Cấp phát tài nguyên trong hệ thống OFDMA

1

MỤC LỤC
ABSTRACT................................................................................................... 5
TÓM TẮT...................................................................................................... 5
PHẦN I – TỔNG QUAN ............................................................................... 7
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ............................................................................ 8
1.1. Sơ lược lịch sử phát triển của các phương thức đa truy nhập ............... 8
1.2. Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ........................ 9
1 .3 . M ụ c tiêu củ a đ ề tài ............................................................................ 10
1.4. Tóm tắt nội dung luận văn ................................................................. 11
PHẦN II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................. 13
CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ............................................... 14
2.1. Large – scale...................................................................................... 15
2.1.1. S u y h ao d o kh o ản g cách ............................................................. 15
2.1.2. S ự ản h hư ở n g củ a p h ản x ạ.......................................................... 17
2.1.3. S u y h ao d o sự ch e k h u ất ............................................................. 18
2.2. Small scale fading.............................................................................. 19
2.2.1. H iện tư ợ n g D o p p ler .................................................................... 19
2.2.2. C ác th ô n g số củ a fad in g ............................................................. 20
2.2.2.1. T h ô n g số tán x ạ th ờ i g ian .................................................... 20
2.2.2.2. B ăn g th ô n g k ết h ợ p ............................................................. 21
2.2.2.3. K h o ản g Do p p ler v à th ờ i g ian k ết h ợ p ................................. 22
2.2.3. C ác lo ại k ên h tru yền fad in g ........................................................ 23
2.2.3.1. P h ân lo ại d ự a trên k h o ản g trễ .............................................. 24
2.2.3.2. Phân loại dựa trên độ dịch Doppler ...................................... 25


2

2 .2 .4. P h ân b ố R a yleig h ....................................................................... 26

2.2.5. P h ân b ố R icean ........................................................................... 27
2.2.6. Mơ hình Clarke cho fading phẳng............................................... 29
2 .3 . T Ổ N G Q U A N C Á C K Ỹ T H U Ậ T Đ A T R U Y C Ậ P T R O N G H Ệ
T H Ố N G V Ô T U Y Ế N .............................................................................. 32
2 .3 .1. K ỹ th u ật đ a tru y n h ập p h ân ch ia th eo tần số (F D M A ) ................ 32
2 .3 .2. K ỹ th u ật đ a tru y n h ập p h ân ch ia th eo th ờ i g ian (T D M A ) ........... 33
2 .3 .3. K ỹ th u ật đ a tru y n h ập p h ân ch ia th eo m ã (C D M A ) .................... 34
2 .3 .4. K ỹ th u ật p h ân ch ia th eo tần số trự c g iao (O F D M ) ...................... 34
CHƯƠNG 3. LÝ THUYẾT OFDM/OFDMA .............................................. 36
3 .1 . L Ý T H U Y Ế T C Ơ B Ả N V Ề O F D M .................................................. 36
3 .1 .1. L ịch sử v à k h ái n iệm .................................................................. 36
3 .1 .2. Ý n g h ĩa trự c g iao củ a O F D M ..................................................... 37
3.1.3. Sự hình thành các sóng mang sử dụng IFFT ............................... 39
3 .1 .4. C ác lo ại n h iễu ản h h ư ở n g tro n g O F D M ..................................... 42
3 .1 .4.1. N h iễu liên són g m an g IC I .................................................... 42
3 .1 .4.2. N h iễu liên lý tự IS I .............................................................. 43
3 .1 .5. K h o ản g b ảo v ệ trán h IS I ............................................................. 44
3 .1 .6. C h ọ n lự a các th ô n g số củ a O F D M ............................................. 46
3 .1 .7. Ư u đ iểm củ a O F D M ................................................................... 48
3.2. Khái niệm OFDMA ........................................................................... 49
3 .3 . L ớ p v ật lý O F D M A tro n g ch u ẩn W irelessM A N IE E E 8 0 2 .1 6 .......... 50
3.3.1. Giới thiệu.................................................................................... 50
3.3.2. Những yêu cầu thiết kế đa sóng mang......................................... 51


3

3.3.3. Cấu trúc khung cơ bản của OFDMA........................................... 54
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CỦA OFDMA – WIMAX ................................ 57
4.1. Khái niệm .......................................................................................... 57

4.2. WiMax trong môi trường LOS và NLOS........................................... 58
4.2.1. Truyền sóng LOS và NLOS........................................................ 58
4.2.2. Các giải pháp cơng nghệ NLOS.................................................. 61
4.2.2.1. Công nghệ OFDM ............................................................... 61
4.2.2.2. Kênh con hố ....................................................................... 62
4.2.2.3. Anten trong các ứng dụng khơng dây cố định ...................... 63
4.2.2.4. Phân tập thu phát.................................................................. 64
4.2.2.5. Điều chế thích nghi .............................................................. 64
4.2.2.6. Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi................................................... 64
4.2.2.7. Điều khiển công suất............................................................ 65
4.3. Công nghệ WiMax ở Việt Nam ......................................................... 65
4.3.1. Giới thiệu.................................................................................... 65
4.3.2. Kết quả triển khai thử nghiệm WiMax tại Lào Cai...................... 66
4.3.2.1. Dịch vụ triển khai ở Lào Cai ................................................ 67
4.3.2.2. Các kết quả thử nghiệm........................................................ 67
PHẦN 3 – KẾT QUẢ THỰC HIỆN............................................................. 69
CHƯƠNG 5. MƠ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT ................................................ 70
5.1. Các mơ hình cấp phát tài ngun ....................................................... 70
5.2. Mơ hình hệ thống............................................................................... 72
5.3. Cấp phát sóng mang phụ và cơng suất tối ưu ..................................... 75
5.3.1. Cấp phát sóng mang phụ tối ưu phụ............................................ 76


4

5.3.2. Cấp phát công suất tối ưu............................................................ 78
5.3.2.1. Phân phối công suất cho một người dùng............................. 79
5.3.2.2. Phân phối công suất giữa các người dùng ............................ 80
5.3.3. Sự tồn tại của mơ hình hệ thống.................................................. 83
5.3.4. Phân tích độ phức tạp.................................................................. 86

CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG......................................................... 87
6.1. So sánh với trường hợp phân phối công suất max-min....................... 87
6.2. So sánh hai thuật tốn tuyến tính và phi tuyến ................................... 90
6.3. So sánh giữa hai phương pháp có bộ đệm và khơng có bộ đệm ......... 91
6.4. Nhận xét chung.................................................................................. 95
CHƯƠNG 7. TỔNG KẾT ............................................................................ 96
7.1. Kết luận ............................................................................................. 96
7.2. Hướng phát triển................................................................................ 97
7.2.1. Vấn đề RNC ............................................................................... 97
7.2.2. Vấn đề các BS ............................................................................ 98
PHỤ LỤC 1.................................................................................................. 99
PHỤ LỤC 2................................................................................................ 101
PHỤ LỤC 3................................................................................................ 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 104


5

ABSTRACT
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) basestations
allow multiple users to transmit simultaneously on different subcarriers
during the same symbol period. The sum capacity of OFDMA system is
maximized when each subcarrier is assigned to the user with the best signalto-noise ratio for that subcarrier, with power subsequently distributed by
water-filling algorithm. However, fairness among the users cannot generally
be achieved with such a scheme. In this survey, a proportional rate adaptive
resource allocation method for OFDMA system is proposed. Besides, a
method which use buffer for each user to reduce congestion probability in
case bursty traffic is proposed. It is also shown that with the proposed
resource allocation algorithm, the sum capacity is distributed more fairly and
flexibly among users than the sum capacity maximization method.

TÓM TẮT
Trạm gốc đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép đa
người dùng truyền cùng lúc trên những sóng mang phụ khác nhau trong cùng
khoảng thời gian ký hiệu. Tổng dung lượng của hệ thống OFDMA cực đại khi
mỗi sóng mang phụ ấn định cho người dùng có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao
nhất trên sóng mang phụ đó, với cơng suất sau đó được phân phối bởi thuật
toán water-filling. Tuy nhiên, sự cân bằng giữa các người dùng thông thường
là không thể đạt được với mô hình như vậy. Trong nghiên cứu này, phương
pháp cấp phát tài nguyên cân đối được đưa ra. Bên cạnh đó, phương pháp sử
dụng bộ đệm cho mỗi người dùng cũng được đưa ra để giảm xác suất tắc
nghẽn trong trường hợp lưu lượng bùng nổ. Như vậy với thuật toán cấp phát


6

tài nguyên đề xuất thì dung lượng được phân phối hợp lý và mềm dẻo giữa
các người dùng hơn là một phương pháp làm cực đại dung lượng tổng.


7

PHẦN I

TỔNG QUAN


8

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.1. Sơ lược lịch sử phát triển của các phương thức đa truy nhập
Từ khi ra đời tới nay, hệ thống thông tin di động đã cho lồi người thấy những
bước tiến vượt bậc của nó trong ứng dụng hệ thống tế bào số và hệ thống
không dây số trên phạm vi tồn thế giới.
Thơng tin di động ra đời lần đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay nó đã
khoảng qua nhiều thế hệ. Đầu tiên là thế hệ thông tin di động tương tự sử
dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency
Division Multiple Access).
Từ năm 1991, mạng điện thoại tế bào số ứng dụng kỹ thuật Đa truy nhập phân
chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), điển hình là hệ
thống thơng tin di động tồn cầu GSM (Global System for Mobile
Communication) đã được ứng dụng rộng rãi tại châu Âu và nhiều nước trên
thế giới.
Phương thức truy nhập mới đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code
Division Multiple Access) được coi là một ứng cử viên hàng đầu để hỗ trợ đa
dịch vụ trong thông tin di động vì nó mang các ưu điểm: Có khả năng đáp ứng
đa dịch vụ; cung cấp dung lượng cao hơn các phương thức truy nhập truyền
thống như TDMA và FDMA; chống lại việc chọn lọc theo tần số của kênh
truyền; tính bảo mật và khả năng chống nhiễu ...
Tiếp theo, hệ thống dựa trên nguyên tắc kết hợp CDMA và ghép kênh tín hiệu
phân chia theo tần số trực giao (OFDM), gọi là hệ thống CDMA đa sóng
mang (MC-CDMA) được đề xuất đã gây nên sự chú ý rất lớn vì có thể thu
phát dễ dàng tín hiệu nhờ sử dụng thuật tốn biến đổi Fourie nhanh mà khơng
làm tăng đáng kể mức độ phức tạp của các thiết bị. Hơn nữa đây còn là một


9

giải pháp đầy tiềm năng để phân chia kênh với việc sử dụng các tần số tốt một
cách hiệu quả.

Mặc dù vậy, phải cần đánh giá năng lượng tạp âm cũng như giá trị xuyên
nhiễu sóng mang. Mặt khác, trong ứng dụng kênh đường lên, cần tách sóng đa
người dùng vì sự trực giao của mã giữa các người dùng hoàn toàn bị méo do
sự chọn lọc theo tần số của kênh truyền.
Vào những năm 2000, một giải pháp đa truy nhập mới được phát minh, gây
nên sự chú ý và lôi cuốn rất nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Đó
là giải pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA
(Orthorgonal Frequency Division Multiple Access).
1.2. Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA
O F D M (O rth o g o n al F req u en c y D iv isio n M u ltip lex in g ), g h ép k ên h t ần số
p h ân ch ia trự c g iao , là m ộ t trư ờ n g h ợ p đ ặc b iệt củ a g h ép k ên h p h ân ch ia tần
số F D M . T ro n g k ỹ th u ật n à y, các sóng mang được chia thành nhiều sóng
mang phụ. Trực giao có nghĩa là các tần số mang được chọn sao cho đỉnh của
một tần số này trùng hợp với điểm có giá trị bằng 0 của tần số cận kề. Luồng
tín hiệu đó được đổi từ nối tiếp thành song song và từng luồng song song
được đưa vào khối điều chế. Với đặc điểm này nên kỹ thuật OFDM tiết kiệm
phổ tần nhiều lần so với kỹ thuật FDM truyền thống và đặc biệt thích hợp cho
các ứng dụng không dây tốc độ cao.
O F D M A c ũ n g đ ư ợ c co i là O F D M đ a n g ư ờ i d ù n g , đ ư ợ c x e m n h ư là m ộ t k ỹ
th u ật đ iều ch ế v à đ a tru y n h ập ch o m ạn g k h ô n g d â y th ế h ệ th ứ 4 . O F D M A l à
m ở rộ n g củ a O F D M v à h iện n a y là sự lự a ch ọ n ch o n h ữ n g h ệ th ố n g tru y n h ập
d ữ liệu tố c đ ộ cao n h ư m ạn g L A N k h ô n g d â y IE E E 8 0 2 .1 1 a/g (W iF i) v à các
h ệ th ố n g tru y n h ập b ăn g rộ n g k h ô n g d â y IE E E 8 0 2 .1 6 a/d /e (W iM A X ).


10

1.3. M ục tiêu của đề tài
Các mơ hình kế hoạch tần số đang tồn tại có thể chia thành 3 loại: Cấp phát
kênh tần số cố định (FCA: Fixed frequency Channel Allocation), cấp phát

kênh động (DCA: Dynamic Channel Allocation) và cấp phát kênh tần số phối
hợp (HCA: Hybrid Channel Allocation). HCA có thể được xem như kết hợp
của DCA và FCA.
Trong FCA, toàn bộ các kênh trong hệ thống được chia thành các nhóm rời và
được ấn định cho một tập hợp các cell, với mỗi cell chiếm giữ một nhóm
kênh. Khơng giống FCA, cấp phát kênh trong DCA thích ứng theo thời gian
nên DCA hiệu quả hơn FCA về mặt sử dụng tài nguyên và giảm tắc nghẽn.
[8]
Các giải thuật cấp phát tài nguyên vô tuyến FCA và DCA đã đuợc thực hiện
từ rất lâu. Tuy nhiên OFDMA là một kỹ thuật đa truy nhập mới có từ năm
2000 và ứng dụng của OFDMA trong các mạng vô tuyến băng thơng rộng,
tốc độ cao vẫn đang cịn được hồn thiện. Do đó vấn đề về OFDMA DCA vẫn
cịn có rất ít nghiên cứu đề cập đến.
Trong một số nghiên cứu gần đây, một số giải thuật đã được đưa ra để cấp
phát tài nguyên tối ưu trong hệ thống OFDMA [7] [9]. Tuy nhiên trong các
nghiên cứu này chưa đề cập đến vấn đề cân bằng trong quá trình cấp phát tài
ngun. Điều này có nghĩa là những người dùng có độ lợi kênh trung bình cao
hơn sẽ được cấp phát hầu hết tài nguyên. Trong khi đó những người dùng có
độ lợi kênh trung bình thấp có thể sẽ khơng nhận được bất kỳ dữ liệu gì do
hầu hết thời gian của các sóng mang phụ sẽ được ấn định cho các người dùng
có độ lợi kênh cao hơn.
Trong [10], vấn đề cân bằng đã được đề cập nhưng nghiên cứu giả định là tài
nguyên mạng lớn hơn nhiều so với yêu cầu của các người dùng do đó khơng


11

xảy ra trường hợp tắc nghẽn mạng. Trong khi đó, thực tế thì việc tắc nghẽn
mạng là có thể và thường xảy ra.
Do đó mục tiêu của đề tài là đưa ra giải thuật xem xét một cách hợp lý giữa

việc cấp phát tối ưu tài nguyên và cấp phát tài nguyên cân bằng giữa các
người dùng khác nhau, đồng thời đưa ra phương án làm giảm xác suất tắc
nghẽn mạng khi lưu lượng bùng nổ.
1.4. Tóm tắt nội dung luận văn
Nội dung luận văn được chia thành hai phần chính: Cơ sở lý thuyết về kỹ
thuật OFDM/OFDMA và kết quả mô phỏng. Nội dung của các chương trong
luận văn được tóm tắt như sau:
Chương 1 – GIỚI THIỆU: Trình bày sơ lược lịch sử phát triển của các
phương thức đa truy nhập, giới thiệu qua về phương thức đa truy nhập
OFDMA và mục tiêu của đề tài.
Chương 2 – KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN: Tìm hiểu đặc điểm của mơi
trường vơ tuyến trong thơng tin di động, trong đó chú trọng đến các đặc điểm
chính của kênh fading và các mơ hình thống kê vơ tuyến.
Chương 3 – LÝ THUYẾT OFDM/OFDMA: Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của
kỹ thuật OFDM và cấu trúc lớ p v ật lý O F D M A tro n g ch u ẩn W irelessM A N
IE E E 8 0 2 .1 6 .
Chương 4 – ỨNG DỤNG CỦA OFMDA – WIMAX: Trình bày những đặc
điểm chính trong hệ thống khơng dây WiMax và mối liên quan giữa OFDMA
và WiMax.
Chương 5 – MƠ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT: Trình bày một số hạn chế của các
nghiên cứu trước kia đồng thời đưa ra mơ hình và giải thuật mới trong việc
cấp phát tài nguyên trong hệ thống OFDMA.


12

Chương 6 – KẾT QUẢ MƠ PHỎNG: Trình bày kết quả mơ phỏng dựa trên
thuật tốn đã trình bày ở chương 5 và những nhận xét về kết quả. Kết quả mô
phỏng được viết bằng phần mềm Matlab.
Chương 7 – TỔNG KẾT: Đưa ra một số kết luận về luận văn và hướng phát

triển của đề tài.


13

PHẦN II

CƠ SỞ
LÝ THUYẾT


14

CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
T ro n g tru yề n d ẫn v ô tu yến , m ô i trư ờ n g k ên h tru yền có ản h h ư ở n g rất lớ n
đ ến ch ất lư ợ n g h ệ th ố n g th ô n g tin . K ên h tru yền v ô tu yến lu ô n lu ô n k h ô n g ổ n
đ ịn h v à th ư ờ n g tu ân th eo các q u i lu ật n g ẫ u n h iên , rất k h ó d ự đ o án h a y p h ân
tích ch ín h x ác. N ó g â y ra n h ữ n g ản h h ư ở n g , th iệt h ại k h ô n g thể lư ờ n g
trư ớ c đ ư ợ c, là m ch o cấ u trú c b ộ th u p h át v à các k ỹ th u ật sử a lỗ i n g à y càn g
p h ứ c tạp . K h i n g h iên cứ u tín h to án , n g ư ờ i ta ch ỉ có th ể x â y d ự n g các m ơ
h ìn h x ấp x ỉ m ộ t cách g ần đ ú n g n hất, p h ù h ợ p th eo các tiêu ch í đ ặt ra.
M ơ i trư ờ n g tru yề n v ô tu yến lu ô n có cơ n g trìn h c ao tần g , câ y c ố i, đ ồ i n ú i v à
x e cộ d i ch u yển . V ì v ậ y tín h iệ u k h i tru yền q u a sẽ b ị p h ả n x ạ, k h ú c x ạ,
n h iễu x ạ, tán x ạ, … là m ch o tín h iệu tại n ơ i n h ận b ị x ấu đ i k h ô n g n hư
m o n g đ ợ i. Ta x e m x ét các ản h h ư ở n g lên tín h iệu d ự a trên m ơ h ìn h L a rg e
scale fad in g v à m ơ h ìn h S m all scale fad in g .

H ình 2.1. T ru yền só n g qua m ơi trư ờ ng vơ tu yến
F ad in g g â y ra b ở i h ai h a y n h iều p h iên b ản củ a tín h iệu đ ư ợ c tru yề n tớ i b ộ
th u b ằn g n h iều co n đ ư ờ n g k h ác n h a u tại n h ữ n g th ờ i đ iể m k h ác n h au . S ó n g

15

v ô tu yến k h i tru yền q u a m ộ t k h o ản g c ách lớ n sẽ b ị ản h h ư ở n g b ở i cả
S m a ll scale fad in g v à Larg e scale fad in g . H iệ n tư ợ n g fad in g là m b iến đ ổ i
cư ờ n g đ ộ tín h iệu só n g m an g v ô tu yế n siêu cao tần th u đ ư ợ c d o sự th a y đ ổ i
m ô i trư ờ n g k h í q u yể n , m ư a gió tro n g đ ư ờ n g tru yền só n g . T ín h iệu n à y có
th ể rất k h ác n h au v ề b iên đ ộ v à p h a tu ỳ th u ộ c v à o sự p h â n b ố cư ờ n g đ ộ
củ a tín h iệu , th ờ i g ia n tru yền tư ơ n g đ ố i g iữ a cá c p h iên b ản v à đ ộ rộ n g p h ổ
củ a tín h iệu p h át.
2.1. Large – scale
L arg e sc ale fad in g ch ín h là sự su y h ao cô n g su ất d o đ ư ờ n g tru yền , x ét tro n g
m ô i trư ờ n g đ ịa lý lớ n .
2.1.1. Suy hao do khoảng cách
Tại anten phát, các sóng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là
sóng được mở rộng theo hình cầu).
Cơng thức trường điện từ của một sóng phẳng đơn sắc :

E ( R, t ) 

E0 R0
  R 
cos c  t   
R
c 
 

(2.1)

Trong đó:
R là khoảng cách truyền.
E0 là biên độ trường điện từ không gian tự do ở khoảng cách Ro
ωc là tần số của sóng.
c là vận tốc ánh sáng.
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. Cơng thức mật độ
thông luợng:


16

Pd 

PT GT
(W / m 2 )
2
4 R

(2.2)

Khẩu độ antenna tại nơi thu là:

GR  2
Ae 
4

(2.3)

PR  Pd Ae

(2.4)

Công suất thu bằng:

Ta có phương trình Friis mơ tả cơng suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua
một khoảng cách R:

  
PR  PT GT GR 
2 
 4 R 

(2.5)

Trong đó:
PR: Cơng suất tín hiệu thu (W)
PT: Cơng suất tín hiệu phát (W)
GR: Độ lợi anten thu.
GT: Độ lợi anten phát.
λ : Bước sóng của sóng mang.
R: Khoảng cách truyền
Hoặc có thể viết lại như sau:

PT  4 R  1 1  4  2 2 1 1



 R f
PR    GT GR  c 

GT GR
2

2

N h ư v ậ y h ệ số su y h ao d o v iệ c tru yền d ẫn tro n g k h ô n g g ian tự d o Lpt là:

(2.6)


17
L pt (dB )  PT (dB )  PR (dB )
 10 log GT  10 log GR  20 log f  20 log R  47.6dB

(2.7)

2.1.2. Sự ảnh hưởng của phản xạ
T ro n g th ự c tế, tín h iệu đ ến an ten n a th u th eo n h iều đ ư ờ n g k h ác n h au từ m ộ t
tín h iệu p h át. T rư ờ n g h ợ p tín h iệu b ị p h ản x ạ trên m ặ t đ ất, g ọ i là tín h iệu đ a
đ ư ờ n g th ẳn g đ ứ n g . P h ản x ạ th eo p h ư ơ n g n g an g tư ơ n g tự n h ư đ a đ ư ờ n g
th eo p h ư ơ n g th ẳn g đ ứ n g , đ ều là m su y g iả m tín h iệu trên đ ư ờ n g tru yền .
V í d ụ n h ư ta x ét m ơ h ìn h p h ản x ạ 2 tia. M ơ h ìn h 2 tia g ồ m m ộ t đ ư ờ n g
tru yền trự c tiếp d u y n h ất g iữ a p h ía p h át v à p h ía th u v à m ộ t đ ư ờ n g p h ản x ạ
m ạn h , th ư ờ n g là từ m ặ t đ ất. T rư ờ n g đ iệ n từ ch o tia trự c tiếp đ ư ợ c k ý h iệu
E d , v à trư ờ n g đ iện từ ch o tia p h ả n x ạ k ý h iệu E r . T rư ờ n g đ iện từ tổ n g cộ n g
ở b ộ th u là tổ n g c ủ a h ai trư ờ n g đ iện từ từ h ai đ ư ờ n g k h ác n h au n à y.
K h o ản g cách m à só n g lan tru yề n từ đ ư ờ n g trự c tiế p v à đ ư ờ n g p h ản x ạ lầ n
lư ợ t là d 1 v à d 2. G iả sử m ộ t sự p h ản x ạ h o àn to àn từ m ặt đ ất v ì v ậ y h ệ số
p h ản x ạ là -1 v à só n g p h ản x ạ n g ư ợ c p h a 1 8 0 o so v ớ i só n g tớ i. T rư ờ n g đ iện
từ tổ n g cộ n g là:

E (d , t ) 

E0 d 0
 d  Ed
 d 
cos c  t  1   0 0 cos c  t  2 
d1
c  d2
c 



(2.8)

Đ ộ lệch ∆ g iữ a d 1 v à d 2 là:

  d 2  d1 

ht  hr 

2

 d2 

ht  hr 

2

 d2

(2.9)

Giả sử rằng khoảng cách d phân cách giữa các antenna là rất lớn so với chiều
cao antenna ht và hr, ta có được xấp xỉ  

2ht hr
d

Sau một vài biến đổi, trường điện từ tổng cộng được xấp xỉ thành:


18

E (d , t ) 

2 E0 d 0 2 ht hr
d
d

(2.10)

Hình 2.2. Mơ hình 2 tia
Và cơng suất nhận là:

h h 
PR  PT GT GR  T 2R 
 d 

2

(2.11)

2.1.3. Suy hao do sự che khuất
K h i tru yền q u a v ô tu yến , tín h iệu lu ơ n b ị ch e k h u ất b ở i đ ồ i n ú i, n h à ca o
tần g , … g iữ a n ơ i p h át v à n ơ i th u , đ ặ c b iệt sự ch e k h u ất h a y g ặp ở các v ù n g
đ ô th ị. T ù y v ào tần số sử d ụ n g m à các tín h iệu v ơ tu yến n h iễu x ạ từ v ật ch e
ch ắn sẽ tạo ra các ản h m ờ củ a tín h iệu đ ằ n g sau các v ật n à y. T ần số th ấp sẽ
n h iễu x ạ n h iều h ơ n tần số cao . D o đ ó v ớ i tín h iệu tần số ca o đ ặc b iệt là U H F
v à só n g v i b a sẽ p h ải yêu cầu đ ư ờ n g tru yền th ẳn g đ ể đ ả m b ảo cư ờ n g đ ộ tín
h iệu . Đ ể k h ắc p h ụ c v ấn đ ề ch e k h u ất, b ộ p h át th ư ờ n g đ ặt ở lên càn g cao
cà n g tố t đ ể lo ại b ỏ số v ật ch e k h u ất.


19

2.2. Small scale fading
S m a ll scale fad in g là sự th a y đ ổ i đ ộ t n g ộ t v ề b iên đ ộ v à p h a củ a tín h iệu k h i
có sự th a y đ ổ i n h ỏ v ề k h o ản g cách g iữ a b ộ p h át v à b ộ th u . F ad in g ch ỉ là
cách g ọ i m ộ t cách rú t g ọ n đ ơ n g iản củ a S m all scale fad in g , k h i ản h h ư ở n g
củ a L arg e scale đ ư ợ c b ỏ q u a.
2.2.1. H iện tượng Doppler
K h i tru yền só n g , sự d i ch u yể n củ a b ộ p h át v à b ộ th u d ẫn đ ến d ịch tần số
D o p p ler. N g o ài ra, các v ật ch u yể n đ ộ n g tro n g m ô i trư ờ n g v ô tu yế n cũ n g
g â y n ên h iện tư ợ n g D o p p ler. H ìn h 2 .3 m ô tả sự d i ch u yển củ a b ộ th u đ an g
d i ch u yển v ớ i tố c đ ộ v . B ộ th u d i ch u yể n ở k h o ản g các h d tro n g th ờ i g ian
∆ t, v à đ ộ lệch v ề c h iều d ài đ ư ờ n g đ i tư ơ n g ứ n g là d .co sθ = v .∆ t.co sθ. P h a
th a y đ ổ i d o sự ch ên h lệch v ề đ ư ờ n g đ i là 2 π v .∆ t.co sθ/λ. D ịch tần số đ ư ợ c tìm
b ằn g cách ch ia ch o 2 π ∆ t.


d

Máy thu
v

H ình 2.3. M á y th u d i ch u y ển v ớ i v ận tố c v tạo m ộ t g ó c θ so v ớ i gó c tớ i
D ịch D o p p ler cự c đ ại f m sẽ x ả y ra k h i |cos θ| = 1, lúc đó fm = vfc/c, trong đó f c
là tần số só n g m an g . T ần số th u b iểu k iến sẽ là f c - f m n ếu b ộ n h ận đ a ng di
ch u yển trự c d iện v ề h ư ớ n g só n g đ ang đ ến h a y f c + f m n ếu n ó đ an g d i ch u yển
trự c diện th eo hư ớ n g ng ư ợ c lại. K h i m ộ t só n g sin đ ư ợ c tru yền đi, th a y v ì chỉ
bị d ịch m ộ t kh o ản g tần số d u y n h ất f d tại đ ầu th u , p h ổ củ a tín h iệu sẽ


20

k h o ản g rộn g từ f c - f m đế n f c + f m đư ợ c g ọi là p h ổ Do p p ler . S ử d ụ n g m ơ h ìn h
2 ch iề u v à giả sử g ó c đ ến củ a m ỗ i tín h iệu đ ư ợ c ch ọ n từ m ộ t p h ân b ố đ ồ n g
n h ất từ 0 đến 2π , p h ổ tại b ộ th u đ ư ợ c cho b ở i:
Y( f ) 
m

2s
, f  fc  fm
f  fc
1
fm

(2.12)

T ro n g đ ó s là cơ n g su ất nh ận tru n g b ìn h . N ếu f m rất n h ỏ p h ổ n h ận đ ư ợ c sẽ
rất hẹp, và khoảng Doppler có ít tác động lên tín hiệu nhận. Nếu băng thơng
tín h iệu lớ n h ơ n n h iều b ăn g thô n g D o p p ler B D = 2 f m thì tín hiệu ít ch ịu ản h
h ư ở n g củ a d ịch D o p p ler.
2.2.2. Các thông số của fading
2.2.2.1. T hông số tán xạ thời gian
Đ ể so sán h tín h chất củ a các kên h tru yề n d ẫn đ a đ ư ờ n g , n g ư ờ i ta sử d ụ n g
các thô n g số n hư độ trễ tru n g b ìn h v ư ợ t m ứ c, k h o ản g trễ hiệu d ụ n g . C ác
th ôn g số n à y có th ể đ ư ợ c tín h từ đ ặc tín h cơ n g su ất tru yề n tớ i b ộ th u củ a
các th àn h ph ần đ a đ ư ờ n g .
G iả sử m ộ t k ên h tru y ề n tĩn h , đ áp ứ n g x u n g củ a k ên h có thể đ ư ợ c biểu d iễn
n h ư sau :
N

h(t )   an (t   n )
n 1

(2.13)

T ro n g đ ó N là số đ ư ờ n g lan tru yền từ b ộ p h át tớ i b ộ th u , a n là b iên đ ộ v à τ n
là trễ th ờ i g ian củ a co n đ ư ờ n g th ứ n .
Đ ộ trễ tru n g b ìn h v ư ợ t m ứ c

 đ ư ợ c tín h n h ư sau :


21

N

 

a 
n 1
N

2
n n

 an2

(2.14)

n 1

S u y ra g iá trị tru n g b ìn h b ìn h p h ư ơ n g c ủ a τ:
N

2 

a 
n 1
N

2 2
n n

a
n 1

2
n

(2.15)

Từ đó, khoảng trễ hiệu dụng được tính như sau:

st  t 2  t 2

(2.16)

2.2.2.2. B ăng thông kết hợp
B ăn g th ô n g k ết h ợ p B c, đ ư ợ c đ ịn h n g h ĩa là k h o ản g tần số m à k ên h tru yề n
có th ể đ ư ợ c co i là “p h ẳn g ”, n g h ĩa là k ên h tru yề n ch o q u a tất cả các th àn h
p h ầ n có p h ổ n ằ m tro n g k h o ản g tần số đ ó v ớ i đ ộ lợ i g ần n h ư n h a u v à p h a
g ần n h ư tu yến tín h . B ăn g th ô n g k ết h ợ p là d ải tần số m à tro n g đ ó k ên h v ẫn
g iữ b iên đ ộ có g iá trị h ằn g số .
B ăn g th ô n g k ết h ợ p B C tro n g đ ó h à m tư ơ n g q u an g iữ a các tín h iệ u có tần
số tro n g k h o ả n g n à y ở m ứ c trên 9 0 % đ ư ợ c x ấp x ỉ là:
Bc 

1
50 t

(2.17)

C ò n đ ố i v ớ i h à m tư ơ ng q u an trên 5 0 % , b ăn g th ô n g k ết h ợ p B C là:

Bc 

1
5 

(2.18)


22

Đ â y là ch ỉ n h ữ n g ư ớ c lư ợ n g v ì k h ơ n g có m ộ t m ố i q u an h ệ chín h x ác n ào
g iữ a k h o ả n g trễ v à b ăn g th ô n g k ết h ợ p .
2.2.2.3. K hoảng Doppler và thời gian kết hợp
K h o ản g trễ v à b ăn g th ô n g k ết h ợ p là các th ô n g số m ô tả b ản ch ất tá n x ạ
th ờ i gian củ a k ên h tru yền n h ư n g lại k h ô n g cu n g cấp th ô n g tin về sự th a y đ ổ i
tín h ch ất th eo th ờ i g ian củ a k ên h d o sự d i ch u yển tư ơ n g đ ố i g iữ a M S v à B S
h o ặ c d o sự d i ch u yển củ a các v ật th ể k h ác tro n g m ô i trư ờ n g tru yền d ẫn .
K h ái n iệ m k h o ản g D o p p ler v à th ờ i g ian k ết h ợ p là n h ữ n g th ô n g số m ô tả
b ản ch ất th a y đ ổ i th eo th ờ i gian củ a k ên h tru yền .
K h i m ộ t só n g sin tầ n số f đ ư ợ c tru yền đ i, p h ổ tín h iệu n h ận đ ư ợ c, g ọ i là
p h ổ D o p p ler, sẽ có các th àn h p h ần n ằ m tro n g k h o ản g tần số f c -f d đ ến f c + f d
v ớ i f d là đ ộ d ịch tần d o h iệu ứ n g D o p p ler. L ư ợ n g p h ổ đ ư ợ c m ở rộ n g p h ụ
th u ộ c v ào f d, là m ộ t h à m th eo v ận tố c tư ơ n g đ ố i củ a M S v à g ó c g iữ a
h ư ớ n g d i ch u yể n củ a M S v à h ư ớ n g củ a só n g tín h iệu tớ i M S . K h i đ ó ,
k h o ản g D o pp ler, B D, đ ư ợ c đ ịn h n g h ĩa là k h o ản g tần số m à p h ổ Do p p ler
n h ận đ ư ợ c là k h ác k h ô n g . B D là th ô n g số đ o sự m ở rộ n g p h ổ g â y ra bở i sự
th a y đ ổ i th eo th ờ i g ian củ a k ê n h v ô tu yế n d i đ ộ n g .
T h ờ i g ian kết h ợ p , T c, ch ín h là đ ố i n g ẫ u tro n g m iề n th ờ i g ia n củ a k h o ản g
Do p p le r, d ù n g đ ể m ô tả sự tán x ạ tần số v à b ả n ch ất th a y đ ổ i th eo th ờ i g ian
củ a k ên h tru yề n . T h ờ i g ian k ết h ợ p là tỉ lệ n g h ịch v ớ i k h o ản g D o p p ler f m
(cũ n g là B D):

Tc 

1
fm

(2.19)

N ếu n gh ịch đ ảo b ăn g th ôn g củ a tín h iệu b ăn g tần gố c nh ỏ h ơ n th ời gian k ết
h ợp th ì k ên h tru yề n sẽ th a y đ ổ i tro n g su ố t th ờ i g ian tru yề n tín h iệu v à d o đ ó


23

g â y m éo ở b ộ th u .
T h ật ra, th ờ i g ian k ết h ợ p là khoảng th ờ i g ian m à đ áp ứ n g x u n g củ a k ên h
tru yền k h ô n g th a y đ ổ i ( k h o ản g th ờ i g ia n m à 2 tín h iệu có tư ơ n g q u an v ớ i
n h au v ề b iên đ ộ ). N ếu th ờ i g ian k ết h ợ p đ ư ợ c đ ịn h n g h ĩa l à th ờ i g ian m à
h à m tư ơ n g q u an th ờ i g ian lớ n h ơ n 0 .5 , k h i đ ó th ờ i g ian k ết h ợ p đ ư ợ c đ ịn h
n g h ĩa n h ư sau :

Tc 

9
16 f m

(2.20)

K ết h ợ p 2 cô n g th ứ c trên ta có :

Tc 

9
0.423

2
16 f m
fm

(2.21)

ở đ â y f m là đ ộ d ịch Do p p le r cự c đ ại: f = v /λ
T ó m lại, ý n g h ĩa củ a th ờ i g ian k ết h ợ p n g ụ ý rằn g 2 tín h iệu đ ến b ộ th u k h á c
n h au m ộ t k h o ản g th ờ i g ian T c sẽ b ị ản h h ư ở n g k h ác n h au b ở i k ên h tru yền .
2.2.3. Các loại kênh truyền fading
T u ỳ th u ộ c v à o m ố i q u an h ệ g iữ a các th ô n g số củ a tín h iệu v à các th ơ n g số
củ a k ên h tru yền m à tín h iệu tru yề n b ị ản h h ư ở n g c ác lo ại fad in g k h ác n h au ,
có 4 lo ại n h ư p h â n lo ại d ư ớ i đ â y.


24

2.2.3.1. Phân loại dựa trên khoảng trễ
Fading dựa trên trải trễ thời gian đa đường

Fading phẳng
1. BW của tín hiệu
< BW của kênh
2. Trải trễ
< thời gian ký hiệu

Fading chọn lọc tần số
1. BW của tín hiệu
> BW của kênh
2. Trải trễ
> thời gian ký hiệu

Hình 2.4. Fading phẳng và fading chọn lọc tần số
P h ổ củ a tín h iệu tru yền có b ăn g th ơ n g n h ỏ h ơ n b ăn g th ô n g k ết h ợ p củ a k ên h
tru yền v à ch u k ỳ k ý tự lớ n h ơ n k h o ản g trễ củ a k ên h tru yền th ì sẽ b ị ch ịu
fadin g p h ẳn g . C á c đ ặc tín h củ a p h ổ củ a tín h iệu tru yề n đ ư ợ c b ảo to àn , m ọ i
th àn h p h ần tần số củ a tín h iệu đ ư ợ c tru yề n q u a k ên h sẽ chịu sự su y g iả m
v à d ịch p h a g ần n h ư n h au n h ư n g cư ờ n g đ ộ tín h iệu th u lại th ay đ ổ i th eo th ờ i
gian , d o sự th ă n g g ián g th eo đ ộ lợ i k ê n h g â y ra b ở i đ a đ ư ờ n g . T h eo th ờ i
g ian , tín h iệu th u sẽ kh ác n h au th eo cá c đ ộ lợ i n h ư n g p h ổ tín h iệ u k h ơ n g
đ ổ i. K ên h tru yề n fa d in g p hẳn g đ ư ợ c x e m n h ư là kê n h th a y đ ổ i b iên đ ộ v à
cũ n g cò n đ ư ợ c g ọ i là k ên h tru yề n b ăn g h ẹp .
N g ư ợ c lại là k ên h fad in g ch ọ n lọ c tần số , n h ữ n g th àn h p h ần tần số k h ác
n h au củ a tín hiệu đ ư ợ c tru yền đ i sẽ ch ịu sự su y g iả m v à d ịch p h a k h ác n h au .
T ín h iệu th u b ị m é o b ởi v ì n ó g ồ m n h iều p h iên b ản k h ác n h au củ a tín h iệ u
tru yền , m ỗ i p h iên b ản có đ ộ su y g iả m v à trễ k h ác n h au . Đ ố i v ớ i n h ữ n g k ên h
n à y, sẽ có n h ữ n g sự b iến đ ộ n g đ án g k ể tro n g đ áp ứ n g tầ n số tro n g d ải b ăn g ,
v à th ô n g th ư ờ n g có n h ữ n g đ iể m k h ô n g tro n g đ áp ứ n g tần số , ở đ ó k ên h su y
g iả m đ án g k ể các p h ần củ a p h ổ . C h u k ỳ k ý tự tru yền b ị trả i rộ n g ra tro n g
m iền th ờ i g ian , ch ồ n g lắp lên các k ý tự k ế c ận , sin h ra n h iễu liên k ý tự IS I.


25

K ên h tru yề n fad in g ch ọ n lọ c tần số cò n đ ư ợ c g ọ i là k ên h tru yề n b ăn g rộ n g
b ở i v ì b ăn g th ơ n g tín h iệu tru yền lớ n h ơ n b ăn g th ô n g k ết h ợ p củ a k ên h .

2.2.3.2. Phân loại dựa trên độ dịch Doppler
Fading dựa trên trải Doppler

Fading nhanh
1. Trải Doppler cao
2. Thời gian kết hợp
< Thời gian ký hiệu
3. Sự thay đổi kênh nhanh
hơn sự thay đổi tín hiệu
băng tần gốc.

Fading chậm
1. Trải Doppler thấp
2. Thời gian kết hợp
> Thời gian ký hiệu
3. Sự thay đổi kênh chậm
hơn sự thay đổi tín hiệu
băng tần gốc.

H ình 2.5. F ad in g n h an h v à fad in g ch ậ m
T ố c đ ộ th a y đ ổ i tín h iệu b ă n g tần g ố c so v ớ i tố c đ ộ th a y đ ổ i củ a k ên h sẽ
q u yết đ ịn h m ộ t k ên h là fad in g ch ậ m h a y là fad in g n h an h . T ro n g k ên h
fadin g n h anh , đ áp ứ n g x u n g củ a k ên h th a y đ ổ i n h an h h ơ n ch u k ỳ k ý h iệu
p h át (th ờ i g ian k ết h ợ p n h ỏ h ơ n ch u k ỳ k ý h iệu ). Đ iều n ày g â y ra h iện
tư ợ n g p h ân tán tần số d o sự p h ân tán D o p p ler v à g â y m éo tín h iệ u . Đ ư ờ n g
b ao củ a tín h iệu n h ận đ ư ợ c có fad in g n h an h thư ờ n g th eo p h ân b ố R a yleig h
h o ặc R ician . M ộ t tro n g các lý d o g â y ra fad in g n h an h là c ác tán x ạ só n g v ơ
tu yến x u n g q u an h m á y th u d i đ ộ n g , k h i đ ó các b iến đ ộ n g tro n g k ên h th ô n g
tin ở tro n g tầ m v ài p h ầ n củ a g iâ y tớ i v ài g iâ y. F ad in g n h an h n h iều đ ư ờ n g
th ư ờ n g c ó tác đ ộ n g x ấu tớ i cá c th a m số củ a tín h iệu – rõ n h ất là d ạn g só n g

củ a tín h iệu , n ó g â y m éo p h ổ , m é o sư ờ n x u n g , m é o b iên tần , b iê n p h a, m éo
trễ n h ó m … v à ản h h ư ở n g n g h iê m trọ n g đ ế n ch ấ t lư ợ n g h ệ th ố n g . T ro n g
th ự c tế fad in g n h an h chỉ x ả y ra v ớ i tố c đ ộ d ữ liệ u th ấp . C ò n fadin g ch ậ m