Đánh giá hiệu quả kỹ thuật sắp xếp can nhiễu trong hệ thống thông tin di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------o0o---------------

NGUYỄN MINH THI

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KỸ
THUẬT SẮP XẾP CAN NHIỄU
TRONG HỆ THỐNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG.
Mã số: 13463058
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12/2014


Cơng trình được hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ..................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ................................................................. MSHV: ................................
Ngày, tháng, năm sinh: ...................................................... Nơi sinh: .............................
Chuyên ngành: ................................................................... Mã số : ...............................
I. TÊN ĐỀ TÀI:
.......................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
......................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : .....................................................................................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ....................................................................
IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: .........................................................................................
...........................................................................................................................................
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Sau 5 tháng học tập và nghiên cứu, nay tơi đã hồn thành luận văn thạc sĩ này.
Xin tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Giảng Viên Hướng Dẫn – Tiến sĩ
Hà Hoàng Kha đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy tơi trong suốt q trình thực hiện!
Ngồi ra, xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện tử, bộ
môn Kỹ Thuật Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa – TP.HCM đã tận tình
truyền đạt kiến thức trong thời gian qua. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình
học tập khơng chỉ là nền tảng cho q trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, mà
còn là hành trang q báu để tơi có thể áp dụng hiệu quả vào thực tiễn công việc
cũng như trong cuộc sống.
Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã ln ủng hộ, động viên và giúp
đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Cảm ơn tất cả mọi người!
Cuối cùng xin kính chúc q Thầy, Cơ trong khoa Điện – Điện tử trường đại
học Bách Khoa, cũng như toàn thể quý Giảng viên trong nhà trường luôn dồi dào sức
khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong công việc và cuộc sống.
Trân trọng cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh – tháng 12 năm 2014.
SVTH: Nguyễn Minh Thi

TÓM TẮT
Ảnh hưởng của can nhiễu đến dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến là
chủ đề đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Luận văn này xem xét mơ hình
mạng thơng tin vơ tuyến có nhiều người sử dụng đồng thời chia sẻ chung phổ tần
số. Mỗi người sử dụng được trang bị nhiều antenna phát và antenna thu để điều
chỉnh hướng phát và kết hợp tín hiệu thu mong muốn. Hai phương pháp phổ biến để
chọn tập các ma trận trọng số thu phát là tối thiểu can nhiễu hoặc tối đa tỷ số tín
hiệu trên can nhiễu và nhiễu SINR (Signal-to Interference Plus Noise Ratio). Tuy
nhiên, các phương pháp trước đây thường không xét đến ảnh hưởng của suy hao
theo khoảng cách đến mơ hình kênh truyền cũng như giả sử công suất giữa các
luồng tín hiệu là giống nhau. Luận văn này sử dụng sử dụng mơ phỏng trên kênh
truyền có các ảnh hưởng đó và đề xuất giải pháp cung cấp cơng suất tối ưu giữa các
luồng tín hiệu để tăng dung lượng hệ thống. Hơn nữa, việc đánh giá so sánh dung
lượng kênh, ảnh hưởng điều kiện đầu, tốc độ hội tụ chưa được thực hiện đầy đủ
trong các cơng trình trước đây. Bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlos, luận
văn này cũng sẽ đánh giá sự hiệu quả của các giải thuật tối ưu lặp được đề xuất.


ABSTRACTS
The channel capacity of interference channels has been an active research
area in recent years. This thesis is concerned with the multi-user wireless networks
where multiple users are imultaneously sharing the same frequency spectrum. Each
user is equipped with multiple antennas to beam the transmit signals to desired
directions, and to linearly combine the receive signals in order to mitigate
interference. Two typical methods to design transceiver matrices are the the
minimization of leakage interference and the maximization of stream signal to
interference plus noise. However, previous methods commonly not consider effects
of large scale path-loss to the channel model as well as assume that the power

allocated to all signal streams is equal. This thesis will consider to that effects and
optimize the power allocation to streams to improve the sum-rate. In addition, the
evaluation of the sum rate performance, the initial impacts and convergence speed
have not been extensively studied in the literature. By using Monte-Carlo
simulation, this thesis also investigate the effects of these parameters to the system
performance.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Nguyễn Minh Thi, là học viên cao học chun ngành Kỹ thuật Viễn Thơng,
khóa 2013 của trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh. Tơi
xin cam đoan những nội dung sau đều là sự thật:
-

Cơng trình nghiên cứu này hồn tồn do chính tơi thực hiện trong suốt q
trình thực hiện luận văn.
Các tài liệu và trích dẫn trong luận văn đều được tham khảo từ các nguồn
thực tế, uy tín và có độ chính xác cao.
Các số liệu và kết quả mô phỏng được thực hiện một cách độc lập và hồn
tồn trung thực.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2014.
Học viên thực hiện
Nguyễn Minh Thi


i

Mục lục:
Danh sách hình vẽ: .................................................................................................... iii

Danh sách bảng biểu: ................................................................................................ iv
Danh sách từ viết tắt: ...................................................................................................v
Chương 1.

Mở đầu:................................................................................................1

1.1

Lý do chọn đề tài: ..........................................................................................1

1.2

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn: ..............................................................1

1.3

Đóng góp của luận văn: .................................................................................2

1.4

Cấu trúc nội dung luận văn:...........................................................................2

Chương 2.

Giới thiệu tổng quan: ...........................................................................4

2.1

Nhu cầu dung lượng và sự khan hiếm của phổ tần: ......................................4

2.2

Tổng quan về các kênh vô tuyến: ..................................................................6

2.2.1

Kênh truyền đa đường: ...........................................................................6

2.2.2

Kênh truyền Rayleigh: ..........................................................................14

2.2.3

Kênh truyền Rician Fading: ..................................................................15

Chương 3.

Các vấn đề liên quan: ........................................................................18

3.1

Hệ thống MIMO và kỹ thuật định hình búp sóng (Beam Forming): ..........18

3.1.1

Hệ thống MIMO: ..................................................................................18

3.1.2

Giàn anten tuyến tính N phần tử phân bố đều: .....................................21

3.1.3 Kỹ thuật định hình búp sóng tối đa hóa chất lượng tín hiệu (MSIR BF –
Maximum Signal to Noise Ratio – Beam Forming): ........................................24
3.2

Bài toán tối ưu GP (Geometric Program): ...................................................29

3.3

Bài toán tối ưu lồi: .......................................................................................33

3.3.1

Khái niệm về tập lồi: .............................................................................33

3.3.2

Hàm lồi: ................................................................................................35

3.3.3

Đạo hàm của hàm lồi: ...........................................................................36

3.3.4

Bài tốn tối ưu lồi: ................................................................................36

3.4

Mơ phỏng Monte Carlos: .............................................................................38

Chương 4.

Kỹ thuật sắp xếp can nhiễu cho hệ thống MIMO đa người dùng: ....40

4.1

Giới thiệu về kỹ thuật sắp xếp can nhiễu (IA – Interference Alignment): ..40

4.2

Mơ hình hệ thống:........................................................................................42

4.3

Mơ hình kênh truyền dùng trong mơ phỏng: ...............................................44


ii

4.4

Điều kiện cần cho sắp xếp can nhiễu: .........................................................48

4.5

Các giải thuật phát khi không biết CSI:.......................................................49

4.5.1

Giải thuật phát đẳng hướng (Isotropic): ...............................................49

4.5.2

Giải thuật phát ngẫu hướng (RBF – Random Beam Forming): ...........49

4.6

Giải thuật cực tiểu hóa can nhiễu (mLI – Minimum Leakage Interference):
50

4.7 Giải thuật cực đại hóa chất lượng tín hiệu (MSINR - Maximum Signal to
Interference plus Noise Ratio): .............................................................................54
4.8 Giải thuật phân bổ tối ưu công suất phát (OATP - Optimal Allocation
Transmitted Power): ..............................................................................................57
4.8.1

Tính tốn giải thuật: ..............................................................................57

4.8.2

Độ phức tạp tính tốn và tốc độ hội tụ của giải thuật: ..........................59

Chương 5.

Kết quả mô phỏng .............................................................................60

5.1

So sánh tổng tốc độ bit đạt được giữa các giải thuật: ..................................60

5.2 Mối liên hệ giữa số anten, số người dùng và số luồng dữ liệu truyền đồng
thời: 62
5.3

Sự thay đổi của dung lượng kênh theo số người sử dụng: ..........................64

5.4

Đặc tính hội tụ của các giải thuật: ...............................................................65

5.5

Sự phụ thuộc của kết quả giải thuật vào điểm bắt đầu: ...............................66

Chương 6.

Kết luận và hướng phát triển: ............................................................68

Tài liệu tham khảo .....................................................................................................69


iii

Danh sách hình vẽ:
Hình 1: các hiện tượng xảy ra trong q trình truyền sóng ........................................8
Hình 2: hiện tượng truyền đa đường. ..........................................................................9
Hình 3: hiệu ứng Doppler ..........................................................................................9
Hình 4: phổ của tín hiệu thu lại do hiệu ứng Doppler...............................................10

Hình 5: phổ tần số trong kênh truyền chọn lọc tần số...............................................12
Hình 6: phổ tần số trong kênh truyền fading phẳng. .................................................13
Hình 7: hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh .................................................15
Hình 8: hàm mật độ xác suất của phân bố Rician .....................................................17
Hình 9: hệ thống MIMO đơn giản. ..........................................................................18
Hình 10: giàn anten tuyến tính N phần tử phân bố đều. ..........................................22
Hình 11: giàn anten thu trong kỹ thuật Beam Forming ............................................24
Hình 12: đáp ứng của giàn anten trong kỹ thuật Beam Forming. .............................26
Hình 13: mơ hình giàn anten trong kỹ thuật Beam Forming. ...................................27
Hình 14: tập lồi (convex) và tập khơng lồi (non-convex) .........................................34
Hình 15: tập lồi Halfspace.........................................................................................34
Hình 16: tập lồi Polyhedron ......................................................................................35
Hình 17: hàm lồi........................................................................................................35
Hình 18: mơ hình kỹ thuật sắp xếp can nhiễu. ..........................................................41
Hình 19: khơng gian tín hiệu tại máy thu, mơ phỏng bằng MATLAB .....................41
Hình 20: mơ hình hệ thống MIMO đa người dùng. ..................................................42
Hình 21: mơ hình hệ thống thơng tin trong mạng tế bào ..........................................45
Hình 22: ảnh hưởng của can nhiễu trên thực tế ........................................................47
Hình 23: giải thuật phát ngẫu hướng RBF. ..............................................................50
Hình 24: sơ đồ giải thuật tối thiểu can nhiễu luân phiên. .........................................52
Hình 25: can nhiễu bị triệt tiêu trong giải thuật mLI. ...............................................53
Hình 26: cơng suất tín hiệu bị giảm đi ở một số người dùng trong giải thuật mLI. .54
Hình 27: tốc độ hệ thống bị giảm đi trong giải thuật mLI ở 1 số trường hợp...........54
Hình 28: tốc độ trong giải thuật MSINR được cải thiện qua các lần lặp. .................57
Hình 29: so sánh tốc độ của hệ thống qua các giải thuật. .........................................61
Hình 30: hiệu năng hệ thống khi số anten không thỏa mãn điều kiện tối thiểu. .......62
Hình 31: mối liên hệ giữa số anten và số người dùng khi truyền 1 luồng dữ liệu. ...63
Hình 32: mối liên hệ giữa số anten và số người dùng khi truyền 2 luồng dữ liệu
đồng thời. ..................................................................................................................63
Hình 33: sự thay đổi của dung lượng kênh hệ thống theo số người sử dụng. ..........64

Hình 34: đặc tính hội tụ của giải thuật MSINR ........................................................65
Hình 35: đặc tính hội tụ của giải thuật OATP...........................................................66
Hình 36: sự phụ thuộc kết quả của giải thuật vào điểm bắt đầu. ..............................67


iv

Danh sách bảng biểu:
Bảng 1: Hệ số suy hao  từ kết quả đo kiểm ............................................................46


v

Danh sách từ viết tắt:

AWGN

Additive white Gaussian
Noise

Nhiễu Gauss-trắng-cộng

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple
Access

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

EcNo

Energy of chip on Noise

Tỷ số năng lượng chip trên nhiễu nền

FDMA

Frequency Division
Multiple Access

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số

GP

Geometric Programming

Bài toán tối ưu "lập trình hình học"

IA

Interference Alignment

Kỹ thuật sắp xếp can nhiễu

ISI

Inter Symbol Interference

Can nhiễu liên ký tự

LTE

Long Term Evolution

Công nghệ di động phát triển dài hạn

MACP

Medium Access Control
Protocol

Giao thức điều khiển truy nhập môi trường

truyền

MIMO

Multiple Input - Multiple
Output

Kỹ thuật truyền nhiều anten thu - nhiều
anten phát

mLI

minimum Leakage
Interference

Kỹ thuật cực tiểu hóa can nhiễu

Maximum Signal to
Interference plus Noise

Kỹ thuật cực đại hóa chất lượng tín hiệu.

MSINR


vi

Ratio

OATP

Optimal Allocation
Transmitted Power

Kỹ thuật phân bổ tối ưu công suất phát

QAM

Quadrature amplitude
modulation

Kỹ thuật điều biên cầu phương

RBF

Random Beam Forming

Kỹ thuật định hình búp sóng ngẫu nhiên

SINR

Signal to Interference plus
Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA

Time Division Multiple
Access

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời
gian

WiMAX

Worldwide
Interoperability for
Microwave Access

Chuẩn kết nối Internet băng thông rộng
không dây ở khoảng cách lớn

WLAN

wireless local area network Mạng nội bộ không dây


1

Chƣơng 1. Mở đầu:
1.1 Lý do chọn đề tài:
Can nhiễu là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong
các hệ thống vô tuyến. Trong mạng tế bào, can nhiễu được tạo ra khi các BTS khác

nhau dùng chung tần số sóng mang theo nguyên tắc tái sử dụng tần số. Can nhiễu
giữa các cell làm giảm tốc độ truyền của các cell và gây nên rớt sóng tại biên của
cell. Trong mạng nội bộ, can nhiễu được tạo ra khi nhiều điểm truy cập (access
point) sử dụng chung 1 kênh truyền. Giao thức điều khiển truy nhập môi trường
truyền (medium access control protocol – MACP) cố gắng xử lý can nhiễu bằng
cách tránh đụng độ giữa các gói tin. Cách làm này làm giảm hiệu suất sử dụng băng
thông của hệ thống. Tương tự như vậy, các BTS kế cận cũng sẽ bị can nhiễu nếu
chúng dùng chung tài nguyên khe thời gian hoặc tần số. Và MACP 1 lần nữa lại
giới hạn số kết nối đồng thời cũng như hiệu năng của hệ thống. Can nhiễu, vì thế, là
vấn đề chính cho hầu hết các hệ thống vô tuyến.
Gần đây, một khái niệm mới trong thông tin di động giữa các kênh can
nhiễu, được gọi là sắp xếp can nhiễu (IA – Interference Alignment) đã được nêu
lên. IA là một kỹ thuật phối hợp quản lý can nhiễu tận dụng tối đa dung lượng của
các miền truyền tin như khe thời gian, băng tần hay anten. Các máy phát cùng nhau
tạo nên tín hiệu truyền của mình trong khơng gian đa chiều sao cho can nhiễu quan
sát tại máy thu chỉ là một phần trong toàn khơng gian tín hiệu. Một điều bất ngờ là
việc sắp xếp có thể cho phép tốc độ truyền của tồn mạng tăng tuyến tính cùng với
kích cỡ mạng lưới mà khơng có giới hạn [22]. Điều này hầu như đối lập hoàn toàn
với các kỹ thuật trực giao như FDMA hay TDMA, trong đó tốc độ truyền hầu như
khơng đổi bất kể kích thước mạng lưới là bao nhiêu, vì chỉ một cặp người dùng có
thể hoạt động trong một khe thời gian hay tần số cho trước.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn:
Quan sát thấy rằng các kỹ thuật đã báo cáo trước đây trong sắp xếp can nhiễu
đều không xét đến ảnh hưởng của suy hao theo khoảng cách trong kênh truyền,


2

cũng như giả sử các luồng tín hiệu được cấp phát công suất bằng nhau [23],[24]. Rõ
ràng, việc không xét đến ảnh hưởng của suy hao trong kênh truyền khiến cho kết

quả thiếu chính xác, mặt khác các luồng tín hiệu được truyền qua các kênh fading
khác nhau, do đó việc cung cấp công suất giống nhau là chưa tối ưu. Luận văn này
sẽ phát triển một giải thuật lặp để cấp phát công suất tối ưu nhằm tối đa dung lượng
hệ thống, và tồn bộ mơ phỏng sẽ được thực hiện trên kênh truyền có xét đến ảnh
hưởng của suy hao theo khoảng cách. Mục tiêu của luận văn là đề xuất một giải
thuật cải tiến bằng cách kết hợp phương pháp tối ưu luân phiên cho các ma trận thuphát và tối ưu công suất phát giữa các luồng tín hiệu. Để tối ưu cơng suất phát của
các luồng dữ liệu, luận văn này biểu diễn hàm mục tiêu là tổng tốc độ bit của các
luồng dưới dạng tích của các tổng đa thức, sau đó, biến bài toán tối ưu thành dạng
GP (Geometric Programming) và sử dụng các giải thuật tối ưu lồi để giải. Để đánh
giá hiệu quả của giải thuật, phần mô phỏng sẽ so sánh tổng tốc độ bit đạt được với
các phương pháp tối thiểu can nhiễu trong [14]. Đồng thời luận văn cũng sẽ khảo
sát tốc độ hội tụ và ảnh hưởng của điều kiện đầu đến dung lượng hệ thống.
1.3 Đóng góp của luận văn:
Luận văn này đóng góp các nghiên cứu – khảo sát sau:
-

Khảo sát kênh truyền có can nhiễu với phân bố Rician, đồng thời có
xét đến ảnh hưởng của suy hao theo khoảng cách giữa các cặp thu
phát đến hiệu năng hệ thống.

-

Thuật toán phân bổ tối ưu công suất phát cải thiện hiệu năng hệ thống.

-

So sánh với các giải thuật truyền khi không biết CSI hệ thống như
Isotropic hay RBF.

1.4 Cấu trúc nội dung luận văn:

Các phần sau sẽ lần lượt trình bày về kỹ thuật sắp xếp các nhiễu, từ khái quát
và các khái niệm cơ bản đến chi tiết về giải thuật sắp xếp can nhiễu hiện nay:
Chương 2 giới thiệu tổng quan về kỹ thuật sắp xếp can nhiễu cũng như các
mô hình kênh truyền thực tế.


3

Chương 3 trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô phỏng kỹ thuật sắp xếp
can nhiễu như mô phỏng Monte Carlos, hệ thống MIMO và kỹ thuật định hình búp
sóng (Beam Forming), bài tốn tối ưu GP cũng như bài toán tối ưu lồi, làm nền tảng
cho các giải thuật sắp xếp can nhiễu trong chương 4.
Chương 4 trình bày chi tiết mơ hình hệ thống và mơ hình kênh truyền trong
kỹ thuật sắp xếp can nhiễu, các giải thuật dùng khi không biết được thông tin kênh
truyền CSI và các giải thuật lặp cũng như giải thuật tối ưu cơng suất phân bổ được
đề xuất.
Chương 5 trình bày kết quả mơ phỏng và so sánh đặc tính của các giải thuật
trên, từ đó rút ra kết luận về kỹ thuật tối ưu công suất phân bổ được đề xuất.
Chương 6 kết luận lại kết quả đạt được trong luận văn và hướng nghiên cứu,
phát triển tiếp theo của đề tài.


4

Chƣơng 2. Giới thiệu tổng quan:
2.1 Nhu cầu dung lượng và sự khan hiếm của phổ tần:
Trong những năm gần đây, nhu cầu càng tăng của các dịch thông tin vô
tuyến đã dẫn đến sự khan hiếm của phổ tần số. Do đó, trong các hệ thống thơng tin
khơng dây hiện đại, thông tin giữa nhiều cặp thu phát đồng thời phải sử dụng chung
nguồn tài nguyên vô tuyến như thời gian, tần số và khơng gian. Mơ hình này được

gọi là kênh truyền có can nhiễu. Kênh truyền có can nhiễu là mơ hình tiêu biểu cho
cho các mạng di động tế bào, mạng không dây cục bộ, mạng ad-hoc, mạng vơ tuyến
có nhận thức [1], [2]. Can nhiễu được biết là một trong những yếu tố quan trọng làm
giảm chất lượng của các hệ thống thơng tin đó. Do đó, các kỹ thuật giảm ảnh hưởng
của can nhiễu là những quan tâm quan trọng trong thiết kế mạng khơng dây. Các
phương pháp phổ biến để đối phó với can nhiễu có thể được tóm tắt như sau [3]:
 Xem can nhiễu như nhiễu: Trong phương pháp này, can nhiễu được
xem như nhiễu và bộ thu tập trung vào tách tín hiệu mong muốn.
Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong thực tế do việc thực
hiện đơn giản. Tuy nhiên, nó khơng thể đạt được dung lượng kênh tối
đa [4], [5].
 Giải mã và loại bỏ can nhiễu: Nếu tín hiệu can nhiễu đủ lớn so với tín
hiệu mong muốn, tín hiệu can nhiễu có thể được giải mã và sau đó
được trừ vào tín hiệu nhận được. Phương pháp này đã được báo cáo
trong [6] đối với trường hợp của các kênh can nhiễu hai người sử
dụng. Phương pháp này quá phức tạp để mở rộng cho các trường hợp
hơn hai người sử dụng [5].
 Phương pháp trực giao: Can nhiễu được tránh bằng cách khai thác các
kênh trực giao, trong đó tín hiệu truyền được lựa chọn để không
chồng lấn trong thời gian, tần số hoặc không gian. Phương pháp tiêu
biểu là đa truy cập phân chia theo thời gian, tần số và không gian.
Trong phương pháp này, mỗi người sử dụng được chia một phần dung
lượng của hệ thống [5].


5

Trong các kênh can nhiễu, khi khơng có sự hợp tác giữa người sử dụng, mỗi
người sử dụng hướng tới tối đa hóa tốc độ của riêng mình. Kết quả là tổng tốc độ
đạt được cho tất cả cặp người sử dụng không được cải thiện so với tốc độ của kênh

có 1 cặp người sử dụng duy nhất. Cách khác, bằng cách chia sẻ tất cả trạng thái
thông tin của kênh và thơng tin của các luồng tín hiệu cho tất cả các người sử dụng,
các bộ phát có thể hợp tác để giảm can nhiễu. Kỹ thuật này có thể cải thiện đáng kể
tổng tốc độ bit. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là yêu cầu
nghiêm ngặt về việc phối hợp giữa người sử dụng, yêu cầu cao về băng thông thông
tin của các liên kết truyền dẫn [2].
Trái ngược với kết quả trước đó, tài liệu [5] đã chứng minh rằng tổng dung
lượng cho mỗi người dùng trong một mạng với số lượng tùy ý của người sử dụng có
thể đạt một nửa của mỗi người sử dụng trong trường hợp khơng có can nhiễu. Kết
quả quan trọng này đạt được bằng một kỹ thuật mới được gọi là sự sắp xếp can
nhiễu [5]. Các tác giả của [5] đã đề xuất một kỹ thuật sắp xếp can nhiễu như một
phương pháp hiệu quả đạt được dung lượng kênh với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
cao. Ý tưởng chính của sắp xếp can nhiễu là giới hạn các tín hiệu can nhiễu trong
một không gian con riêng ở mỗi bộ thu, trong khi các tín hiệu mong muốn có thể
được truyền trên khơng gian con không bị can nhiễu [3].
Sử dụng nhiều antenna phát và thu (MIMO: Multiple-Input MultipleOutput) có thể làm tăng dụng lương kênh, độ tin cậy truyền dữ liệu và hiệu suất
phổ. Kỹ thuật MIMO đã được khai thác trong các chuẩn mạng thông tin không dây
hiện tại và tương lai như chuẩn IEEE802.11n, mạng WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access) và LTE (Long Term Evolution) [7]. Trong
mạng sử dụng MIMO, sự sắp xếp can nhiễu sử dụng số chiều không gian được cung
cấp bởi việc sử dụng nhiều antenna. Tài liệu [8] mô tả vùng dung lượng của hệ
thống kênh can nhiễu có nhiều ngõ vào và một ngõ ra, trong khi bài báo [13] xem
xét trường hợp hệ thống kênh can nhiễu có một ngõ vào và nhiều ngõ ra với can
nhiễu lớn. Tài liệu [9] thiết kế các bộ lọc phát và thu tuyến tính kênh X trong đó bao
gồm hai cặp của người sử dụng được trang bị nhiều antenna. Các tác giả [10] phân


6

tích bậc tự do cho các kênh X với hai cặp người sử dụng trong đó mỗi người sử

dụng trang bị số antenna tùy ý. Kỹ thuật truyền này sau đó được tổng quát cho các
kênh can nhiễu có K người sử dụng, và các tác giả [11] chỉ ra rằng độ lợi ghép kênh
của tổng tốc độ dữ liệu là K/2 trên mỗi số chiều của thời gian, tần số và antenna.
Các tác giả [2], [12] chỉ ra rằng thiết kế tối ưu của bộ thu phát để tối đa hóa
tổng tốc độ của hệ thống là bài tốn khó và thời gian tính tốn khơng phải là hàm đa
thức theo số chiều của các biến. Vì vậy, phát triển các thuật tốn hiệu quả để có
được bộ thu phát tối ưu là thật sự là một bài toán khó. Một số tác giả đã phát triển
giải thuật tối ưu cho kênh can nhiễu MIMO như [2], [13], [14]. Tuy nhiên, các giải
thuật này thường có nhược điểm như lời giải phụ thuộc vào điểm khởi đầu, kích
thước bước, và hội tụ đến điểm tối ưu cục bộ. Đó cũng chính là lý do luận văn này
tập trung phát triển một giải thuật lặp để cấp phát công suất tối ưu nhằm tối đa dung
lượng hệ thống, cũng như tồn bộ mơ phỏng sẽ được thực hiện trên kênh truyền có
xét đến ảnh hưởng của suy hao theo khoảng cách.
2.2 Tổng quan về các kênh vô tuyến:
2.2.1 Kênh truyền đa đường:
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn
ngẫu nhiên và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán
xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy
thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh
hưởng đến chất lượng của hệ thống thơng tin vơ tuyến. Do đó việc nắm vững những
đặc tính của kênh truyền vơ tuyến là u cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách
thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số
tối ưu của hệ thống.


7

Hiện tượng fading trong một hệ thống thơng tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và Fading tầm hẹp (small-scale fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình cơng suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa
máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao.
Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh
truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí khơng gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý: sự trải thời gian
(time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của
kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì
sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống
di động:
 Phản xạ (reflection): xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt
bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
 Tán xạ (scratering): xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt
phẳng lớn, gồ ghề có kích thước so sánh được với bước sóng, làm cho
năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng.
Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột
đèn, cột báo hiệu, tán lá.
 Nhiễu xạ (diffraction): xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và
thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn
so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng giải thích cho ngun nhân
năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà khơng cần
đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn

8

(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị
chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.

Hình 1: các hiện tượng xảy ra trong q trình truyền sóng

Trong một hệ thống thơng tin vơ tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường khơng
bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và
nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận
được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,
khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi
là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín
hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ,
dịch pha, ảnh hưởng lẫn nhau và gây nên hiện tượng Fading đa đường (Multipath
Fading). Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể
được khơi phục lại hoặc bị méo dạng hồn tồn. Ngồi ra khi truyền tín hiệu số, đáp
ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp
ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung
(impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến
tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.


9

Hình 2: hiện tượng truyền đa đường.

2.2.1.1

Hiệu ứng Dopler:

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu như trình bày ở hình dưới. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu
được bị lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.

Hình 3: hiệu ứng Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi
đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:


10

( )

(2.1)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần
số Doppler lớn nhất sẽ là:

(2.2 )
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang
hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler
được biểu diễn như sau[5]:

𝒂𝒚𝒚 (𝒋𝟐 𝒇)

{

√

| |

.

/

(2.3)

Phổ của tín hiệu thu lại được biểu diễn như hình 4:

Hình 4: phổ của tín hiệu thu lại do hiệu ứng Doppler

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm
1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như
sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ


11

khơng nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai phía
với độ dịch là fD,max như hình ở 4. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của
nhiều hệ thống.
2.2.1.2

Suy hao trên đường truyền:

Mô tả sự suy giảm cơng suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát
đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác

phục bằng các phương pháp điều khiển công suất.
Suy hao trong không gian tự do được cho bởi công thức sau [25]:

(

)

. /

,

(

)

-

(2.4)

Mơ hình truyền trong khơng gian tự do được dùng để dự đốn cường độ tín
hiệu thu được khi giữa máy phát và máy thu có tầm nhìn thẳng, khơng bị che chắn.
Khi tần số sóng mang càng cao, cơng suất thu được càng giảm. Tuy nhiên, độ
lợi của anten hữu hướng độ lợi cao có thể tăng theo tần số.
Mơ hình suy hao kênh truyền đơn giản:
Trong mơ hình này, suy hao đường truyền được tính như là hàm theo khoảng
cách, thường được dùng trong thiết kế hệ thống.
Thông số quan trọng nhất chính là hệ số suy hao , được xác định bởi:

( )

(2.5)

Hoặc nếu tính bằng dB:

(

)

(

)

(

)



(2.6)

Trong đó:
d0 là khoảng cách tham khảo cho trường xa của anten (d0 = 1 – 10m trong môi
trường trong nhà và bằng 10-100m trong mơi trường ngồi trời).


12

K là suy hao trong không gian tự do tại khoảng cách d0:

(

2.2.1.3

)

(2.7)

Hiệu ứng bóng râm:

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao
tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện
tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy,
hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
2.2.1.4

Các dạng kênh truyền:

Tuỳ theo mức độ của multipath-fading ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi
kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading
channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh
truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow
fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân
bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay
Rician.
a) Kênh truyền fading phẳng và fading chọn lọc tần số:
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng
tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng
tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu là f0.

Hình 5: phổ tần số trong kênh truyền chọn lọc tần số.