.2)

Trong đó  im là độ rộng đáp ứng xung rms và td là trễ thời gian của sợi.
Tán sắc màu là:

H c ( , f )  e j 2 f
Trong đó

T ( )

(1.3)

là độ dài sợi quang và T ( ) là trễ nhóm của sợi quang.

Tìm được tập các thông số: phổ nguồn S ( ) , các đặc tính phân tán T ( ) , suy hao
L( ) từ nhà sản xuất nguồn quang và sợi quang, được dùng để tính hàm truyền đạt bằng
cách thay chúng vào (1.1) và lấy tích phân số tại các tần số f khác nhau. Dùng một số
phép lấy xấp xỉ cho T ( ) và S ( ) để đơn giản quá trình tính toán hàm truyền đạt. Ví
dụ, nguồn phổ lý tưởng có thể được coi là xung tần số. Xấp xỉ Gausơ có trung bình 0
có thể được dùng cho hầu hết nguồn thực tế. Hàm trễ nhóm thường được lấy xấp xỉ bởi
một hàm bậc hai   0 . Một khi ước lượng tích phân (1.1), kết quả được lưu trữ ở dạng
bảng, việc mô phỏng cho kênh này được thực hiện bằng cách sử dụng FIR.
Mô hình được cho ở (1.1) là mô hình hàm truyền đạt vào/ra công suất cho sợi quang,
là hợp lý để sử dụng trong các hệ thống truyền thông sóng ánh sáng tách sóng trực tiếp
trong đó nguồn phổ rất hẹp so với độ rộng băng thông điều chế. Đối với các hệ thống
băng rộng và các hệ thống thông tin quang coherent thì mô hình không hợp lệ.
1.2.2. Kênh vô tuyến
Các kênh vô tuyến đã được sử dụng từ rất sớm cho các hệ thống truyền thông đường
dài, bắt đầu từ thử nghiệm của Marconi trong điện báo vô tuyến. Truyền lan sóng vô
tuyến qua khí quyển gồm cả tầng điện ly - kéo dài vài trăm km trên bề mặt trái đất là
một hiện tượng rất phức tạp. Truyền lan qua khí quyển phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố
như tần số, độ rộng băng tần tín hiệu, kiểu ăng ten, địa thế giữa ăng ten phát và ăng ten
thu (nông thôn, thành phố, trong nhà, ngoài trời, v.v...) và các điều kiện thời tiết (khí
quyển, mưa, sương mù, v.v...). Các nhà khoa học về khí quyển đã có cố gắng đáng kể
Đặng Văn Đạt – D11VT3

3

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

để hiểu và triển khai các mô hình nhằm mô tả quá trình truyền lan sóng vô tuyến qua
khí quyển. Ngoài ra, rất nhiều chương trình đo đạc đã thu được các dữ liệu truyền dẫn
thực nghiệm từ tần số cao HF tới sóng viba. Tất cả những nỗ lực đó đã cho ta cách để
mô hình hoá quá trình truyền lan sóng vô tuyến qua khí quyển và cách sử dụng những
mô hình đó để phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống truyền thông hiện đại.
Những tài liệu về mô hình hoá kênh vô tuyến rất phong phú và mọi nỗ lực để tóm tắt
chúng trong vài trang giấy là không đủ. Tuy nhiên, cố gắng trình bày một vài giải pháp
để mô hình hoá và mô phỏng các hệ thống truyền thông.
Từ quan điểm thiết kế hệ truyền thông, ta phân các mô hình truyền lan thành hai loại
sau:
(i)
(ii)

Mô hình ảnh hưởng phạm vi rộng (được dùng để tính toán tổn hao truyền
sóng)
Mô hình ảnh hưởng phạm vi hẹp (được dùng để mô hình hoá méo thông
tin do hiệu ứng đa đường, hoặc do sự thay đổi ngẫu nhiên đặc tính truyền
lan của kênh).

Trong khi, loại 1 được dùng để thiết lập độ dự trữ công suất tuyến và phân tích
vùng phủ sóng trong giai đoạn thiết kế khởi đầu, thì loại thứ hai được dùng để thiết kế
chi tiết cho hệ thống. Ta sẽ tập trung vào loại mô hình thứ hai với mục đích nhấn mạnh
các giải pháp để mô phỏng hiệu quả.
Ta bắt đầu bằng các mô hình kênh với một kênh "gần như" là không gian tự do để

khảo sát vùng truyền lan sóng giữa ăng ten phát/thu là hoàn toàn tự do (không xảy ra
các hiện tượng hấp thụ hoặc phản xạ sóng vô tuyến RF). Khi này, coi khí quyển là môi
trường hoàn toàn đồng nhất, không hấp thụ.
Trong mô hình được lý tưởng hóa này, kênh chỉ làm suy hao tín hiệu và không gây
méo dạng sóng. Suy hao được tính theo mô hình truyền lan không gian tự do được định
nghĩa là:

 4 d 
Lf  

  

2

(1.4)

Trong đó  là bước sóng của tín hiệu phát, d là khoảng cách ăng ten phát/thu vô
hướng. Khuếch đại ăng ten phát và ăng ten thu được dùng để tính toán công suất thu
thực tế.
Vì đa số các kênh thực tế trong đó tín hiệu truyền lan qua khí quyển và gần mặt đất,
nên giả định kênh truyền lan không gian tự do không còn phù hợp nữa. ảnh hưởng đầu
tiên phải xét đến là khí quyển, nó gây ra hấp thụ, khúc xạ và tán xạ. Với băng hẹp, hấp
thụ do khí quyển dẫn đến suy hao phụ. Tuy nhiên, với băng rộng tổn hao lại phụ thuộc
vào tần số và thường được mô hình hóa bởi một hàm truyền đạt. Hiệu ứng lọc này được
xét bất biến theo thời gian hoặc ít nhất là tựa tĩnh (vì kênh thay đổi rất chậm so với tín
hiệu). Một hiện tượng thuộc khí quyển khác nữa là méo pha do tầng điện ly, có thể được
mô hình hóa bởi một đáp ứng pha thay đổi chậm theo thời gian hoặc bất biến theo thời
Đặng Văn Đạt – D11VT3

4

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

gian. Một số ví dụ về các mô hình hàm truyền đạt được dùng để đặc tính hóa các loại
kênh khí quyển cụ thể được mô tả dưới đây.
Các ảnh hưởng của khí quyển khác, mặt đất, những vật thể có trên mặt đất gần với
đường truyền sóng thường tạo ra truyền dẫn đa đường. Truyền dẫn đa đường là tín hiệu
đến qua nhiều đường phản xạ hoặc khúc xạ từ máy phát đến máy thu. Các ảnh hưởng
này có thể thay đổi theo thời gian (do sự thay đổi trong các điều kiện khí quyển hoặc sự
chuyển động tương đối của ăng ten phát và ăng ten thu như trong thông tin di động).
Thuật ngữ tia lửa được bắt nguồn từ thiên văn học vô tuyến, được sử dụng để mô tả tính
thay đổi theo thời gian trong các đặc tính kênh do các thay đổi về vật lý trong môi trường
truyền lan như các thay đổi mật độ điện tử trong tầng điện ly gây phản xạ sóng vô tuyến
tần số cao. Thuật ngữ fading đa đường được dùng trong truyền thông di động để mô tả
các thay đổi trong các điều kiện kênh và trong các đặc tính tín hiệu thu.
1.2.3. Kênh tầng đối lưu
Truyền thông tầng đối lưu (không phải điện ly) sử dụng băng tần VHF (30 đến 300
MHz) và UHF (300 MHz tới 3 GHz) để truyền tin trên cự ly vài nghìn km. Trong những
băng tần này, oxy và hơi nước có trong khí quyển sẽ hấp thụ năng lượng RF. Tổn hao
do hấp thụ phụ thuộc vào tần số của sóng RF cũng như điều kiện khí quyển, độ ẩm thực
tế. Tập các đặc tính điển hình về tổn hao truyền lan do sự hấp thụ khí quyển thường
được thấy ở nhiều tài liệu.
Các đặc tính hấp thụ mang tính chọn lọc tần số của khí quyển có thể được xấp xỉ
bằng một hàm truyền đạt ở dạng:

H  f   H 0e

j 0,02096 f 106  N ( f ) 

(1.5)

Với N(f) là khúc xạ phức của khí quyển và được cho bởi:

N ( f )  N0  D( f )  jN '' ( f )

(1.6)

Trong các biểu thức (1.5) và (1.6) thì H0 là hằng số, N0 là khúc xạ phụ thuộc tần số,
D(f) là hấp thụ khúc xạ, N '' ( f ) là sự hấp thụ, là khoảng cách (km). Các tham số này
phụ thuộc vào tần số và các điều kiện khí quyển như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm. Các giá
trị điền hình thường được trình bày ở dạng bảng dữ liệu.
Một khi biết trước các điều kiện khí quyển và độ rộng băng tần của tín hiệu, thì có
thể tính được hàm truyền đạt theo thực nghiệm tại các giá trị tấn số khác nhau theo (1.5)
và (1.6). Có thể tìm được hàm truyền đạt tương đương thông thấp bằng cách dịch tần số
và dùng kỹ thuật FIR để mô phỏng mô hình kênh này.
1.2.4. Kênh fadinh đa đường
Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ
thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn.
Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:
Đặng Văn Đạt – D11VT3

5


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
 Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù...sự hấp thụ
này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz).
 Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí.
 Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và
sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là môt yếu tố
dẫn đến sự truyền lan đa đường.
 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng
điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu
nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. Hiện tượng này
đăc biệt quan trọng trong thông tin di động.
Xem xét trong phạm vi khoảng cách ngắn fading chậm có thể gây ra bởi che tối khi
tín hiệu chính bị che. Nếu quan sát ở những khoảng cách lớn hơn nó có thể cung cấp
cho chúng ta cách nhìn khác. Như trong fading phạm vi rộng được giải thích bởi sự suy
giảm của công suất tín hiệu nhận trong quá trình truyền. Mô hình lan truyền phạm vi
rộng dự đoán trước bằng công suất tín hiệu trung bình trong khi đó mô hình truyền dẫn
phạm vi hẹp dự đoán các biến đổi nhanh.


Tùy thuộc vào thành phần LOS và thành phần NLOS các mô hình khác nhau được
sử dụng. Nhiễu gauss trắng cộng (AWGN) đặc trưng cho môi trường truyền dẫn ở không
gian tự do tại đó chỉ có tín hiệu LOS mạnh tồn tại. Trong phần lớn các trường hợp thực
tế có một hoặc nhiều hơn thành phần NLOS. Mô hình phân bố rice bao gồm một thành
phần LOS và một vài thành phần NLOS. Nhân tố k của phân bố rice mô tả độ mạnh của
thành phần LOS khi so sánh với thành phần NLOS. Ví dụ khi k tiến đến vô cùng chúng
ta có kênh AWGN, còn với k = 0 chúng ta không có đường truyền thẳng và khi đó kênh
fading theo phân bố Rayleigh dưới đây là hình ảnh về fading có đường truyền thẳng và
không có đường truyền thẳng.

Đặng Văn Đạt – D11VT3

6


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Hình 1.1 Đường truyền sóng vô tuyến trong môi trường.
Bất kỳ kênh truyền thông vô tuyến nào cũng có nhiều hơn một đường truyền giữa
ăng ten phát và ăng ten thu. Truyền sóng đa đường có thể do phản xạ hoặc khúc xạ khí
quyển hoặc do phản xạ từ các toà nhà hay các vật thể khác. Fading đa đường có thể xảy
ra ở tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến. Các hiệu ứng này lần đầu tiên được quan
sát và phân tích cho các hệ thống tán xạ đối lưu HF những năm 1950 và 1960. Các quan
tâm hiện nay là vấn đề mô hình hóa và mô phỏng cho fading đa đường trong hệ thống
vô tuyến trong nhà và di động ở dải tần số 1–60 GHz.
Để minh hoạ giải pháp cơ bản cho việc lập mô hình kênh fading, ta xét một kênh
truyền thông di động có hai đường (tia) riêng biệt từ máy di động tới một trạm gốc cố
định được minh hoạ ở hình 1.2. Mặc dù hình 1.2 có hai đường nhưng dễ dàng tổng quát
hoá cho N đường. Trường hợp N đường đầu ra kênh (tín hiệu vào máy thu di động) là:
N

y (t )   an (t ) x  t -  n (t ) 
n 1

(1.7)

Trong đó an (t ) ,  n (t ) là suy hao và trễ truyền dẫn của thành phần đa đường thứ n.
Lưu ý rằng, trễ và suy hao là hàm của thời gian để chỉ ra rằng khi ô tô di chuyển, thì trễ

và suy hao cũng như nhiều thành phần đa đường thay đổi là một hàm của thời gian. Tín
hiệu tổng tại máy thu là tổng của một lượng lớn các thành phần tán xạ. Những thành
phần này cùng với các pha ngẫu nhiên và do đó đường bao phức kết quả có thể được mô
hình hoá là một quá trình Gausơ phức theo định lý giới hạn trung tâm. Sự di động trong


khoảng cách nhỏ là bội của 2 (khoảng 15 cm tại 1 GHz) làm thay đổi pha đáng kể của
các thành phần tán xạ trong một tia, và làm cho các thành phần đó cộng với nhau tại một
vị trí và loại trừ nhau ở vị trí lân cận. Điều này dẫn đến công suất chia cho biên độ tín
hiệu thu thay đổi nhanh được gọi là fading nhanh hay fading phạm vi hẹp.

Hình 1.2 Minh họa kênh fading đa đường.
Cần lưu ý rằng, fading phạm vi hẹp do các thay đổi pha gây ra chứ không phải là
do suy hao, vì thay đổi các độ dài đường truyền một khoảng nhỏ trên các khoảng cách
nhỏ. Mặt khác, nếu MS di chuyển trên khoảng cách lớn và chiều dài đường truyền tăng
từ 1 lên 2 km, thì cường độ tín hiệu thu sẽ bị suy giảm vì suy hao thay đổi đáng kể. Tính
di chuyển trên khoảng cách lớn (>>  ) và sự thay đổi đặc điểm địa hình, sẽ ảnh hưởng
tới suy hao và công suất thu thay đổi chậm. Hiện tượng này được gọi là fading chậm
Đặng Văn Đạt – D11VT3

7


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

hay fading phạm vi rộng. Ta đã thấy đường bao phức của đầu vào máy thu từ số lượng
lớn các thành phần tán xạ là một quá trình Gausơ phức. Khi đó quá tình ngẫu nhiên có
giá trị trung bình không và độ lớn của quá trình là phân bố Rayleigh. Nếu tồn tại thành

phần đi thẳng LOS thì quá trình trở thành quá trình Rice, ảnh hưởng của quá trình này
sẽ được giải thích trong ví dụ 1.1.
Trong phạm vi nhất định, định nghĩa về fading nhanh và chậm có thể nhận thấy
được. Tuy nhiên, khi nói về fading nhanh và chậm, ta thường nghĩ về tốc độ ký hiệu cơ
bản. Cụ thể, kênh fading chậm được định nghĩa là kênh trong đó mức tín hiệu thu về cơ
bản là không đổi trong nhiều ký hiệu hoặc khung dữ liệu. Fading nhanh có nghĩa là
cường độ trường tín hiệu thu thay đổi đáng kể trong các khoảng thời gian ký hiệu. Vì
thế, định nghĩa về fading nhanh và chậm phụ thuộc vào tốc độ ký hiệu.
Tại đây, ta xác định đường bao phức của tín hiệu thu.
Giả sử đầu vào kênh truyền sóng là tín hiệu điều chế dạng:
x(t )  A(t ).cos  2 fct   (t ) 

(1.8)

Vì thực hiện mô phỏng dạng sóng bằng cách sử dụng các tín hiệu đường bao phức,
nên ta phải xác định đường bao phức cho cả x(t) và y(t) là x(t ) và y (t ) từ đó rút ra h(t , )
.
Đường bao phức của tín hiệu phát x(t ) : Bằng cách kiểm tra (1.8) ta có:
x(t )  A(t ).e (t )

(1.9)

Đường bao phức của tín hiệu thu y (t ) : Được xác định như sau
Thay (1.8) vào (1.7) ta có tín hiệu thu y(t):
N

y (t )   an (t ). A  t   n (t ) .cos 2 f c  t   n (t )    t   n (t ) 

(1.10)

n 1

Có thể viết là:
N



y (t )   an (t ). A  t   n (t ) .Re e j t  n (t ) e j 2 fc n (t ) e j 2 fct
n 1



(1.11)

Vì an(t) và A(t) đều là giá trị thực, nên (1.11) được viết là:
N

y (t )  Re  an (t ). A  t   n (t ) .e j t  n (t ) e  j 2 fc n (t ) e j 2 fct 
 n 1


(1.12)

Từ (1.9) ta có:
A t   n (t ) .e j (t  n (t ))  x t   n (t ) 

(1.13)

N




y (t )  Re  an (t ).e j 2 fc n ( t ) .x  t   n (t ) .e j 2 fct 
n 1


an ( t )



(1.14)

Vì thế:

Suy hao đường truyền phức được định nghĩa là:
Đặng Văn Đạt – D11VT3

8


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

an (t )  an (t ).e j 2 fc n (t )

(1.15)

N


y (t )  Re  an (t ).x  t   n (t ) .e j 2 fct 
 n 1


(1.16)

Vì vậy:

Vì vậy, đường bao phức của tín hiệu thu y(t) là:
N

y (t )   an (t ).x  t   n (t ) 

(1.17)

n 1

Rút ra đáp ứng xung kim của kênh h( , t ) : Quan hệ vào/ra của kênh được định
nghĩa bởi (1.17) tương ứng một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian LTV có đáp
ứng xung kim là:
N

h( , t )   an (t ).  t   n (t ) 

(1.18)

n 1

h ( , t )

t1

2

1

3

4

5

 (t1 )

t1

 (t2 )

t1

 (t3 )

t
Lý lịch trễ
đa đường
Trung bình hóa



1

2

3

4

5

Hình 1.3 Minh họa đáp ứng xung kim của kênh và lý lịch trễ đa đường
Trong (1.18), h( , t ) là đáp ứng xung của kênh đo được tại thời điểm t với giả thiết
rằng xung kim được đặt vào kênh tại thời điểm t   . Theo đó,  trình bày cho thời gian
trôi qua hoặc trễ truyền lan. Hình 1.3 minh họa đáp ứng xung kim của kênh h( , t ) và
lý lịch trễ đa đường.
Trường hợp đặc biệt: Trường hợp không di chuyển hoặc không có sự thay đổi
trong môi trường truyền dẫn, thì quan hệ vào/ra là bất biến theo thời gian mặc dù đa
đường vẫn xuất hiện. Khi này, trễ truyền dẫn tương ứng với đường truyền thứ n và suy
hao đường truyền đó là không đổi an (t )  an &  n (t )   n (kênh cố định):
N

y (t )   an .x  t   n 
n 1

(1.19)

Biểu diễn kênh trong các miền thời gian và tần số như sau:
Đặng Văn Đạt – D11VT3

9

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh
N

h( )   an .  t   n 
n 1

(1.20)

N

H ( f )   an .e j 2 f  n
n 1

(1.21)

Thấy rõ, trường hợp kênh bất biến theo thời gian LTIV, kênh chỉ thực hiện như
một bộ lọc đối với tín hiệu phát.
Ví dụ 1.1: Mô phỏng hiệu năng BER hệ thống QPSK hoạt động trong môi trường
kênh đa đường (3 tia) qua kênh AWGN và so sánh hiệu năng (BER) của hệ thống đó
trong trường hợp không có đa đường. Để đơn giản mô hình mô phỏng, ta giả sử như
sau:
1. Kênh truyền đa đường gồm có 3 đường truyền khác nhau: 1 đường đi thẳng
(LOS) không bị fading và 2 thành phần Rayleigh. Các mức công suất thu liên quan tới
mỗi đường và các trễ truyền của ba đường là các tham số được sử dụng để mô phỏng.
2. Fading Rayleigh trong kênh chỉ ảnh hưởng lên biên độ của tín hiệu phát. Pha
tức thời không bị ảnh hưởng.
3. Suy hao của mỗi thành phần đa đường là không đổi trên mỗi khoảng thời gian

ký hiệu và có các giá trị độc lập trên các khoảng liền kề (không yêu cầu phải định dạng
phổ Doppler).
4. Không sử dụng bộ lọc phát và mô hình máy thu là máy thu kết hợp.
Với các giả định trên thì, tín hiệu thu cho ví dụ này được viết là:
y(t )  a0 x(t )  a1 R1 x(t )  a2 R2 x(t -  )
LOS

Rayleigh

(1.22)

Rayleigh bÞ trÔ

Trong đó R1 và R2 là hai biến ngẫu nhiên phân bố Rayleigh độc lập thể hiện cho
suy hao của hai đường Rayleigh và  là trễ tương đối giữa hai thành phần Rayleigh.
Biến đổi Fourier của (1.16) là:
Y ( f )  a0 X ( f )  a1R1 X ( f )  a2 R2 X ( f )e j 2 f 

(1.23)

Dẫn đến hàm truyền đạt kênh là:
H( f ) 

Y( f )
 a0  a1 R1  a2 R2 e j 2 f 
X( f )

(1.24)

Rõ ràng, nếu tích f  không thể bỏ qua so với độ rộng băng tần của tín hiệu, thì

kênh là kênh chọn lọc tần số, dẫn đến trải rộng trễ và ISI. Các giá trị của a0, a1, a2 xác
định các mức công suất tương đối P0, P1 và P2 của ba thành phần đa đường.
Mô phỏng được thực hiện cho một trong sáu tập giá trị tham số được cho ở bảng
1.1. Với mỗi kịch bản kênh, BER được ước lượng dùng ước tính bán phân tích. Trong
bảng 1.1, trễ được biểu diễn theo chu kỳ lấy mẫu. Vì tần số lấy mẫu mô phỏng là 16
mẫu trên ký hiệu, nên  = 8 tương đương với trễ là một nửa chu kỳ lấy mẫu

Đặng Văn Đạt – D11VT3

10


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Bảng 1.1: Các kịch bản kênh để minh họa cho fading
Kịch bản
P0
kênh số

P1

P2


(mẫu)

Chú thích

1

1,0

0

0

0

Dùng để phê chuẩn (kênh lý tưởng
AWGN)

2

1,0

0,2

0

0

Fading phẳng Rice

3

1,0

0

0,2

0

Fading phẳng Rice

4

1,0

0

0,2

8

Fading chọn lọc tần số Rice

5

0

1,0

0,2

0

Fading phẳng Rayleigh

6

0

1,0

0,2

8

Fading chọn lọc tần số Rayleigh

Kết quả mô phỏng đối với kịch bản kênh số 1 và 2 được minh hoạ ở hình 1.4. Trong
kịch bản số 1, chỉ có một thành phần đi thẳng LOS mà không có đa đường, dẫn đến ước
tính BER bán phân tích cho hệ thống QPSK hoạt động trong môi trường kênh AWGN.
Việc mô phỏng này nhằm để kiểm tra phương pháp luận mô phỏng và tạo ra các kết quả
ranh giới biểu diễn cho một hệ thống QPSK lý tưởng. Vì mục đích so sánh, nên kết quả
này được hiển thị cùng với kết quả BER của 5 kịch bản kênh còn lại. Bảng 1.1 cho thấy,
kịch bản 2 là kịch bản số 1 thêm một thành phần fading Rayleigh. Việc thêm vào này có
thể đáp ứng với kênh fading Rice. Vì   0 , nên kịch bản kênh số 2 là fading phẳng
(không chọn lọc tần số). Thấy rõ, BER tăng lên so với kịch bản kênh số 1 (trường hợp
kênh lý tưởng).

Kịch bản kênh số 1
Đặng Văn Đạt – D11VT3

11

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Kịch bản kênh số 2
Hình 1.4 Hình minh họa cho fading phẳng Rice
Kết quả mô phỏng cho kịch bản kênh số 3 và 4 được minh hoạ ở hình 1.5. Kịch bản
kênh số 3 về cơ bản tương đương kịch bản kênh số 2. Sự khác nhau nhỏ là do quá trình
fading khác với quá trình fading được dùng ở kịch bản kênh số 2 do sự khởi tạo khác
nhau của bộ tạo số ngẫu nhiên cơ bản. Kịch bản kênh số 4 giống với kịch bản kênh số 3
ngoại trừ là fading bây giờ là chọn lọc tần số.

Kịch bản kênh số 3

Đặng Văn Đạt – D11VT3

12


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Hình 1.5 Minh hoạ fading đa đường Rice và fading chọn lọc tần số
Kết quả mô phỏng cho kịch bản kênh số 5 và 6 được cho ở hình 1.6. Lưu ý rằng, cả
hai kịch bản kênh này đều không có thành phần truyền thẳng. So sánh kết quả kịch bản
số 5 với 4 kết quả trước cho thấy hiệu năng đều xấu hơn so với trường hợp có thành
phần LOS.

Kịch bản kênh số 5

Đặng Văn Đạt – D11VT3

13


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về các mô hình kênh

Kịch bản kênh số 6
Hình 1.6 Minh hoạ fading đa đường Rayleigh và fading chọn lọc tần số
Mô hình hoá một kênh di động ngoài trời thường được tiến hành hai bước, nó biểu
diễn các ảnh hưởng phạm vi hẹp và phạm vi rộng của fading và đa đường. Như đã đề
cập, fading phạm vi rộng thể hiện cho suy hao hoặc tổn hao đường truyền trên một vùng
rộng và hiện tượng này do sự không bằng phẳng của địa hình như đồi núi, toà nhà, v.v...
giữa máy phát và máy thu. Máy thu thường bị khuất hoặc bị che chắn, tính thống kê của
fading phạm vi rộng tạo ra cách thức tính toán công suất tín hiệu thu hay tổn hao đường
truyền là hàm của khoảng cách. Fading phạm vi hẹp liên quan tới tính thay đổi động về
biên độ và pha của tín hiệu thu, là kết quả của các thay đổi rất nhỏ trong phân tách không
gian giữa máy phát và máy thu.
Ba cơ chế ảnh hưởng lên chất lượng tín hiệu thu trong một kênh di động: phản xạ,
khúc xạ và tán xạ. Phản xạ xảy ra khi sóng vô tuyến đụng phải một bề mặt lớn và phẳng
(như bề mặt nước hoặc bề mặt kim loại lớn). Nhiễu xạ xẩy ra tại nơi có sự cản trở trên
đường vô tuyến giữa máy phát và máy thu gây ra một sóng vô tuyến thứ cấp tạo ra sự
cản trở sau đó. Điều này được gọi là che chắn (shadowing) và giải thích cho sóng vô
tuyến vẫn đến được ăng ten thu mặc dù không tồn tại đường nhìn thẳng LOS giữa máy
phát và máy thu. Tán xạ: kết quả từ các bề mặt gồ nghề mà có kích thước là bội số của
bước sóng, làm cho năng lượng bị phản xạ đó tán xạ ra mọi hướng.
Trong khi lý thuyết trường điện từ đưa ra các mô hình rất phức tập cho những hiện

tượng này, thì ta có thể sử dụng các mô hình thống kê đơn giản hơn cho quan hệ vào/ra
cho kênh di động. Cụ thể, có thể mô hình hóa đáp ứng tương đương thông thấp của một
kênh vô tuyến di động bởi đáp ứng xung kim phức dạng:

Đặng Văn Đạt – D11VT3

14