Cải thiện chất lượng kênh truyền không dây thay đổi theo thời gian bằng kỹ thuật thích nghi không thời gian

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

CHÂU MINH ĐỨC

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN KHÔNG
DÂY THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN BẰNG KỸ THUẬT
THÍCH NGHI KHƠNG GIAN-THỜI GIAN
Chuyên ngành : KÝ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số ngành: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2007


ii

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: ThS. TRẦN VĂN SƯ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 21 tháng 7 năm 2007.


iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . .

..

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

CHÂU MINH ĐỨC

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh :

31/08/1982

Nơi sinh : TRÀ VINH

Chuyên ngành :

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI:

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN KHÔNG DÂY THAY ĐỔI
THEO THỜI GIAN BẰNG KỸ THUẬT THÍCH NGHI KHƠNG GIANTHỜI GIAN

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ KẾT HỢP HỆ THỐNG THÍCH NGHI KHƠNG GIAN
VÀ THỜI GIAN (ADAPTIVE BEAMFORMER VÀ ADAPTIVE EQUALIZER)
XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN ĐỐI
VỚI HỆ THỐNG KẾT HỢP THÍCH NGHI KHƠNG GIAN VÀ THỜI GIAN
MƠ PHỎNG HỆ THỐNG KẾT HỢP TRONG MƠI TRƯỜNG CĨ NHIỄU
GAUSS VÀ FADING
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

05/02/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/07/2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

iv

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn TS. ĐỖ HỒNG TUẤN, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận
tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Trong suốt thời gian làm việc với thầy, thầy đã hết sức thân thiện, nhiệt tình chỉ dạy tạo
co chúng em một cảm giác gần gũi. Đó là một thuận lợi rất quan trọng để em có thêm
tự tin hồn thành tốt đề tài tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện-Điện
tử Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM đã tận tình giảng dạy, cung cấp kiến thức
trong suốt thời gian em học ở trường. Đó là nền tảng cơ bản để em thực hiện luận văn
tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè giúp đỡ, động viên em trong
suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 07 năm 2007
Châu Minh Đức


v

ABSTRACT
In mobile communication systems, capacity and performance are usually limited by
two major impairments. They are multipath fading, which causes inter-symbol
interference (ISI), and interference. ISI can be cancelled by equalizers and
beamformers (smart antennas) can be used to reduce the effects of the interference.
However, in time-varying channel, the effects of ISI and interference become more
complex, and traditional equalization and smart antenna techniques may not deal with.
In this thesis, we investigate alogrithms in which the weights of the equalizers and
beamformers can be updated with time varying in time-varying channels. After
successfully building an adaptive equalizer and an adaptive beamformer, we will

associate both of them so that both ISI and interference can be cancelled in timevarying channels.

TĨM TẮT NỘI DUNG
Trong những hệ thống thơng tin di động, dung lượng và hiệu suất thường bị giới hạn
bởi hai sự hư hại chính: fading đa đường gây ra nhiễu liên ký tự (ISI) và can nhiễu.
Nhiễu liên ký tự thì có thể triệt bởi bộ cân bằng, cịn bộ tạo búp sóng (anten thơng
minh) có thể làm giảm sự ảnh hưởng của can nhiễu. Tuy nhiên trong điều kiện kênh
truyền thay đổi theo thời gian thì ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự và can nhiễu phức tạp
hơn nhiều, và kỹ thuật của bộ cân bằng và anten thơng minh truyền thống có thể khơng
giải quyết được. Trong luận văn này chúng tôi xây dựng các giải thuật mà các trọng số
của bộ cân bằng và bộ tạo búp sóng có thể tự động cập nhật theo thời gian theo sự thay
đổi của kênh truyền. Sau khi thành cơng trong việc xây dựng bộ cân bằng thích nghi và
bộ tạo búp sóng thích nghi (anten thơng minh) để triệt nhiễu ký tự và can nhiễu trong
kênh truyền thay đổi theo thời gian, ta sẽ kết hợp hai bộ trên để đồng thời nhiễu liên ký
tự và can nhiễu bị triệt trong kênh truyền thay đổi theo thời gian.

TÓM TẮT NỘI DUNG


vi

GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN
1. Giới thiệu về môi trường truyền không dây
Trong hệ thống thông tin di động, chất lượng hệ thống thường bị giới hạn bởi hai tác
nhân chính: nhiễu liên ký tự (ISI) và can nhiễu (interference).
a. Nhiễu liên ký tự xuất hiện do nhiều nguyên nhân, nhưng quan trọng nhất vẫn là do
hiện tượng đa đường, do sự khơng tuyến tính của đặc tuyến bộ lọc môi trường và kênh
truyền thay đổi theo thời gian (time-varying channel).
• Đa đường xuất hiện khi tín hiệu đến chịu sự phản xạ từ các vật cản khác nhau trong
môi trường truyền sóng, do đó có nhiều tín hiệu đến từ các hướng khác nhau ở các

thời điểm khác nhau, các tín hiệu này sẽ chồng lấn lên các tín hiệu khác tạo nên
nhiễu liên ký tự.
• Nhiễu liên ký tự cịn có thể xuất hiện do mơi trường truyền có thể xem như là một
bộ lọc có đặc tuyến khơng tuyến tính, nên tín hiệu khi truyền qua kênh truyền xem
như đang truyền qua một bộ lọc, làm cho tín hiệu sẽ bị méo dạng, chồng lấn lên các
tín hiệu khác tạo nên nhiễu liên ký tự.
• Do kênh truyền thay đổi theo thời gian cũng là nguyên nhân gây nên nhiễu liên ký
tự, vì các tín hiệu khi truyền qua kênh truyền có thể bị tác động bởi hai điều kiện
môi trường khác nhau, tạo nên các độ trễ, tán xạ… khác nhau, nên khi đến phía thu
các tín hiệu này chồng lấn lên nhau, tạo nên nhiễu liên ký tự.
b. Can nhiễu xuất hiện do 2 nguyên nhân chính: nhiễu đồng kênh (CCI) và nhiễu đa
truy cập (MAI).

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN


vii

• Nhiễu đồng kênh xuất hiện do các tín hiệu hoạt động ở cùng tần số. Trong mạng
viễn thông tế bào, nhiễu đồng kênh xuất hiện do những tín hiệu từ các tế bào khác
nhau chiếm giữ cùng băng tần.
• Khi bộ thu giải điều chế để thu một tín hiệu nhưng vẫn thu được một phần các tín
hiệu khác do sự trực giao của các tín hiệu khơng tốt sẽ tạo nên nhiễu đa truy cập.
Nhiễu đa truy cập đặc biệt xuất hiện nghiêm trọng trong hệ thống CDMA do sự trực
giao chuỗi ngẫu nhiên (PN) của các tín hiệu khơng tuyệt đối.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Hiện nay tình hình nghiên cứu của nước ta, đặc biệt là các luận văn đại học và thạc sỹ
mới đề cập đến khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự bằng cách sử dụng bộ cân bằng
[6] và dùng bộ tạo búp sóng trong hệ thống anten thơng minh [6] để làm giảm sự ảnh
hưởng của can nhiễu. Tuy nhiên đối với kênh truyền thay đổi theo thời gian thì vẫn

chưa có nghiên cứu nào đề cập tới, và đặc biệt là sự kết hợp của bộ cân bằng thích nghi
và bộ tạo búp sóng thích nghi để triệt đồng thời nhiễu liên ký tự và can nhễu trong môi
trường kênh truyền thay đổi theo thời gian vẫn còn là một hướng hoàn toàn mới.
3. Mục tiêu của luận văn
Kênh truyền thay đổi theo thời gian là một vấn đề nghiêm trọng đối với môi trường
không dây, ở mỗi thời điểm khác nhau kênh truyền sẽ khác nhau. Do đó các trọng số
của bộ cân bằng và anten thông minh chỉ phù hợp với kênh truyền ở thời điểm huấn
luyện, khi kênh truyền thay đổi thì các trọng số này khơng cịn phù hợp nữa. Các trọng
số này phải tự cập nhật được theo thời gian theo sự thay đổi của kênh truyền, các giải
thuật giúp cho các trọng số thỏa mãn yêu cầu trên được gọi là các giải thuật thích nghi.
Luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu các giải thuật thích nghi đối với bộ cân bằng và bộ
tạo búp sóng (anten thơng minh), đồng thời kết hợp hai bộ này để có thể đồng thời triệt

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN


viii

nhiễu liên ký tự và can nhiễu trong môi trường có kênh truyền thay đổi theo thời gian.
Bộ beamformer này lấy mẫu trong cả miền không gian và miền thời gian, nó cịn được
gọi là bộ cân bằng khơng gian - thời gian.
Luận văn được trình bày làm 6 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Bộ cân bằng thích nghi
Chương 3: Anten thông minh
Chương 4: Kết hợp anten thông minh và bộ cân bằng thích nghi
Chương 5: Kết quả mơ phỏng
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

ix

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP............................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... iv
ASTRACT................................................................................................................ v
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN...................................................................................... vi
MỤC LỤC............................................................................................................... ix
DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................. xvii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ xviii
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................... 1
1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......................... 1
1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÔNG TIN VÔ TUYẾN ..................... 2
1.2.1 Suy hao đường truyền (path loss and attentuation)......................................... 2
1.2.2. Nhiễu .............................................................................................................. 3
1.2.2.1. Nhiễu AWGN.............................................................................................. 3
1.2.2.2. Can nhiễu .................................................................................................... 3
1.2.3. Fading đa đường (multipath fading) .............................................................. 5
1.2.3.1. Rayleigh Fading ......................................................................................... 6
1.2.3.2. Ricean Fading ............................................................................................. 7
CHƯƠNG II: BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI ..................................................... 10
2.1 CÁC BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI............................................................. 11
2.1.1 Bộ cân bằng khoảng cách ký hiệu................................................................. 11
2.1.2 Bộ cân bằng định khoảng tỉ lệ....................................................................... 12
2.1.3. Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định................................................................... 13
2.1.4. Các bộ cân bằng MLSE (Maximum likelihood sequence estimation) ........ 14
2.1.5. Nguyên lý hoạt động chung của bộ cân bằng thích nghi ............................. 16

2.2. CÁC TIÊU CHUẨN ....................................................................................... 17


x

2.2.1. Tiêu chuẩn méo dạng đỉnh (peak distorition criteria) .................................. 17
2.2.2. Tiêu chuẩn trung bình bình phương sai số (MSE)....................................... 18
2.3. CÁC GIẢI THUẬT CÂN BẰNG THÍCH NGHI .......................................... 18
2.3.1. Giải thuật bình phương trung bình cực tiểu (LMS-Least Mean Square)..... 19
2.3.2. Giải thuật LMS chuẩn hóa ........................................................................... 20
2.3.3 Giải thuật bình phương cực tiểu hồi quy (RLS-Recursive Least Square) .... 21
2.3.4 Giải thuật modulus hằng só (constant modulus algorithm) .......................... 22
CHƯƠNG III: ANTEN THÔNG MINH ............................................................... 23
3.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH............................... 23
3.1.1 Định nghĩa..................................................................................................... 23
3.1.2 Anten và hệ thống anten................................................................................ 23
3.1.2.1 Anten .......................................................................................................... 23
3.1.2.2 Hệ thống anten ........................................................................................... 25
3.1.3 Hệ thống anten thông minh (Smart antenna system) .................................... 28
3.1.3.1 Khái niệm ................................................................................................... 28
3.1.3.2 Phân loại..................................................................................................... 29
3.1.4 Mục đích của hệ thống anten thơng minh ..................................................... 36
3.2 DÃY ANTEN THÍCH NGHI .......................................................................... 38
3.2.1 Định nghĩa..................................................................................................... 38
3.2.2 Mơ hình tín hiệu của dãy anten ..................................................................... 40
3.2.3 Mơ hình tốn học của anten thơng minh thích nghi...................................... 43
3.2.3.1 Các tiêu chuẩn để tối ưu hoạt động của beamforming thích nghi ............. 44
3.2.3.2 Các thuật tốn thích nghi ........................................................................... 49
CHƯƠNG IV: KẾT HỢP ANTEN THÔNG MINH VÀ BỘ CÂN BẰNG THÍCH
NGHI...................................................................................................................... 55

4.1 MỤC ĐÍCH...................................................................................................... 55
4.2 MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN ........................................................................... 56


xi

4.3 MƠ HÌNH KẾT HỢP DÙNG DÃY ANTEN THÍCH NGHI VÀ KỸ THUẬT CÂN
BẰNG THÍCH NGHI ............................................................................................ 57
4.3.1 BỘ BEAMFORMER THÍCH NGHI............................................................ 60
4.3.2 BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI ................................................................... 61
CHƯƠNG V: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG................................................................. 63
5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI ............................. 63
5.1.1 So sánh hiệu quả khi có bộ cân bằng thích nghi và khơng có bộ cân bằng thích
nghi......................................................................................................................... 63
5.1.2 So sánh các loại bộ cân bằng......................................................................... 67
5.1.3 So sánh hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi khi tín hiệu truyền qua các loại kênh
truyền khác nhau .................................................................................................... 69
5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ANTEN THƠNG MINH......................................... 72
5.2.1 Kênh truyền khơng đổi theo thời gian (time-unvariant channel).................. 72
5.2.1.1 Sự ảnh hưởng của số anten M .................................................................... 72
5.2.1.2 Sự ảnh hưởng giá trị của tham số độ rộng μ ............................................. 85
5.2.2 Kênh truyền thay đổi theo thời gian (time-variant channel) ......................... 98
5.3 SỰ KẾT HỢP CỦA BỘ BEAMFORMER THÍCH NGHI VÀ KỸ THUẬT CÂN
BẰNG THÍCH NGHI .......................................................................................... 101
5.3.1 Kênh truyền không thay đổi theo thời gian (time-invariant channel)......... 101
5.3.2 Kênh truyền thay đổi theo thời gian (time-variant channel) ....................... 109
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI........... 113
6.1 KẾT LUẬN.................................................................................................... 113
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......................................................... 115

xii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mật độ xác suất của phân bố Rayleigh và phân bố Rician ..................................9
Hình 2.1: Kênh truyền và bộ cân bằng...............................................................................10
Hình 2.2: Bộ cân bằng định khoảng theo ký hiệu..............................................................11
Hình 2.3: Bộ cân bằng định khoảng tỉ lệ............................................................................12
Hình 2.4: Bộ cân bằng định khoảng tỷ lệ...........................................................................14
Hình 2.5: Sơ đồ của bộ cân bằng MLSE............................................................................16
Hình 3.1: Anten đẳng hướng và đồ thị bao phủ.................................................................24
Hình 3.2: Anten có hướng và đồ thị bao phủ .....................................................................25
Hình 3.3: Hệ thống phân vùng và đồ thị bao phủ ..............................................................26
Hình 3.4: Phân tập chuyển mạch........................................................................................27
Hình 3.5: Phân tập kết hợp.................................................................................................27
Hình 3.6: Sơ đồ khối tổng qt của anten thơng minh.......................................................29
Hình 3.7: Chuyển mạch búp sóng & dãy anten thích nghi ................................................30
Hình 3.8: Đồ thị bao phủ của hệ thống chuyển mạch búp sóng (switched beam).............31
Hình 3.9: Sơ đồ khối của hệ thống chuyển mạch búp sóng...............................................32
Hình 3.10: Đồ thị bao phủ của hệ thống thích nghi ...........................................................34


xiii

Hình 3.11: Sự so sánh vùng che phủ của anten chuyển mạch búp sóng và anten thích
nghi.....................................................................................................................................36
Hình 3.12: Hệ thống anten thích nghi ................................................................................38
Hình 3.13: Các dạng hình học của anten thích nghi ..........................................................39
Hình 3.14: Mơ hình tín hiệu của dãy anten........................................................................41
Hình 3.15: Cấu hình một dãy anten thích nghi .................................................................43

Hình 3.16: Cấu hình beamforming thích nghi dùng giải thuật LMS .................................50
Hình 4.1: Kênh truyền fading.............................................................................................56
Hình 4.2: Sơ đồ kết hợp bộ beamformer thích nghi và bộ cân bằng thích nghi ................59
Hình 5.1: Hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi với μ =0.01.............................................64
Hình 5.2: Hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi với μ =0.0001.........................................65
Hình 5.3: So sánh các loại cân bằng thích nghi .................................................................68
Hình 5.4: Hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi khi truyền tín hiệu qua các loại kênh
truyền khác nhau ................................................................................................................70
Hình 5.5: Hàm Array factor khi M=4, μ =0.002 và các góc đến [-40; 0; 20; 60] .............73
Hình 5.6: Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=4, μ =0.002 và các góc đến [40; 0; 20; 60] ......................................................................................................................74


xiv

Hình 5.7: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=4, μ =0.002 và các góc đến
[-40; 0; 20; 60] ...................................................................................................................75
Hình 5.8: BER khi có hoặc khơng có dùng bộ beamformer thích nghi khi M=4,
μ =0.002 và các góc đến [-40; 0; 20; 60]...........................................................................76

Hình 5.9: Hàm hệ số sắp xếp dãy

khi M=4, μ =0.002 và các góc đến

[-100, -200, -300; -400] .....................................................................................................77
Hình 5.10: Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=4, μ =0.002 và các góc đến
[-10 -20 -30 -40].................................................................................................................78
Hình 5.11: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=4, μ =0.002 và các góc đến
[-10 -20 -30 -40].................................................................................................................79
Hình 5.12: BER khi có hoặc khơng có dùng bộ beamformer thích nghi khi M=4,
μ =0.002 và các góc đến [-10 -20 -30 -40] ........................................................................80

Hình 5.13: Hàm hệ số sắp xếp dãy

khi M=9, μ =0.002 và các góc đến

[-100, -200, -300 , -400]........................................................................................................81
Hình 5.14: Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=9, μ =0.002 và các góc đến
[-10 -20 -30 -40].................................................................................................................82
Hình 5.15: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=9, μ =0.002 và các góc đến
[-10 -20 -30 -40].................................................................................................................83
Hình 5.16: BER khi có hoặc khơng có dùng bộ beamformer thích nghi khi góc đến của
tín hiệu [-100, -200, -300, -400], μ =0.002, và M=9............................................................84


xv

Hình 5.17: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=4, μ =0.03 và các góc đến
[00, -300, 300, 600]...............................................................................................................86
Hình 5.18:Hàm hệ số sắp xếp dãy với M=4, μ =0.03 và các góc đến [00, -300, 300, 600] .87
Hình 5.19: Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=4, μ =0.03 và các góc đến
[00, -300, 300, 600]...............................................................................................................88
Hình 5.20: BER khi có hoặc khơng có dùng bộ beamformer thích nghi với M=4,
μ =0.03 và các góc đến [00, -300, 300, 600] .......................................................................89

Hình 5.21: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=4, μ =0.001 và các góc đến
[00, -300, 300, 600]...............................................................................................................90
Hình 5.22: Hàm hệ số sắp xếp dãy với M=4, μ =0.001 và các góc đến [00, -300, 300,
600] .....................................................................................................................................91
Hình 5.23: Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=4, μ =0.001 và các góc đến
[00, -300, 300, 600]...............................................................................................................92

Hình 5.24: BER khi có hoặc khơng có dùng bộ beamformer thích nghi với M=4,
μ =0.001 và các góc đến [00, -300, 300, 600]......................................................................93

Hình 5.25: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=4, μ =0.001 và các góc đến
[00, -300, 300, 600]...............................................................................................................94
Hình 5.26: Hàm hệ số sắp xếp dãy với M=4, μ =0.0001 và các góc đến [00, -300, 300,
600] .....................................................................................................................................95


xvi

Hình 5.27: Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=4, μ =0.0001 và các góc đến
[00, -300, 300, 600]...............................................................................................................96
Hình 5.28: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu với M=4, μ =0.0001 và các góc
đến [00, -300, 300, 600]........................................................................................................97
Hình 5.29: Hàm hệ số sắp xếp dãy của bộ kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân

bằng thích nghi khi SNR=0 .......................................................................................................102
Hình 5.30: Hàm hệ số sắp xếp dãy của bộ kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân

bằng thích nghi khi SNR=2 .......................................................................................................103
Hình 5.31: Hàm hệ số sắp xếp dãy của bộ kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân

bằng thích nghi SNR=4 .............................................................................................................104
Hình 5.32: Hàm hệ số sắp xếp dãy của bộ kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân

bằng thích nghi SNR=6 .............................................................................................................105
Hình 5.33: Hàm hệ số sắp xếp dãy của bộ kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân

bằng thích nghi SNR=8 .............................................................................................................106

Hình 5.34: Hàm hệ số sắp xếp dãy của bộ kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân

bằng thích nghi SNR=10 ...........................................................................................................107
Hình 5.35: BER khi truyền tín hiệu khi khơng dùng bộ beamformer thích nghi+khơng
dùng bộ cân bằng thích nghi, khi có dùng bộ beamformer thích nghi+có dùng bộ
equalizer thích nghi, hoặc khi có dùng cả bộ beamformer thích nghi và bộ equalizer
thích nghi..........................................................................................................................108
Hình 5.36: BER khi kênh truyền thay đổi theo thời gian ................................................111


xvii

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 5.1: Chỉ ra mối quan hệ giữa SIR, thông số bước và số mẫu để hệ thống
beamformer thích nghi hội tụ lại........................................................................................99
Bảng 5.2: Chỉ ra mối liên hệ giữa góc thay đổi của các user, thơng số bước và số mẫu
để hệ thống beamformer hội tụ lại ...................................................................................100
Bảng 5.3: Mối liên hệ giữa SNR và số mẫu để hệ thống kết hợp beamformer thích nghi và bộ
cân bằng thích nghi hội tụ............................................................................................................109

Bảng 5.4: Mối liên hệ giữa SNR và số mẫu để hệ thống kết hợp beamformer thích nghi
và bộ cân bằng thích nghi hội tụ lại khi kênh truyền fading thay đổi..............................110
Bảng 5.5: Mối liên hệ giữa SNR và số mẫu để hệ thống kết hợp beamformer thích nghi
và bộ cân bằng thích nghi hội tụ lại khi góc đến của tín hiệu và can nhiễu thay đổi ......110
Bảng 5.6: Mối liên hệ giữa SNR và số mẫu để hệ thống kết hợp beamformer thích nghi
và bộ cân bằng thích nghi hội tụ lại thì kênh truyền fading và góc đến của tín hiệu, can
nhiễu thay đổi ...................................................................................................................110


xviii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AOA

Angle of Arrival

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Ratio

BPF

Band Pass Filter

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CCI

Co-Channel Interference

CDMA

Code Division Multiple Access

DFE

Decision Feedbackkk Equalizer

DOA

Direction of Arrival

DSP

Digital Signal Processing

GSM

Global System for mobile

ISI

Intersymbol Interference

LCMV

Lineary Costained Minimum Variance

LMS

Least Mean Square

LOS

Line Of Sight

LNA

Low Noise Amplifier

MAI

Multiple Access Interference

ML

Maximum Likelihood

MLSE

Maximum Likelihood Sequence Estimation

MMSE

Minimum Mean Square Error

PN

Pseudo-random Noise

PSK

Phase Shift Keying

RF

Radio Frequence


xix

RLS

Recursive Least Square

SDMA

Space Division Multiple Access

SINR

Signal To Interference-plus-Noise Ratio

SIR

Signal To Noise Ratio

SMI

Sample Matrix Inversion

SNR

Signal To Noise Ratio

TDMA

Time Division Multiple Access


1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. GIỚI THIỆU VỀ MÔI TRỪƠNG THƠNG TIN VƠ TUYẾN
Kênh truyền thể hiện một vai trị rất là quan trọng trong chất lượng hệ thống thông tin.
Kênh truyền thường không ổn định, luôn luôn thay đổi, nên việc tìm hiểu rõ kênh
truyền sẽ giúp cho chúng ta tìm ra được những phương pháp, những kỹ thuật có thể
giảm ảnh hưởng của kênh truyền đến chất lượng thơng tin cao nhất có thể. Khi nghiên
cứu tính tốn, người ta chỉ có thể xây dựng các mơ hình xấp xỉ kênh truyền một cách
gần đúng nhất, phù hợp theo các tiêu chí đặt ra
Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán
xạ… và gây ra hiện tượng đa đường (multipath). Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn
nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao truyền dẫn trung bình
(mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading), suy hao đường truyền
(path loss)...
Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra là do sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự
hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây, sự phản xạ từ mặt đất...Mức độ suy hao phụ thuộc
vào khoảng cách và biến đổi rất chậm, ngay cả đối với các máy đầu cuối mobile di
chuyển với tốc độ cao.
Fading chậm (slow fading) do sự cản trở của các tòa nhà và địa hình tự nhiên như đồi,

núi,...và được gọi là long-term fading.
Fading nhanh (Fast fading) gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh máy đầu
cuối di động. Loại fading này còn đựơc gọi là short-term fading hay small scale fading.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG


2

Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của kênh sẽ
quyết định một kênh là slow fading hay là fast fading. Trong một kênh fast fading, đáp
ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một chu kỳ symbol, và thường do phản xạ
nhiều tia của sóng truyền, do các vật thể tán xạ như nhà cửa, các kiến trúc hoặc các vật
thể tự nhiên như rừng. Hình bao tín hiệu nhận đựơc có fast fading thường phân bố theo
Rayleigh hoặc Rician.
1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.2.1 Suy hao đường truyền (path loss and attentuation)
Tại anten phát, các sóng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng
được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền
tín hiệu, sóng cũng đựơc mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó
sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ cơng suất của sóng
giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với
bình phương khoảng cách.
Phương trình sau mơ tả cơng suất thu đựơc sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng
cách R:
PR = PT GT GR (

λ 2
)
4π R

PR : Cơng suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
GT : Độ lợi anten phát

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

(1.1)


3

λ : Bước sóng của sóng mang
R: Khoảng cách truyền
Biểu thức trên cịn có thể viết lại là:
2

2

PT ⎛ 4πR ⎞ 1 1 ⎛ 4π ⎞ 2 2 1 1
=⎜ ⎟ R f
=⎜
⎟
PR ⎝ λ ⎠ GT G R ⎝ c ⎠
GT GR

(1.2)

Như vậy hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do Lpt là:

Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)

(1.3)

= −10 log10 GT − 10 log10 GR + 20 log10 f + 20 log10 R − 47.6 dB
1.2.2 Nhiễu
1.2.2.1 AWGN

Kênh truyền AWGN là dạng kênh truyền có nhiễu cộng và phân bố theo hàm Gauss.
Như vậy, một tín hiệu khi truyền qua kênh này sẽ phải thêm vào một tín hiệu ngẫu
nhiên khơng mong muốn phân bố theo hàm Gauss:
1
p(x)=
e
σ 2p

(x-m)2
2σ 2

k

(1.4)

1.2.2.2 Can nhiễu

Can nhiễu được định nghĩa như là tất cả các tín hiệu khơng mong muốn xuất hiện trong
băng tần đang xét. Can nhiễu xuất hiện khi có nhiều máy phát cùng làm việc đồng thời
trong cùng một băng tần hoặc trong các băng tần kế cận. Can nhiễu cũng có thể là

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

4

nhiễu nhân tạo được sinh ra từ các bộ đánh lửa xe cộ, ánh sáng đèn huỳnh quang, các
công tắc điện hoặc bởi nhiễu không gian.
a. Can nhiễu đồng kênh

Nhiễu đồng kênh xuất hiện khi có nhiều hơn một tín hiệu độc lập (được điều chế hay
không điều chế) phát cùng lúc trong cùng một băng tần só. Trong hệ thống di động tế
bào sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA, do giới hạn về băng thông vô tuyến nên
người ta phải sử dụng phương pháp tái sử dụng tần số, khi đó, nhiễu đồng kênh xuất
hiện từ các trạm gốc xung quanh được phân phối cùng băng tần với trạm gốc đang xét.
Trong hệ thống dùng kỹ thuật đa truy cập CDMA, do tất cả các user đều cùng sử dụng
chung một dải tần nên nhiễu đồng kênh ảnh hưởng nhiều đến hệ thống. Để giảm ảnh
hưởng của nhiễu đồng kênh, hệ thống phải sử dụng các mã ngẫu nhiên có tính trực giao
cao. Bằng cách sử dụng anten thơng minh ta cũng có thể hạn chế tối đa nhiễu đồng
kênh này.
b. Nhiễu kênh kề

Nhiễu kênh kề xuất phát do việc thiết kế bộ lọc điều chế vô tuyến khơng hịan hảo. Tín
hiệu truyền khơng có băng thơng giới hạn trong một phổ hình chữ nhật vì thế công suất
phổ được phát xen vào trong băng tần của kênh kề gây ra nhiễu kênh kề.
Ngịai ra cịn có những yếu tố gây nhiễu khác, có thể kể ra như sau:
Nhiễu nhân tạo: gây ra bởi các cơ chế đánh tia lửa điện như: động cơ điện, đèn huỳnh
quang, đánh lửa động cơ xe,... chúng đến anten thu theo cách của tín hiệu vơ tuyến.
Nhiễu này xuất hiện ở vùng tần số dưới 500Mhz.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

5

Nhiễu khí quyển: một dạng nhiễu ngẫu nhiên gây bởi sự xáo động bầu khí quyển của
trái đất, chủ yếu do sấm chớp. Phổ của nó được xem như là vơ hạn, nhưng có mật độ tỷ
lệ nghịch với tần số, do đó thường chỉ gây ra ảnh hưởng trong vùng tần số nhở hơn
20Mhz.
Nhiễu vũ trụ: gây ra bởi bức xạ mặt trời, mặt trăng, sao...chúng có phổ từ 8Mhz đến
1.5Ghz. Thật ra chúng có thành phần tần số thấp hơn 8Mhz, tuy nhiên các phần đó bị
hấp thu bởi tầng điện ly của trái đất trước khi đến mặt đất.
c. Jammer

Ngồi các yếu tố gây nhiễu khơng chủ ý vừa kể trên, cịn có một yếu tố khác được xem
như là kẻ thù của các hệ thống thông tin, với chủ ý phá hoại hệ thống, làm suy giảm
khả năng của hệ thống vì nhiều mục đích khác nhau. Những kẻ cố ý gây nhiễu hệ thống
được gọi là Jammer. Jammer có nhiều chiến lược gây nhiễu hệ thống khác nhau.
Mục đích của jammer là làm mất đi tính tin cậy của hệ thống thơng tin của đối phương
và thực hiện việc phá hoại đó đối với chi phí tối thiểu.
1.2.3 Fading đa đường (multipath fading)

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ, khúc xạ,
nhiễu xạ,... tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều phần (giống với
tín hiệu gốc) và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác nhau. Hiện tượng này được
gọi là truyền dẫn đa đường (multipath propagation).
Trong kênh thông tin di động có 2 loại fading: large scale fading và small scale fading.
Large scale fading chính là sự suy hao công suất hay suy hao đường truyền. Small
scale fading là sự thay đổi đột ngột (thay đổi nhanh) về biên độ và pha của tín hiệu khi

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

6

có sự thay đổi nhỏ về khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu. Sóng vơ tuyến khi truyền
qua một khoảng cách lớn sẽ bị ảnh hưởng bởi cả small scale và large scale fading.
Small scale fading là sự dao động nhanh về biên độ và pha của tín hiệu radio qua một
thời gian hoặc khoảng cách truyền nhỏ sao cho ảnh hưởng của suy hao đường truyền
có thể bỏ qua. Fading được gây ra bởi hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu được truyền
tới bộ thu bằng nhiều con đường khác nhau tại những thời điểm khác nhau. Những
sóng này kết hợp với nhau tại anten thu tạo thành tín hiệu tổng. Tín hiệu này có thể rất
khác nhau về biên độ và pha tùy thuộc vào sự phân bố cường độ của tín hiệu, thời gian
truyền tương đối giữa các phiên bản và độ rộng của tín hiệu phát.
1.2.3.1 Rayleigh Fading

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Raleigh thường được dùng để mô tả bản
chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường
bao của một thành phần đa đường riêng lẻ.
Đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh với
hàm mật độ xác suất:
⎧ r
r2
⎪ exp(− 2 )
p(r ) = ⎨σ 2
2σ
⎪ 0
⎩

(0 ≤ r ≤ ∞)

(1.5)

(r < 0)

Với σ là giá trị RMS (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường
bao (envelope detection).
σ2 là cơng suất trung bình.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG