Nghiên cứu đề xuất mô hình trải phổ Đa sóng mang Đa truy nhập SS MC MA cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng

ĐOàn Thế Bình

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học
ngành : Kỹ THUậT ĐIệN Tử

Kỹ thuật điện tử

nghiên cứu Đề XUấT MÔ HìNH TRảI PHổ ĐA SóNG MANG - ĐA TRUY NHậP (SS - MC - MA)
CHO Hệ ThốNG VÔ TUYếN BĂNG thông RộNG

ĐOàN THế BìNH

2006 - 2008
Hà Nội

2008

Hà Nội 2008


bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu Đề XUấT MÔ HìNH TRảI PHổ ĐA SóNG MANG - ĐA TRUY NHậP (SS - MC - MA)

CHO Hệ ThốNG VÔ TUYếN BĂNG thông RộNG

ngành : Kỹ THUậT ĐIệN Tử
mà số:23.04.3898
ĐOàN THế BìNH

Người hướng dẫn khoa học : TS. ĐàO NGọC CHIếN

Hà Néi 2008


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian 2 năm, tơi đã hồn thành khóa học cao học tại trung tâm Đào
tạo Sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn
các thầy cô giáo Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Khoa Điện tử viễn thông, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu dắt, chỉ bảo tôi trong những năm vừa qua. Đặc
biệt, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Đào Ngọc
Chiến, người đã tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn thạc sĩ này. Nhân dịp
này, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các bạn cùng lớp cao học
điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong suốt thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày

tháng

năm 2008

Học viên

Đoàn Thế Bình

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
MỞ ĐẦU

Chương 1. LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN...................................... 1
Khái niệm về kênh fading ................................................................................. 1
Đặc trưng của kênh Fading ............................................................................... 2
1.1.1 Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian......................................... 2
1.1.1.1 Khái niệm đáp ứng xung của kênh truyền .............................. 2
1.1.1.2 Mơ hình q trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không
tương quan (WSSUS) ............................................................. 3
1.1.2 Kênh AWGN ................................................................................... 5
1.1.3 Truyền dẫn đa đường ........................................................................ 6
1.1.4 Trải phổ Doppler và sự phụ thuộc thời gian ..................................... 9
1.1.5 Sự phụ thuộc tần số và phụ thuộc thời gian của kênh .................... 16
1.1.6 Kênh phụ thuộc thời gian và phụ thuộc tần số ............................... 18
1.1.7 Nhiễu xuyên “ký hiệu” (ISI) và nhiễu xuyên kênh (ICI) ............... 20
Chương 2. ĐIỀU CHẾ PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
22
2.1. Khái niệm truyền dẫn đa sóng mang ...................................................... 22
2.2. Truyền dẫn đa sóng mang bằng OFFDM ............................................... 23
2.2.1. Tính trực giao của OFDM .............................................................. 23
2.2.2. Mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM ............................................. 25
2.2.2.1. Mơ tả tốn học hệ thống truyền dẫn OFDM ......................... 25
2.2.2.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM........................................ 27
2.3. Thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM ........... 32

2.3.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM ................................................................. 32


2.3.1.1. Các thông số trong miền thời gian ........................................ 33
2.3.1.2. Các thông số trong miền tần số ............................................. 34
2.3.1.3. Mối quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và
miền tần số ............................................................................ 34
2.3.2. Dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM ....................................... 35
2.4. Ảnh hưởng của kênh fading lên chất lượng của hệ thống truyền
dẫn OFDM, giải pháp khắc phục ............................................................ 36
2.4.1. Nhiễu ISI ......................................................................................... 36
2.4.1.1. Nguyên nhân và hậu quả ....................................................... 37
2.4.1.2. Giải pháp khắc phục.............................................................. 37
2.4.1.3. Tính hữu hiệu của khoảng thời gian bảo vệ.......................... 38
2.4.2. Nhiễu ICI ........................................................................................ 39
2.4.2.1. Nguyên nhân và hậu quả ....................................................... 39
2.4.2.2. Giải pháp khắc phục.............................................................. 40
2.4.3. Cải thiện chất lượng của hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp
mã hóa Gray ................................................................................... 41
2.4.4. Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống
truyền dẫn OFDM .......................................................................... 44
2.4.4.1. Phương pháp dùng bộ lọc thông dải ..................................... 44
2.4.4.2. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cos nâng ......................... 47
2.5. Ưu điểm và nhược điểm của của kỹ thuật OFDM .................................. 49
Chương 3. ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ KỸ THUẬT
TRẢI PHỔ ..................................................................................................... 51
3.1. Kỹ thuật trải phổ ..................................................................................... 51
3.1.1. Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)....... 53
3.1.1.1. Sơ đồ khối phía phát của DS-CDMA ................................... 56
3.1.1.2. Sơ đồ khối phía thu của DS-CDMA ..................................... 56

3.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của DS-CDMA ....................................... 57
3.2. Trải phổ đa sóng mang............................................................................ 58


3.2.1. Nguyên lý trải phổ đa sóng mang ................................................... 58
3.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của trải phổ đa sóng mang ...................... 59
3.3. CDMA đa sóng mang ............................................................................. 60
3.3.1. MC-CDMA ..................................................................................... 60
3.3.1.1. Cấu trúc tín hiệu .................................................................... 60
3.3.1.2. Tín hiệu đường xuống ........................................................... 61
3.3.1.3. Tín hiệu đường lên ................................................................ 63
3.3.1.4. Mã trải ................................................................................... 63
3.3.1.5. Tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) .............................. 66
3.3.1.6. Các kỹ thuật tách sóng .......................................................... 68
3.3.2. MC-DS-CDMA .............................................................................. 77
3.3.2.1. Cấu trúc tín hiệu .................................................................... 77
3.3.2.2. Tín hiệu đường xuống ........................................................... 79
3.3.2.3. Tín hiệu đường lên ................................................................ 79
3.3.2.4. Mã trải ................................................................................... 80
3.3.2.5. Các kỹ thuật tách sóng .......................................................... 80
Chương 4. MƠ HÌNH TRẢI PHỔ - ĐA SÓNG MANG - ĐA TRUY NHẬP (SS
- MC - MA) CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG THÔNG RỘNG ....... 82
4.1. Tổng quan về kênh vô tuyến băng siêu rộng .......................................... 82
4.1.1. Khái niệm về UWB ........................................................................ 82
4.1.2. Những ưu điểm của UWB .............................................................. 84
4.1.3. Những thách thức đối với UWB ..................................................... 86
4.1.4. Ứng dụng ........................................................................................ 87
4.2. Điều chế và tách sóng tín hiệu trong UWB ............................................ 88
4.2.1. Điều chế tín hiệu UWB dựa trên đơn sóng mang........................... 89
4.2.1.1. PPM nhảy thời gian (TH - PPM) .......................................... 89

4.2.1.2. Một số loại điều chế khác ..................................................... 91
4.2.1.3. Ước lượng kênh .................................................................... 93
4.2.1.4. Tách sóng tín hiệu ................................................................. 97


4.2.2. Điều chế tín hiệu dựa trên OFDM .................................................. 98
4.2.2.1. OFDM cơ bản cho UWB ...................................................... 99
4.2.2.2. Ước lượng kênh .................................................................. 100
4.2.2.3. Khử nhiễu ............................................................................ 101
4.3. Mơ hình kênh UWB .............................................................................. 102
4.4. Hệ thống MB - OFDM theo chuẩn MBOA .......................................... 107
4.4.1. Cấu trúc phần phát MBOA ........................................................... 109
4.4.1.1. Bộ trộn dữ liệu .................................................................... 109
4.4.1.2. Bộ mã hóa xoắn................................................................... 110
4.4.1.3. Bộ ghép xen ........................................................................ 112
4.4.1.4. Ánh xạ chịm sao sóng mang con (QPSK) ......................... 115
4.4.1.5. Điều chế OFDM .................................................................. 116
4.4.1.6. Trải miền thời gian .............................................................. 120
4.4.2. Mô phỏng hệ thống MB - OFDM theo chuẩn MBOA ................. 120
4.4.2.1. Các tham số mô tả hệ thống ................................................ 120
4.4.2.2. Kết quả thực hiện. Nhận xét đánh giá ................................. 122
4.5. Nghiên cứu đề xuất mơ hình trải phổ - đa sóng mang - đa truy nhập
(SS - MC - MA) cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng .................... 123
4.5.1. Nguyên lý SS - SC - MA .............................................................. 124
4.5.2. Ưu điểm của SS – MC - MA ........................................................ 125
4.5.3. Cấu trúc của SS - SC - MA......................................................... 126
KẾT LUẬN .................................................................................................. 129
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 130

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tần số Doppler ứng với các tốc độ khác nhau .................................. 7
Bảng 2.1: Mối quan hệ giữa các tham số OFDM ............................................ 35
Bảng 2.2: Mã hóa Gray các bit nhị phân ......................................................... 42
Bảng 2.3: Tham số khoảng bảo vệ RC theo IEEE 802.11a ............................. 48
Bảng 3.1: Ưu điểm và nhược điểm của MC-CDMA và MC-DS-CDMA ....... 60
Bảng 3.2: Giới hạn PAPR của tín hiệu đường lên MC-CDMA với Nc = L.... 67
Bảng 4.1: Các tham số chính 4 kênh của mơ hình kênh IEEE 802.15.3a ..... 106
Bảng 4.2: Các đặc tính của MBOA ............................................................... 108
Bảng 4.3: Các mã tần số thời gian ................................................................. 109
Bảng 4.4: Điều chế - Hệ số chuẩn hóa KMOD ............................................ 116
Bảng 4.5: Bảng mã hóa QPSK ....................................................................... 116
Bảng 4.6: Các tham số mô phỏng hệ thống MB-OFDM theo chuẩn
MBOA.......................................................................................... 121
Bảng 4.7: Các tham số hệ thống SS-MC-MA ............................................... 128


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACF
AWGN
BER
BPSK
BTS
CDMA
CIR
CSI
DAB
DC
DEV
DFT

DS
DSSS
DVB
FCC
FD
FEC
FEM
FFC
FFT
FIR
GI
GPS
ICI
IDFT
IF
IFFT
IR
IS
ISI
LOS

Hàm tự tương quan
Tạp âm Gaussian trắng cộng
Tỉ lệ lỗi bít
Khóa dịch pha nhị phân
Trạm thu phát gốc
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Channel Impulse Response
Đáp ứng xung của kênh

truyền
Channel State Indentify
Nhận dạng trạng thái kênh
Digital Audio Broadcasting
Truyền thanh số quảng bá
Direct Current
Dòng 1 chiều
Device
Thiết bị
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp
Direct Sequence Spread Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Digital Video Broadcasting
Truyền hình số quảng bá
Federal
Communications Ủy ban truyền thơng liên
Commission, USA
bang của Mỹ
Frequency Domain
Miền tần số
Forward Error Correction
Sửa lỗi hướng đi
Finite Element Method
Phương pháp phần tử hữu
hạn
Federal
Communication Ủy ban truyền thông liên

Commission
bang của Mỹ
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
Finite Impulse Response
Đáp ứng xung hữu hạn
Guard Index
Chỉ số bảo vệ
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
Inter-Channel Interference
Nhiễu xuyên kênh
Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược rời rạc
Intermediate Frequency
Tần số trung gian
Inverse Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh ngược
Impulse Radio
Xung vô tuyến
Interference Suppression
Khử nhiễu
Inter-Symbol Interference
Nhiễu xuyên ký tự
Line Of Sight
Tầm nhìn thẳng
Autocorrelation Function
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Base Tranceiver Station

Code Division Multiple Access


MA
MAC
MBOA
MB-OFDM
MC
MCM
MLSE
MRC
MSE
NBI
NLOS
OCDM
OFDM
OOK
PAM
PAN
PDF
PG
PHY
PN
PPM
PSD
PSM
QAM
QoS
QPSK
RF

RMS
RX
SNR
SS
SV

Đa truy nhập
Điều khiển truy nhập đường
truyền
Multi Band OFDM Alliance
Liên minh OFDM đa băng
Multi Band OFDM
OFDM đa đa băng
Multiple Carrier
Đa sóng mang
Multi Carrier Modulation
Điều chế đa sóng mang
Maximum Likehood Sequence Ước lượng chuỗi giống nhất
Estimation
Maximum Ratio Combining
Kết hợp tỉ số tối đa
Mean-Square-Error
Tỉ số lỗi trung bình bình
phương
Narrow Bandwith Interference
Nhiễu băng hẹp
Non Line Of Sight
Tầm nhìn khơng thẳng
Orthogonal
Code

Division Ghép kênh phân chia theo mã
Multiplexing
trực giao
Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần
Multiplexing
số trực giao
On Off Keying
Khóa đóng mở
Pulse Amlitude Modulation
Điều chế biên độ xung
Personal Area Network
Mạng riêng cá nhân
Power Density Function
Hàm mật độ công suất
Processing Gain
Độ lợi xử lý
Physical layer
Lớp vật lý
Pseudo-random Noise
Tạp âm giả ngẫu nhiên
Pulse Position Modulation
Điều chế vị trí xung
Power Spectrum Density
Mật độ phổ cơng suất
Pulse Shape Modulation
Điều chế dạng xung
Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
Root Mean Square
Căn quân phương
Receiver
Thiết bị thu
Signal - Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Spread Spectrum
Trải phổ
Saleh-Valenzuela Channel Model
Mơ hình kênh SalehValenzuela
Multiple Access
Medium Access Control


Miền thời gian
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Mã tần số thời gian
Nhảy thời gian
Băng thông siêu rộng
Mạng cục bộ không dây

TD
TDMA

Time Domain
Time Division Multiple Access

TFC
TH
UWB
WLAN

Time Frequency Codes
Time-Hopping
UltraWide Bandwith
Wireless Lan Area Networks

WPAN
WSSUS

Wireless Personal Area Networks
Mạng cá nhân không dây
Wide
Sense
Stationary Hệ thống phi tương quan
Uncorrelation System
dừng theo nghĩa rộng


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống truyền tin .................................................... 1
Hình 1.2: Các tuyến truyền dẫn trong kênh vơ tuyến ........................................ 2
Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler khi máy thu dịch chuyển...................................... 7
Hình 1.4: Sự phụ thuộc thời gian của biên độ fading cho tần số Doppler tối
đa 50Hz ............................................................................................ 8
Hình 1.5: Phụ thuộc thời gian của kênh 2 đường ............................................ 11

Hình 1.6: Phổ Doppler (a) Rời rạc; (b) Liên tục ............................................ 13
Hình 1.7: Phổ Doppler Jakes theo phân bố cơng suất đẳng hướng ................. 13
Hình 1.8: Phổ công suất trễ: (a) Rời rạc; (b) Liên tục .................................... 17
Hình 2.1: Điều chế đa sóng mang với Nc = 4 kênh con .................................. 22
Hình 2.2: Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số ..................... 24
Hình 2.3: Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần
của OFDM so với FDM ................................................................. 25
Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM cơ bản ....................................... 28
Hình 2.5: Tín hiệu 16-QAM phát sử dụng mã hóa Gray, và tín hiệu 16-QAM
truyền qua kênh AWGN, SNR = 18dB ......................................... 29
Hình 2.6: Tầng IFFT tạo tín hiệu OFDM ........................................................ 29
Hình 2.7: Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ
thuật tương tự ................................................................................. 30
Hình 2.8: Điều chế tín hiệu OFDM băng tần sơ sở phức sử dụng kỹ thuật số .......31
Hình 2.9: Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff là tần số dịch
từ DC, fc là tần số trung tầm (tần số sóng mang) .......................... 31
Hình 2.10: Cấu trúc tín hiệu OFDM ................................................................ 32
Hình 2.11: Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM................ 37
Hình 2.12: Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI .................................... 39
Hình 2.13: Biểu đồ I-Q cho tín hiệu 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hóa Gray ... 43
Hình 2.14: Biểu đồ I-Q cho tín hiệu 64-PSK và 128-PSK .............................. 43
Hình 2.15: Biểu đồ I-Q cho tín hiệu 64-QAM và 1024-QAM ........................ 43
Hình 2.16: Đặc tuyến biên độ và tần số bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser ................ 45


Hình 2.17: Hình dạng cửa sổ Keiser ................................................................ 46
Hình 2.18: Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang con (a) và 20 sóng mang con
(b), khơng dùng bộ lọc ................................................................... 46
Hình 2.19: Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang con dùng bộ lọc thơng dải với
hàm cửa sổ Kaiser .......................................................................... 47

Hình 2.20: Cấu trúc khoảng bảo vệ RC ........................................................... 47
Hình 2.21: Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một
khoảng bảo vệ RC chống lấn ......................................................... 48
Hình 2.22: Nâng cao truyền đa đường trong OFDM ....................................... 50
Hình 3.1: Mật độ phổ công suất sau khi trải chuỗi trực tiếp ........................... 51
Hình 3.2: Nguyên lý của DS-CDMA............................................................... 52
Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát phổ trải trực tiếp ............................................ 56
Hình 3.4: Sơ đồ khối máy thu Rake DS-CDMA ............................................. 57
Hình 3.5: Tạo tín hiệu MC-CDMA cho một User ........................................... 59
Hình 3.6: Tạo tín hiệu MC-DS-CDMA cho một User .................................... 59
Hình 3.7: Tạo tín hiệu trải phổ đa sóng mang ................................................. 61
Hình 3.8: Đường xuống MC-CDMA............................................................... 62
Hình 3.9: Thanh ghi dịch để tạo dãy PN.......................................................... 65
Hình 3.10: Sơ đồ bộ tách sóng SD cho MC-CDMA ....................................... 69
Hình 3.11: Sơ đồ khối loại trừ nhiễu cứng ...................................................... 74
Hình 3.12: Sơ đồ khối loại trừ nhiễu mềm ...................................................... 74
Hình 3.13: Sơ đồ phía phát MC-DS-CDMA ................................................... 78
Hình 3.14: Bộ tách sóng tương quan MC-DS-CDMA (Bộ tách sóng SD với
Nc bộ tương quan) ......................................................................... 81
Hình 4.1: So sánh băng thơng của hệ thống UWB và hệ thống băng hẹp (NB) ... 82
Hình 4.2: Mặt nạ phổ công suất trong nhà theo FFC....................................... 83
Hình 4.3: Tín hiệu UWB tồn tại với tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng rộng..... 84
Hình 4.4: Cấu trúc máy thu tương đương (Rake + Bộ cân bằng) cho ước
lượng kênh và tách sóng tín hiệu ................................................... 95
Hình 4.5: Phân bổ băng tần cho hệ thống MBOA ......................................... 107
Hình 4.6: Multiband OFDM .......................................................................... 108


Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc hệ thống MB-OFDM theo chuẩn MBOA và hệ
thống SS-MC-MA (đường gạch đỏ) ........................................... 109

Hình 4.8: Bộ trộn dữ liệu ............................................................................... 109
Hình 4.9: Bộ mã hóa xoắn; tốc độ R = 1/3, chiều dài giới hạn K = 7 ........... 110
Hình 4.10: Thủ tục trộm bit “bit-stealing” và chèn bit “bit-insertion” (R =
11/32) ..................................................................................... 111
Hình 4.11: Thủ tục trộm bit và chèn bit với R = 1/2 ..................................... 111
Hình 4.12: Thủ tục trộm bit và chèn bit với R = 5/8 ..................................... 112
Hình 4.13: Thủ tục trộm bit và chèn bit với R = 3/4 ..................................... 112
Hình 4.14: Bộ ghép xen ................................................................................. 113
Hình 4.15: Ghép xen 3 giai đoạn tại tốc độ dữ liệu 53Mbps ........................ 115
Hình 4.16: Mã hóa bit chịm sao QPSK......................................................... 116
Hình 4.17: Cấu trúc một ký hiệu OFDM ....................................................... 116
Hình 4.18: Đầu vào và đầu ra của IFFT ........................................................ 117
Hình 4.19: Phân bổ tần số sóng mang con ..................................................... 118
Hình 4.20: Tạo sóng mang con bảo vệ dựa trên các sóng mang con tại mỗi
biên của ký hiệu OFDM............................................................... 120
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng hệ thống MB-OFDM theo chuẩn MBOA (a)
kênh AWGN; (b) kênh CM1; (c) kênh CM4 ............................... 122
Hình 4.23: Phân bố dữ liệu của các user khác nhau trong các hệ thống MCCDMA và SS - MC - MA ............................................................ 125


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống truyền thông không dây phát
triển không ngừng và sự phát triển này sẽ còn tiếp tục trong những năm tháng tiếp
theo. Nhu cầu về các dịch vụ và các ứng dụng không dây không ngừng gia tăng.
Các hệ thống không dây địi hỏi phải có đủ khả năng đáp ứng và thích ứng với
nhiều tốc độ dữ liệu (cao, trung bình, thấp) và nhiều ứng dụng khác nhau (đa
phương tiện, hình ảnh, định vị,….). Tuy nhiên, các vấn đề đó đang phải đối mặt
với những hạn chế về tài nguyên và phổ tần vơ tuyến. Ngày càng có nhiều thiết
bị chuyển sang sử dụng không dây, nhiều chuẩn vô tuyến được định nghĩa. Do
vậy, các hệ thống đang phải đối mặt với tình trạng phổ tần dày đặc, sự cùng tồn

tại nhiều thiết bị với nhiều chuẩn vô tuyến khác nhau trên cùng một dải tần số vô
tuyến.
Trước những nhu cầu và thách thức đó, cơng nghệ vơ tuyến băng thơng
siêu rộng (UWB) đã ra đời. Tổ chức truyền thông liên bang của Mỹ (FCC) đã
khuyến nghị sử dụng phổ tần chưa cấp phép (từ 3.1GHz - 10.6GHz) cho các hệ
thống UWB. Với phổ tần rất rộng (7.5GHz), UWB hỗ trợ nhiều giải pháp thích
hợp và hồn hảo cho các ứng dụng vô tuyến đang rất phát triển như: mạng cá
nhân không dây, mạng cảm biến vô tuyến, radar UWB, ứng dụng trong các lĩnh
vực quân sự, dân sự, cứu hộ,…
Đối với các hệ thống mạng cá nhân không dây (WPAN) phân bổ tài
nguyên giữa những người sử dụng khác nhau trong một mạng con (piconet) và
một vài piconet là một điểm đặc biệt quan trọng dẫn đến lý do cho việc tối ưu hóa
các hệ thống UWB tốc độ cao. Để cải thiện chất lượng của giải pháp OFDM đa
băng (MB-OFDM) theo đề xuất của liên minh OFDM đa băng (MBOA), thêm
thành phần trải phổ trong miền tần số là giải pháp hữu hiệu để quản lý việc phân
bổ tài nguyên tăng khả năng loại trừ kênh chọn lọc tần số và loại trừ nhiễu băng
hẹp. Hệ thống trải phổ - đa truy nhập - đa sóng mang (SS - MC - MA) đưa ra


trong luận văn này không chỉ mang những ưu điểm của đa truy nhập phân chia
theo mã đa sóng mang (MC - CDMA) do trải tần số mà còn phân bổ tài nguyên
động hiệu quả hơn rất nhiều trong môi trường nhiều người sử dụng và nhiều
piconet.
Trên cơ sở đó, tôi đã quyết định chọn luận văn thạc sĩ khoa học với đề tài:
“Nghiên cứu đề xuất mơ hình trải phổ - đa sóng mang - đa truy nhập (SS - MC MA) cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng” dưới sự hướng dẫn của TS. Đào
Ngọc Chiến. Luận văn này sẽ trình bày cơ bản về OFDM đa băng dựa trên đề
xuất lớp vật lý của liên minh WiMedia cho truyền thông phạm vi hẹp, tốc độ dữ
liệu cao UWB, giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống, quản lý việc chia sẻ
tài nguyên giữa những người sử dụng khác nhau. Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Lý thuyết về kênh vô tuyến

Chương 2: Điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Chương 3: Đa truy nhập phân chia theo mã và kỹ thuật trải phổ
Chương 4: Mơ hình trải phổ - đa sóng mang - đa truy nhập (SS - MC - MA)
cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng.


1
Chương 1. LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN
1.1. Khái niệm về kênh fading
Để có những khái niệm về kênh fading, xét mơ hình chức năng của hệ
thống thơng tin vơ tuyến điển hình.
Nguồn tin

Mã hóa
nguồn

Mã hóa
kênh

Đa truy
nhập

Điều chế

Máy phát

x(t)
Nguồn tin

y(t)

Nhận tin

Giải mã
nguồn

Giải mã
kênh

Đa truy
nhập

Giải điều
chế

Máy thu

Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống truyền tin
Trong đó, kênh truyền là phương tiện truyền dẫn tín hiệu mang tin từ
bên phát sang bên thu. Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền sẽ là
mơi trường khơng khí do đó sẽ gọi là kênh vơ tuyến. Việc truyền dẫn sóng vơ
tuyến thông qua kênh vô tuyến là môt hiện tượng phức tạp, được đặc trưng
bởi nhiều hiệu ứng khác nhau như: hiệu ứng đa đường, che khuất. Mặt khác,
trong môi trường giữa bên phát và bên thu còn xuất hiện nhiều vật phản xạ và
tán xạ.
Các nguyên nhân đó tạo ra nhiều tuyến truyền dẫn mà tín hiệu được
truyền có thể đi qua bên cạnh tuyến nhìn thẳng (LOS - Line Of Sight). Tại
phía thu, bên thu sẽ nhận được một sự xếp chồng của các bản sao của tín hiệu
được truyền, mỗi bản sao đó sẽ đi qua những tuyến khác nhau, chúng sẽ có độ
suy hao về biên độ, độ trễ về thời gian và độ dịch pha khác nhau. Khi đó,
cơng suất tín hiệu tại phía thu hoặc được khuếch đại hoặc bị suy hao. Hiện

2
tượng mà tín hiệu sóng mang được điều chế bị méo do tác động của môi
trường truyền dẫn (kênh truyền) đó được gọi là fading và kênh fading sẽ là
kênh truyền thơng mà chịu ảnh hưởng của hiện tượng fading.

Hình 1.2: Các tuyến truyền dẫn trong kênh vô tuyến
1.2. Đặc trưng của kênh Fading
1.2.1. Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian
1.2.1.1. Khái niệm đáp ứng xung của kênh truyền
Đáp ứng xung của kênh truyền là một dãy xung thu được ở máy thu
khi máy phát phát đi một xung cực ngắn được gọi là xung Dirac. Trong đó,
một xung được gọi là xung Dirac nếu thỏa mãn biểu thức sau:
δ (t ) ≡ 0 khi t ≠ 0
+ ∞

 ∫ δ (t )dt = 1
−∞

(1.1)

với kênh không phụ thuộc thời gian thì đáp ứng xung của kênh sẽ là:
N

h(τ ) = ∑ ak δ (τ − τ k )
k =1

(1.2)

trong đó ak là hệ số suy hao, τ k là trễ truyền dẫn của tuyến thứ k và N là số
tuyến truyền dẫn.


3
1.2.1.2. Mơ hình q trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ khơng
tương quan (WSSUS)
Xét một hệ thống tuyến tính, đầu ra r (t ) ứng với đầu vào s(t ) của hệ
thống này được biểu diễn bởi biểu thức:
∞

r (t ) =

∫ k (t,t' )s(t )dt'

−∞

(1.3)

với k (t,t' ) được gọi là đặc trưng đầy đủ (integral kernel) của hệ thống. Điều
này có nghĩa rằng đầu ra của hệ thống ở thời điểm t là sự xếp chồng liên tục
của các tín hiệu vào tại các thời điểm t' nhân với trọng số k (t,t' ) . Lưu ý,
trường hợp đặc trưng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào độ sai lệch t − t' tức là
~
k (t − t' ) = k (t − t' ) , khi đó hệ thống là bất biến. Thay biến lấy tích phân bằng
τ = t − t' là độ trễ giữa thời điểm vào t' và thời điểm ra t , do vậy (1.3) trở

thành:
∞

r (t ) = ∫ k (t,t − τ )s (t − τ )dτ

(1.4)

−∞

và định nghĩa đáp ứng xung phụ thuộc thời gian:
h(τ,t ) = k (t,t − τ )

do đó nhận được tín hiệu ra r (t ) :
r (t ) =

(1.5)

∞

∫ h(τ,t )s(t − τ )dτ

−∞

(1.6)

và hàm truyền đạt của hệ thống là biến đổi Fourier của thành phần trễ thời
gian τ của đáp ứng xung:

∞

H ( f,t ) = ∫ e − j2πfτ h(τ,t )dτ

(1.7)

−∞

khi đó tín hiệu nhận được r (t ) có thể được viết thành:
∞

r (t ) = ∫ e j2πfτ H ( f,t )S ( f )dτ
−∞

(1.8)

trong đó S ( f ) là biến đổi Fourier của tín hiệu vào s(t ) và H ( f,t ) là hàm truyền


4
đạt phụ thuộc thời gian của kênh truyền.
Giả sử rằng H ( f,t ) là một quá trình ngẫu nhiên 2 chiều có trị trung
bình bằng 0. Đồng thời, cũng coi hàm tự tương quan 2 chiều của H ( f,t ) là bất
biến theo thời gian và tần số:

} {

{

}

E H ( f 1 + f, t1 + t )H ∗ ( f 1 , t1 ) = E H ( f 2 + f, t 2 + t )H ∗ ( f 2 , t 2 )

(1.9)

Khi đó quá trình này sẽ được gọi là quá trình dừng theo nghĩa rộng
tán xạ không tương quan (WSSUS). Hàm tự tương quan của quá trình ngẫu
nhiên 2 chiều được định nghĩa bởi:

{

}

R( f, t ) = E H ( f 1 + f, t1 + t )H ∗ ( f 1 , t1 )

(1.10)

và liên hệ với hàm tán xạ thông qua biểu thức:
S H (τ ) =

∞

∞

−∞

−∞

∫ df ∫ dte

j2 πfτ

e − j2πνt R( f,t )

(1.11)

do H ( f,t ) là quá trình ở băng gốc dạng phức của q trình WSSUS, nên ta có:
E{H ( f 1 + f, t1 + t )H ( f 1 , t1 )} = 0

Ta có biến đổi Fourier 2 chiều của hàm truyền đạt phụ thuộc thời gian là:
G (τ, ν ) =

∞

∞

−∞

−∞

∞

∞

−∞

−∞

∫ df ∫ dte

j2 πfτ

e − j2πνt H ( f,t )

(1.12)

và biến đổi Fourier ngược:
H ( f,t ) = ∫ dτ ∫ dνν − j2πfτ e − j2πνt G (τ, ν )

(1.13)

Sự bất biến theo tần số được gọi là tán xạ khơng tương quan với lí do sau
đây :
Điều kiện (1.9) sẽ tương đương với điều kiện sau :

{

}

E G (τ 1 , ν1 )G ∗ (τ 2 , ν2 ) = δ (τ 1 − τ 2 )δ (ν1 − ν2 )S (τ 1 , ν2 )

với S (τ,ν ) được định nghĩa bởi (1.10) và (1.11).
Từ đó ta rút ra một số nhận xét:

(1.14)


5
- Đây là sự tổng qt hóa một thuộc tính của hệ thống WSSUS cho
không gian 2 chiều: Biến đổi Fourier X ( f ) của quá trình WSSUS x(t ) có đặc
điểm là các giá trị X ( f1 ) và X ( f 2 ) ứng với các tần số khác nhau f 1 và f 2 là
không tương quan. Từ điều kiện trên ta thấy G (τ,ν ) ứng với các tần số Doppler
khác nhau và độ trễ khác nhau là không tương quan.
- Trong hệ thống thực tế, tán xạ không tương quan sẽ không kéo dài
lâu do các bộ lọc của phía thu sẽ tạo ra sự tương quan chéo giữa các độ trễ τ 1

và τ 2 .
1.2.2. Kênh AWGN
Trong thực tế truyền dẫn, việc truyền dẫn luôn bị ảnh hưởng của tạp
âm. Mô hình tốn học hay sử dụng trong trường hợp kênh truyền có tạp âm
đó là kênh nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN). Mơ hình này được đánh giá
rất tốt cho việc triển khai vật lý với điều kiện tạp âm nhiệt tại phía thu chỉ là
những nguồn nhiễu. Dù sao, do sự đơn giản của mơ hình này mà nó đã được
sử dụng thường xun để mơ hình hóa tạp âm nhân tạo hoặc nhiễu đa người
sử dụng. Mơ hình kênh AWGN được đặc trưng bởi những đặc điểm sau:
- Tạp âm ω(t ) là nhiễu cộng ngẫu nhiên của tín hiệu hữu ích s(t ) , do
đó tín hiệu thu được sẽ là: r (t ) = s(t ) + ω(t ) .
- Tạp âm “trắng”: có mật độ phổ công suất (PSD) không đổi. Mật độ
phổ công suất một phía thường được ký hiệu bằng N0 , và N0 /2 là PSD 2 phía
và BN0 là nhiễu trong băng thông B. Với tạp âm điện trở nhiệt N0 = kT0 trong
đó

k

là hằng số Boltzman và T0 là nhiệt độ tuyệt đối. Đơn vị của N0 là [W/Hz ],

giống như đơn vị [J ] của năng lượng. Thông thường, N0 được cho dưới dạng
dBm/Hz.
- Tạp âm là một quá trình ngẫu nhiên Gaussian trung bình bằng 0, ổn
định. Điều này có nghĩa rằng đầu ra của mọi tính tốn tạp âm tuyến tính là


6
biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình bằng 0 và khơng phục thuộc vào thời
điểm thực hiện.
Mơ hình AWGN chỉ là mơ hình tốn học bởi nó cho rằng cơng suất

tổng là không giới hạn. Do vậy, một mẫu thời gian của của tạp âm trắng có
cơng suất trung bình vơ hạn, điều này không thực tế. Theo vật lý thống kê,
mật độ tạp âm nhiệt sẽ giảm theo hàm mũ ở tần số cao. Nhưng để có thể hiểu
được trạng thái vật lý trong kỹ thuật truyền thông, ta sẽ coi tất cả các máy thu
đều có giới hạn băng thơng cũng như tính tốn tạp âm vật lý. Như vậy sẽ có ý
nghĩa hơn khi coi q trình tạp âm là trắng nhưng không thể lấy mẫu một
cách trực tiếp nếu khơng có 1 thiết bị đầu vào. Mỗi thiết bị đầu vào sẽ lọc tạp
âm và cho ta một công suất hữu hạn.
1.2.3. Truyền dẫn đa đường
Việc thu nhận tín hiệu vơ tuyến di động ln bị ảnh hưởng rất mạnh
của sự truyền dẫn đa đường, sóng điện từ bị phân tán, bị phản xạ, bị tán xạ và
tới anten thu bằng nhiều đường khác nhau như là một sự xếp chồng khơng ổn
định (incoherent) của nhiều tín hiệu. Điều này sẽ dẫn đến một kiểu nhiễu,
nhiễu này phụ thuộc vào tần số, vị trí (đối với máy thu di động) và thời gian.
Máy thu di động di chuyển qua một mẫu nhiễu, mẫu nhiễu này có thể thay đổi
trong khoảng miligiây và mẫu nhiễu này sẽ biến đổi trên dải thơng truyền dẫn.
Khi đó ta có thể đặc tính hóa kênh vơ tuyến di động bởi sự phụ thuộc thời
gian và sự phụ thuộc tần số.
Sự phụ thuộc thời gian được xác định bởi tốc độ tương đối v giữa máy
thu và máy phát và độ dài bước sóng λ = c/f0 , với f 0 là tần số phát và c là tốc
độ ánh sáng trong chân không c = 3.10 8 (m/s). Đại lượng vật lý liên quan là độ
dịch tần số Doppler lớn nhất được cho bởi:
ν max =

f
ν
1
ν
f0 ≈
Hz

c
1080 MHz km/h

(1.15)


7
Bảng 1.1 sẽ đưa ra các con số của νmax cho các tốc độ từ thấp (của người đi
bộ: 2.4 (km/h) đến tốc độ cao của tàu hỏa và ôtô: 192 (km/h))
Bảng 1.1: Tần số Doppler ứng với các tốc độ khác nhau
Tần số vô tuyến

Tần số Doppler cho các tốc độ
2.4 km/h

48 km/h

120 km/h

192 km/h

f0=225Mhz

0.5Hz

10Hz

25Hz

40Hz

f0=900Mhz

2.0Hz

40Hz

100Hz

160Hz

f0=2025Mhz

4.5Hz

90Hz

225Hz

360Hz

với α là góc giữa hướng của sóng tới và hướng dịch chuyển của máy thu, ta
sẽ có độ dịch Doppler là:
ν = ν max cos α

(1.16)

Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler khi máy thu dịch chuyển
Xét 1 sóng mang được truyền đi tại tần số f 0 . Trong trường hợp điển
hình, tín hiệu thu được sẽ là sự xếp chồng của nhiều tín hiệu bị tán xạ và phản

xạ từ nhiều hướng dẫn đến xuất hiện vùng nhiễu không gian. Với 1 xe tải di
chuyển qua vùng nhiễu này, biên độ tín hiệu thu được sẽ bị thăng giáng theo
thời gian, hiện tượng đó được gọi là fading. Trong miền tần số, ta sẽ thấy 1 sự
xếp chồng của các dịch chuyển Doppler tương ứng với các hướng khác nhau
và sẽ có phổ Doppler thay thế cho đường thẳng phổ sắc nét tại vị trí f 0 .
Hình 1.4 mơ tả sự thăng giáng biên độ tín hiệu thời gian với νmax= 50
(Hz), tương ứng với tín hiệu được truyền đi tại tần số 900Hz với tốc độ máy


8
thu (trên xe) là 60 (km/h), đồng thời ở đây biên độ được giảm tới -50dB. Nếu
xe đứng yên tại vị trí tương ứng với độ giảm sâu nhất này, sẽ khơng thu được
tín hiệu. Nếu xe di chuyển với tốc độ tương ứng với 1/2 bước sóng, nó sẽ
thốt ra được độ giảm sâu này.
10

Møc tÝn hiÖu (dB)

0

-10

-20

-30

-40

-50

-60

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Thêi gian (s)

Hình 1.4: Sự phụ thuộc thời gian của biên độ fading cho tần số Doppler tối
đa 50Hz
Tần số đặc trưng của sự biến đổi tỉ lệ của νmax tương ứng với độ lớn
thời gian của biến đổi được cho bởi biểu thức:

−1
tcorr = νmax

(1.17)

và chúng ta gọi là thời gian tương quan. Truyền dẫn số với khoảng thời gian
ký hiệu Ts chỉ là có thể nếu kênh duy trì gần như khơng đổi trong suốt khoảng
thời gian đó, như vậy yêu cầu Ts << tcorr , tức là:
Ts νmax << 1

(1.18)

Sự phụ thuộc tần số của kênh được xác định bởi các khoảng thời gian
trễ khác nhau của tín hiệu. Chúng được tính là tỉ số giữa khoảng cách lan
truyền và tốc độ ánh sáng. Độ sai khác thời gian trễ 1(µs) tương ứng với sai
khác về khoảng cách là 300m. Với vô tuyến di động sự sai khác này cỡ
khoảng vài microgiây. Trong miền thời gian, nhiễu ISI (xuyên ký tự) làm
nhiễu sự truyền dẫn nếu thời gian trễ không nhỏ hơn nhiều khoảng thời gian


9
“ký hiệu” Ts . Với tốc độ dữ liệu 200 (kbps) sẽ cho ta Ts = 10 (µs) ứng với điều
chế QPSK. Có nghĩa rằng truyền dẫn số với tốc độ dữ liệu này sẽ không thể
thực hiện được nếu không sử dụng các phương pháp điều chế phức tạp hơn ví
dụ như các bộ lượng tử, kỹ thuật trải phổ hoặc điều chế đa sóng mang. Ta
định nghĩa tần số tương quan:
−1
f corr = Δτ max

(1.19)

trong đó τ là căn bậc 2 của phân bố công trong của độ vọng và chúng ta gọi là
trải trễ f corr thường được gọi là độ ổn định băng thông (coherence bandwith)
bởi vì kênh có thể khơng phụ thuộc tần số trong khoảng độ rộng băng B với
B << f corr . Nếu B tỉ lệ với Ts−1 , và trong trường hợp tín hiệu có thành phần cơ

bản Nyquist, ta sẽ có điều kiện tương đương:
Δτ << Ts

(1.20)

Khi đó ISI có thể bị loại bỏ.
1.2.4. Trải phổ Doppler và sự phụ thuộc thời gian
Xét một sóng mang đã điều chế:

{

~
s (t ) = 2ℜ s (t )e j2πf0t

}

(1.21)

tại tần số sóng mang f 0 được điều chế bởi tín hiệu cơ bản phức s(t ) . Với máy
thu di chuyển với tốc độ ν , sóng mang tới với góc tới α tương ứng với hướng
di chuyển, tần số sóng mang sẽ bị dịch bởi tần số Doppler cho bởi biểu thức
(1.16).
Sự dịch chuyển Doppler tương tự sẽ xảy ra cho 1 máy thu cố định và
máy phát di chuyển với tốc độ ν . Bởi vì với góc tới α từ phía bên trái cũng

gây ra sự dịch chuyển Doppler tương tự với góc α từ phía bên phải. Trong cả
2 trường hợp này, với góc α biến đổi từ 0 đến π , tín hiệu thu đã dịch Doppler
là:

{

~
r (t ) = 2ℜ ae jθ e j2πνt s (t )e j2πf0t

}

(1.22)