NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG
HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Mã số: T2017-07-03

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phan Thị Quỳnh Hương

Đà Nẵng, Tháng 12 / 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG
HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Mã số: T2017-07-03

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Đà Nẵng, Tháng 12 / 2017

Chủ nhiệm đề tài


i

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... ii
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................................... v
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC
CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ........................................ 1
2.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI..................................................... 1

3.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .......................................................................... 1

4.

ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................ 2

5.

CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................... 2

6.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................. 2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .............. 3
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ............................................................................ 3
1.2. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
[5], [10].............................................................................................................. 3
1.2.1. Công nghệ di động thế hệ thứ 1 (1G) ............................................. 3
1.2.2. Công nghệ di động thế hệ thứ 2 (2G) ............................................. 4
1.2.3. Công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) ............................................. 5
1.2.4. Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G) ............................................. 6
1.3. KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN [1], [10].................................................... 7
1.3.1. Giới thiệu về truyền sóng vơ tuyến ................................................. 7
1.3.2. Mơ hình truyền dẫn quy mơ lớn...................................................... 8
1.3.3. Mơ hình truyền dẫn quy mô nhỏ ................................................... 10
1.3.4. Một số loại nhiễu........................................................................... 21
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................ 22
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG MIMO- OFDM ..................................................... 23
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .......................................................................... 23


ii

2.2. DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYÊN VÔ TUYẾN [2], [4], [7], [8], [11],
[12] .................................................................................................................. 23
2.2.1. Hệ thống SISO .............................................................................. 23
2.2.2. Hệ thống SIMO ............................................................................. 24
2.2.3. Hệ thống MISO ............................................................................. 24
2.2.4. Hệ thống MIMO............................................................................ 25
2.2.5. Hệ thống đa người dùng ................................................................ 26

2.3. MƠ HÌNH MIMO TỔNG QT [3], [9], [10]....................................... 28
2.4. Hệ thống OFDM-MIMO .......................................................................... 29
2.4.1. Truyền dữ liệu sử dụng đa sóng mang .......................................... 29
2.4.2. Thực hiện rời rạc đa sóng mang .................................................... 32
2.4.3. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) .................... 37
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................ 39
CHƯƠNG 3. CÁC KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG
MIMO-OFDM .................................................................................................... 40
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG........................................................................ 40
3.2. TỔNG QUAN KỸ THUẬT SDMA ...................................................... 40
3.3. TỔNG QUAN KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA ....................................... 41
3.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................. 41
3.3.2 Phân loại các kỹ thuật tiền mã hóa................................................. 43
3.3.3 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ....................... 44
3.4. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA ZERO FORCING.................................. 45
3.5. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA BLOCK DIAGONALIZATION .......... 47
3.6. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA DIRTY PAPER CODING .................... 50
3.7. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TOMLINSON-HARASHIMA ............. 53
3.8. LỰA CHỌN THUÊ BAO ..................................................................... 56
3.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................... 57
CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ .................... 58
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .......................................................................... 58


iii

4.2. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ........................................................................ 59
4.3. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT .................................................................... 60
4.3.1. Khảo sát BER của các kỹ thuật tiền má hóa tuyến tính ................ 60
4.3.2. Khảo sát BER của các kỹ thuật tiền mã hóa ................................. 61

4.3.3. Khảo sát BER của các kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến ................. 62
4.3.4. Khảo sát BER của các kỹ thuật khi thay đổi số thuê bao ............. 63
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................ 65
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......................................... 66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 67


i

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: FDMA ............................................................................................... 4
Hình 1.2:TDMA ................................................................................................ 5
Hình 1.3: CDMA ............................................................................................... 6
Hình 1.4: SDMA ............................................................................................... 6
Hình 1.5: Ba cơ chế truyền sóng cơ bản: Phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ. ................ 9
Hình 1.6: Mơ tả hiệu ứng Doppler .................................................................. 12
Hình 1.7: Phân loại pha đinh quy mơ nhỏ....................................................... 17
Hình 1.8: Đặc tính kênh truyền pha đinh phẳng ............................................. 18
Hình 1.9: Đặc tính kênh truyền chọn tần ........................................................ 19
Hình 2.1: Hệ thống SISO ................................................................................ 23
Hình 2.2: Hệ thống SIMO ............................................................................... 24
Hình 2.3: Hệ thống MIMO nxm ..................................................................... 25
Hình 2.4: Máy phát đa sóng mang. ................................................................. 31
Hình 2.5: Máy thu đa sóng mang. ................................................................... 32
Hình 2.6: Tiền tố lặp có độ dài .................................................................... 35
Hình 2.7: ISI giữa các khối dữ liệu trong tín hiệu ngõ ra. .............................. 36
Hình 2.8: Hệ thống phát – thu OFDM ............................................................ 39
Hình 3.1: Trạm gốc với anten định hướng ...................................................... 41
Hình 3.2: Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA .............................................. 41
Hình 3.3: Mơ hình hệ thống sử dụng SDMA đơn giản................................... 42

Hình 3.4: Mơ hình hệ thống SDMA-OFDM .................................................. 44
Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống ZF ........................................................................... 46
Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính ............................................ 59
Hình 4.2: Lưu đồ thuật tốn tính BER của hệ thống ...................................... 60
Hình 4.3: BER của các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính ................................. 61
Hình 4.4: BER của các kỹ thuật tuyến tính và phi tuyến ................................ 62
Hình 4.5: BER của kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến. ....................................... 63
Hình 4.6: BER của kỹ thuật ZF khi thuê bao thay đổi.................................... 64
Hình 4.7: BER của kỹ thuật DPC khi thuê bao thay đổi................................. 65


ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động cải
tiến

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BEM

Basis E xpansion M odel

Mơ hình cơ sở mở rộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

CDMA

Code Division
Access

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh
truyền

CSIT

Channel State Information at Thông tin trạng thái kênh

Transmitter
truyền tại máy phát

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DoF

Degress of free

Bậc tự do

EGC

Equal gain combining

Kết hợp độ lợi bằng nhau

ETSI

European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn thông
Standards Institude
Châu Âu

FDM

Frequency Division Multiplexing

FDMA

Frequency
Access

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GSM

Global System for Mobile
Communication

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

Multiplexing

Division

Đa truy cập phân chia theo mã

Ghép kênh phân chia theo tần
số

Multiple Đa truy cập phân chia theo tần
số


iii

ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh ngược

IMTS

Improved Mobile Telephone
Service

Dịch vụ điện thoại di động cải
tiến

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

ITU

International Telecommunication
Hiệp hội viễn thông quốc tế
Union

LOS

Light of Sight

Đường truyền thẳng

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MAP

Maximum-A-Posteriori

MGC

Maximum gain combining

Kết hợp độ lợi lớn nhất

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Đa ngõ vào đa ngõ ra

MISO

Multiple input Single Output

Đa ngõ vào một ngõ ra

ML

Maximum Likelihood

Khả giống cực đại

MS

Mobile Station

Trạm thuê bao

MSE

Mean Square Error

Lỗi bình phương trung bình

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access

Đa truy cập phân chia theo tần
số trực giao

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ vng góc

SC

Selection Diversity

Phân tập chọn lựa


iv

SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
không gian

SIMO

Single Input Multiple Output

Một ngõ vào đa ngõ ra

SISO

Single Input Single Output

Một ngõ vào một ngõ ra

SNR

Signal to Noise Rate

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời
gian

TIA

Telecomunication Industry
Association

Hiệp hội Công nghiệp Viễn
thống

UMTS

Universal Mobile
Telecommunnication System

Hệ thống thông tin di động đa
năng.

W-CDMA

Wideband CDMA

Đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng


v

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ
THỐNG MIMO-OFDM
- Mã số: T2017-07-03
- Chủ nhiệm: ThS. Phan Thị Quỳnh Hương
- Thành viên tham gia:
- Cơ quan chủ trì: Trường Cao đẳng Cơng nghệ thơng tin
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 04/2017 đến thàng 12/2017
2. Mục tiêu: Nghiên cứu lý thuyết và áp dụng xây dựng chương trình mơ phỏng
các kỹ thuật tiền mã hóa trong mơ hình truyền dẫn MIMO đa người dùng, đưa ra
nhận xét và đánh giá.
3. Tính mới và sáng tạo: So sánh và đánh giá ưu nhược điểm của các kỹ thuật tiền
mã hóa trong hệ thống MU-MIMO.
4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Kỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại
bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten
thu trong cùng một thuê bao đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng của
hệ thống MIMO-OFDM đang được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn
thơng tốc độ cao.
Trong q trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM, báo
cáo đã tập trung vào các phương pháp phổ biến như ZF, BD, DPC, TH. Bên cạnh
đó, báo cáo cũng trình bày về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô
tuyến nhằm có cái nhìn tồn diện hơn về hệ thống MIMO-OFDM. Ngoài ra báo cáo
cũng đề cập đến kỹ thuật SDMA, một kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không


vi

gian, góp phần giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa
đường, tăng dung lượng hệ thống. Hiện nay SDMA được sử dụng rộng rãi và mang

lại lợi ích to lớn.
5. Tên sản phẩm: Chương trình mơ phỏng các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống
MU-MIMO.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng: Đề tài này có thể được dùng làm cơ sở nghiên cứu khoa học, giảng dạy,
hướng dẫn sinh viên.
7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Hình 4.4: BER của các kỹ thuật tuyến tính và phi tuyến


vii

Hình 0.1: BER của kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến.


viii

Hình 4.6: BER của kỹ thuật ZF khi thuê bao thay đổi.

Hình 4.7: BER của kỹ thuật DPC khi thuê bao thay đổi


ix

Cơ quan chủ trì

Đà Nẵng, ngày tháng năm
Chủ nhiệm đề tài

1

MỞ ĐẦU
1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA
ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa nước nhà như hiện nay, ngành
thơng tin di động đóng một vai trị hết sức quan trọng. Sự phát triển với tốc độ
chóng mặt về cả số lượng thuê bao lẫn chất lượng dịch vụ đã đóng góp đảng kể
vào việc liên lạc thơng tin kinh tế - chính trị - xã hội của nước nhà. Và việc áp
dụng các kĩ thuật truyền thông không dây tiên tiến là một nguyên nhân mấu chốt
cho sự thành công.
Một loại hệ thống kênh truyền được sử dụng khá phổ biến trong thời gian
những năm gần đây, bởi sự hiệu quả và thiết thực, đó là hệ thống MIMO, hệ
thống cho thấy tính thực tế bởi việc thiết lập và xây dựng trên mơ hình đa người
dùng, và đa anten phát ở trạm phát. Điều này làm cho hiệu quả kênh truyền tăng
lên đáng kể. Trong đó kĩ thuật tiền mã hóa đóng một vai trị cơ bản để tăng chất
lượng tín hiệu kênh MIMO.
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Một loại hệ thống kênh truyền được sử dụng khá phổ biến trong thời gian
những năm gần đây, bởi sự hiệu quả và thiết thực, đó là hệ thống MIMO, hệ
thống cho thấy tính thực tế bởi việc thiết lập và xây dựng trên mơ hình đa người
dùng, và đa anten phát ở trạm phát. Điều này làm cho hiệu quả kênh truyền tăng
lên đáng kể. Trong đó, kĩ thuật tiền mã hóa đóng một vai trị cơ bản để cải thiện
khả năng nhận tín hiệu của máy thu, cải thiện hiệu suất sử dụng tín hiệu kênh
MIMO. Vì vậy, đề tài này sẽ tìm hiểu, nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa trong
hệ thống MIMO-OFDM.
3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
 Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật tiền mã hóa.

2

 Áp dụng mơ phỏng lý thuyết trong mơ hình truyền dẫn MIMO, đưa
ra nhận xét, đánh giá.Nghiên cứu và áp dụng lý thuyết sử dụng thông tin kênh
truyền trễ vào mơ hình truyền dẫn MIMO đa người dùng.
4. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
 Đối tượng nghiên cứu:
o Hệ thống MIMO-OFDM
o Các kỹ thuật tiền mã hóa
 Phạm vi nghiên cứu:
Kênh truyền MIMO, đồng thời giả sử các kênh truyền fading phẳng độc lập
và phân bố đều.
5. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp luận xuyên suốt của đề tài là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và
mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:
-

Dẫn dắt vấn đề từ các khái niệm cơ bản trong kênh truyền SISO, MIMO,
OFDM.

-

Nguyên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa ZF, BD, DPC, THC.

-

Ứng dụng các kỹ thuật trên trong hệ thống MIMO.
Sử dụng phần mềm chuyên dụng (Matlab) để mơ phỏng mơ hình.

6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Các khái niệm cơ bản trong kênh truyền SISO, MIMO, OFDM.
-

Các kỹ thuật tiền mã hóa.
Thực hiện mơ phỏng các mơ hình trên, phân tích so sánh.
Viết báo cáo tổng kết đề tài.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG

QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Trong chương này, ta sẽ nghiên cứu về sự phát hiện của mạng thơng tin di
động và tình hình chung của mạng di động hiên nay. Trong phần này cịn trình bày
những khái niệm và một số vấn đề gây ảnh hưởng đến tín hiệu trong kênh truyền vơ
tuyến.

1.2. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG
[5], [10]
Vào cuối những năm 1940, dịch vụ điện thoại vô tuyến đầu tiên đã ra đời và
đây là dịch vụ thiết kế cho người sử dụng trên xe hơi. Sau đó, hệ thống điện thoại di
động cải tiến (IMTS) ra đời vào những năm 1960 bởi Bell Systems đã mang lại một
số cải tiến như gọi trực tiếp và có băng thơng lớn hơn. Nhiều hệ thống tương tự đầu
tiên dựa trên IMTS ra đời vào cuối những năm 1960, đầu 1970. Các hệ thống này
được gọi là ‘tế bào’ vì một vùng phủ sóng lớn được chia thành các khu vực nhỏ
hơn, gọi là ‘tế bào’. Mỗi tế bào được cung cấp bởi một máy phát, máy thu có cơng

suất thấp.

1.2.1. Cơng nghệ di động thế hệ thứ 1 (1G)
Hệ thống di động thế hệ thứ nhất là một hệ thống tương tự, được phát triển
vào những năm 1970. Thế hệ đi động đầu tiên này có hai cải tiến lớn, đó là sự ra
đời của bộ vi xử lý và bộ chuyển đổi số của đường liên kết điều khiển giữa điện
thoại và trạm tế bào. Hệ thống điện thoại di động cải tiến (AMPS) đầu tiên được
đưa vào sử dụng tại Hoa Kỳ cũng là một hệ thống di động 1G. Cơng nghệ chính
được sử dụng trong 1G là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), công nghệ
này cho phép thực hiện cuộc gọi thoại trong một quốc gia.
FDMA, đa truy cập phân chia theo tần số, là hệ thống tương tự phổ biến
nhất. Đối với kỹ thuật này, phổ tín hiệu sẽ được chia thành nhiều dải tần con, và
mỗi dải tần gán cho một người sử dụng. Tại một thời điểm, chỉ có một người sử


4

dụng gán cho một tần số. Vì thế khi đó, tần số đó sẽ bận cho đến khi cuộc gọi kết
thúc, hoặc nếu có cuộc gọi khác thì sẽ sử dụng tần số khác. Đối với cuộc gọi thông
thường, sẽ cần hai tần số, một tần số để gửi, và một tần số để nhận. FDMA chỉ được
sử dụng trọng hệ thống tương tự thế thế đầu tiên, bởi vì sự lãng phí băng thơng như
đã nói ở trên.

Hình 1.1: FDMA

1.2.2. Công nghệ di động thế hệ thứ 2 (2G)
Công nghệ di động thế hệ thứ hai xuất hiện vào cuối những năm 1980. Các
hệ thống 2G đã thực hiện số hóa tín hiệu thoại và đường liên kết điều khiển. Hệ
thống số mới này mang mang chất lượng tốt hơn và nhiều dung lượng kênh truyền
hơn (Ví dụ: Cho phép nhiều người hơn sử dụng điện thoại cùng lúc mà khơng bị rớt

cuộc gọi), chi phí thấp hơn tại các đầu cuối tiêu thụ. Cơng nghệ chính trong 2G là
đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA). Mạng thương mại đầu tiên ứng dụng
TDMA cho sử dụng công cộng là Truyền thơng di động cho hệ thống tồn cầu
(GSM).
TDMA, đa truy cập phân chia theo thời gian sẽ sử dụng tồn bộ phổ tần.
TDMA khơng chia thành các dải tần, mà chia theo thời gian, thành các khe thời
gian trên tất cả các tần số. Mỗi người dùng sẽ được cấp một khe thời gian. Vì vậy,
nhiều người dùng có thể sử dụng chung một tần số, nhưng có khe thời gian khác
nhau. TDMA được sử dụng nhiều trong mạng 2G.


5

Hình 1.2:TDMA

1.2.3. Cơng nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G)
Hệ thống di động thế thế thứ ba hứa hẹn mạng lại các dịch vụ thông tin liên
lạc như thoại, fax, khả năng truyền dữ liệu qua Internet nhanh hơn. Mục tiêu chính
của 3G là cung cấp các dịch vụ mọi lúc, mọi nơi trên toàn thế giới, với hệ thống
chuyển vùng liền mạch giữa các tiêu chuẩn. IMT-2000 của ITU là một tiêu chuẩn
toàn cầu cho hệ thống 3G và cho phép các dịch vụ và ứng dụng sáng tạo, như giải
trí đa phương tiện, các dịch vụ dựa trên địa điểm,… Tại Nhật, Mạng 3G đầu tiên
được khải triển vào năm 2001. Cơng nghệ 3G có thể hỗ trợ 144 Kbps với tốc độ di
chuyển cao của phương tiên, 384 Kbps tại địa phương và 2Mbps cho các trạm cố
định.
3G đã khởi đầu như thế nào? Ý tường đầu tiên không phải đến từ các nhà
điều hành mạng, mà đến từ các nhà sản xuất thiết bị. Năm 1996, NTT (Nippon
Telephone & Telegraph) và Erission bắt đầu phát triển 3G, sau đó vào năm 1997 tại
Hoa Kỳ, Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông (TIA - Telecomunication Industry
Association) đã chọn CDMA (đa truy cập phân chia theo mã) là kỹ thuật chính sử

dụng trong 3G. Vào năm 1998, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI European telecommunicaitons Standards Institude) cũng chọn CDMA làm công
nghệ phát triển. Cũng vào năm 1998, hệ thống viễn thơng di động tồn cầu (UMTS)
đã phát triển kỹ thuật CDMA băng rộng (W-CDMA) và CDMA2000.
Hai tiêu chuẩn vơ tuyến chính sử dụng trong 3G là W-CDMA và
CDMA2000. W-CDMA được sử dụng ở Châu Âu, còn CDMA2000 được sử dụng
tại USA. Đối với kỹ thuật CDMA, một tín hiệu mang dữ liệu, sau đó được nhân với


6

tín hiệu có tốc độ cao hơn, băng thơng lớn hơn, ở đây sử dụng ghép kênh phân chia
theo thời gian (TDM). CDMA2000 sử dụng ghép kênh phân chia theo mã (CDM).
CDMA, đa truy cập phân chia theo mã sử dụng phương pháp trải phổ. Khác
với FDMA, CDMA cho phép người dùng sử dụng tất cả các tần số có sẵn cùng lúc.
Mỗi cuộc gọi sẽ được gán cho một mã riêng biệt, vì thế mới có tên là ‘phân chia
theo mã’. CDMA rất hiệu quả về băng thông. CDMA cịn có thể trao đổi thơng tin
với nhiều hơn một trạm cùng lúc. Vì thế nó được chọn để sử dụng trong hệ thống
3G.

Hình 1.3: CDMA

1.2.4. Cơng nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G)
Thông tin di động thế hệ thứ tư sẽ mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so
với hệ thống 3G. Dự đoán, tốc độ dữ liệu của hệ thống 4G tăng lên đến 100 Mbps
đối với phương tiện di chuyển và 1Gbps đối với các trạm cố định.
Các kỹ thuật được sử dụng trong mạng 4G là OFDM, SDMA,…

Hình 1.4: SDMA
SDMA là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian. Kỹ thuật này sử
dụng các hướng (góc) khác nhau trong khơng gian tín hiệu, sau đó được phân kênh

7

và gán cho người dùng khác nhau. Kỹ thuật này thường được thực hiện với các
anten định hướng (hình 1.4).

1.3. KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN [1], [10]
Kênh truyền vơ tuyến đưa ra những giới hạn về chất lượng của các hệ thống
thông tin không dây. Đường truyền giữa máy phát và máy thu có thể thay đổi từ
dạng đơn giản như đường truyền thẳng của ánh sáng, hoặc là các đường bị cản bởi
tòa nhà, núi và xe cộ,… Trong khi kênh truyền có dây có tính chất đứng n và có
thể dự đốn được, cịn kênh truyền khơng dây là các thơng số ngẫu nhiên và biên độ
của tín hiệu có thể bị giảm bởi các vật thể di động trong khơng gian. Mơ hình hóa
kênh truyền vơ tuyến là một trong những khó khăn trong việc thiết kế hệ thống vô
tuyến di động, và thường được thực hiện với mơ hình thống kế với các thơng số đặc
trưng cho từng hệ thống.

1.3.1. Giới thiệu về truyền sóng vơ tuyến
Các cơ chế truyền sóng điện từ rất đa dạng, nhưng thường là do phản xạ,
nhiễu xạ, tán xạ. Hầu hết các hệ thống vô tuyến tế bào hoạt động ở khu vực đô thị,
đây là khu vực đông đúc nên sẽ khơng có các đường truyền thẳng của ánh sáng giữa
máy phát và máy thu. Sự hiện diện của các tòa nhà cao sẽ gây là hao tổn nhiễu xạ.
Hoặc do sự phản xạ khi gặp các vật cản, làm cho các sóng điện từ sẽ truyền trong
nhiều đường khác nhau đến đến máy thu. Sự tương tác giữa các sóng này gây nên
hiện tượng đa đường, và biên độ của sóng giảm khi khoảng cách giữa máy phát và
máy thu tăng lên.
Mơ hình truyền dẫn thường tập trung vào việc dự đốn tín hiệu thu trung
bình tại một khoảng cách so với máy phát và sự thay đổi của cường độ tín hiệu ở
khơng gian gần khu vực đang xét. Mơ hình truyền dẫn sẽ dự đốn cường độ tín hiệu

với khoảng cách theo khoảng cách máy phát – máy thu để ước lượng khu vực hội tụ
vô tuyến của máy phát, gọi là mơ hình truyền dẫn quy mơ lớn, vì ta thực hiện đặc
trưng hóa cường độ tín hiệu theo khoảng cách máy phát – máy thu (khoảng hàng
trăm, hàng ngàn mét). Ngược lại, mơ hình truyền dẫn đặc trung cho sự dao động


8

nhanh của biên độ tín hiệu thu trên khoảng cách truyền ngắn (vài bước sóng) hoặc
trong thời gian truyền ngắn, được gọi là mơ hình truyền dẫn quy mơ nhỏ, hay mơ
hình pha đinh. Khi người dùng di chuyển trên một khoảng cách nhỏ, tín hiệu thu tức
thời sẽ dao động nhanh, gây ra pha đinh quy mô nhỏ.

1.3.2. Mô hình truyền dẫn quy mơ lớn
 Mơ hình truyền dẫn trong khơng gian tự do
Mơ hình truyền dẫn trong khơng gian tự do được sử dụng để dự đoán biên độ
tín hiệu thu khi khơng gian giữa máy phát và máy thu khơng có vật cản, tức là chỉ
có đường truyền thẳng giữa chúng. Hệ thống thông tin vệ tinh và các đường liên kết
vơ tuyến LOS vi sóng điển hình cũng dựa trên mơ hình truyền dẫn trong khơng gian
tự do này. Hầu hết mơ hình truyền dẫn quy mơ lớn đều dự đốn cơng suất thu là
hàm theo khoảng cách giữa máy phát – máy thu. Công suất không gian tự do nhận
được tại anten thu cách anten phát một khoảng d được biểu diễn theo phương trình
khơng gian tự do Friis như sau:
[1-1]

Trong đó,

là cơng suất phát,

máy thu – máy phát,

là công suất thu theo hàm khoảng cách

là độ lợi anten phát,

cách giữa máy thu – máy phát theo đơn vị mét,
do truyền dẫn (
vào khẩu độ hiệu dụng

,

là độ lợi anten thu,

là khoảng

là hệ số hao tổn hệ thống khơng

là bước sóng theo đơn vị mét. Độ lợi của anten phụ thuộc
như sau:
[1-2]

Khẩu độ hiệu dụng
thuộc vào tần số sóng mang:

phụ thuộc vào kích thước vật lý của anten.

phụ


9

[1-3]

Trong đó
đơn vị radian/giây,

là tần số sóng mang theo đơn vị Hz,

là tần số sóng mang theo

là vận tốc ánh sáng theo đơn vị mét/giây.

Theo phương trình 1-1 cho thấy cơng suất tín hiệu thu sẽ giảm theo bình
phương khoảng cách máy phát – máy thu.
Suy hao đường truyền, biểu diễn cho sự suy hao tín hiệu. Đây là một đại
lượng dương tính theo đơn vị dB, là sự khác nhau (theo dB) giữa công suất truyền
và công suất thu hiệu dụng. Suy hao đường truyền đối với mơ hình khơng gian tự
do như sau:
[1-4]

 Ba cơ chế truyền sóng cơ bản
Ba cơ chế truyền sóng cơ bản ảnh hưởng đến truyền dẫn đối với hệ thống
truyền dẫn di động gồm phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ. Công suất thu là thơng số quan
trọng nhất được dự đốn thơng qua mơ hình truyền dẫn quy mơ to dựa trên tính chất
vật lý của phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ.

Hình 1.5: Ba cơ chế truyền sóng cơ bản: Phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ.
Tín hiệu thu thực sự trong mơi trường vơ tuyến khơng dây thường mạnh hơn
so với tín hiệu được dự đốn, khơng chỉ là do hiện tượng phản xạ và nhiễu xạ. Khi
sóng vơ tuyến truyền đến các bề mặt thô, năng lượng phản xạ sẽ trải rộng theo tất cả

các hướng, dẫn đến sự tán xạ. Các vật thể như cột đèn, cây cối có xu hướng làm cho


10

năng lượng tán xạ theo mọi hướng, tạo thêm năng lượng vơ tuyến tại máy thu. Tóm
tại, tán xạ xảy ra khi sóng truyền qua mơi trường gồm các vật cản có kích thước nhỏ
hơn so với bước sóng như bề mặt thơ, và có số lượng lớn vật cản trên một đơn vị
thể tích.

1.3.3. Mơ hình truyền dẫn quy mô nhỏ
Thuật ngữ ‘Pha đinh quy mô nhỏ’ được dùng để chỉ dao động nhanh của biên
độ của tín hiệu vô tuyến trong một khoảng thời gian ngắn, hoặc khoảng cách truyền
ngắn, vì vậy suy hao đường truyền quy mơ lớn khơng đang kể trong trường hợp
này. Do cách tính chất của truyền dẫn sóng truyền trong khơng gian sẽ tạo rất nhiều
phiên bản của tín hiệu truyền đến máy thu ở các thời điểm khác nhau, gây ra nhiễu
lẫn nhau, tạo ra pha đinh. Những sóng này, gọi là sóng đa đường, cùng kết hợp tại
anten thu, làm cho tín hiệu thu được có độ biến đổi biên độ và pha rộng.
 Truyền đa đường quy mô nhỏ
Truyền đa đường trong kênh truyền vô tuyến sẽ gây ra hiệu ứng pha định quy
mơ nhỏ. Có ba loại hiệu ứng quan trọng nhất sau:
- Biên độ tín hiệu thay đổi nhanh trong khoảng cách truyền nhỏ, khoảng thời
gian nhỏ.
- Điều chế tần số ngẫu nhiên do dịch Doppler khác nhau ở các tín hiệu đa
đường khác nhau.
- Phân tán thời gian do trễ truyền đa đường.
Khi truyền trong khu đô thị cao ốc thường xảy ra pha đinh vì chiều cao của
các anten đi động thường thấp hơn chiều cao của các cấu trúc xung quanh, vì vậy sẽ
khơng có đường truyền thẳng từ anten đến các trạm gốc. Thậm chí ngay cả khi
đường truyền thẳng tồn tại, hiện tượng đa đường vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất

và các cấu trúc xung quanh. Sóng vơ tuyến đến với nhiều hướng khác nhau sẽ có
những độ trễ khác nhau. Sóng đến bao gồm các sóng phẳng có biên độ, pha, góc
đến phân bố ngẫu nhiên, Các thành phần đa đường này sẽ kết hợp tại anten thu, và
có thể làm cho tín hiệu thu tại trạm di động bị sai lệch. Nếu trạm thu đứng yên, thì


11

tín hiệu thu vẫn có thể chịu ảnh hường của pha đinh do sự di chuyển của các vật thể
trên kênh truyền.
 Các yếu tố ảnh hưởng pha đinh quy mơ nhỏ
Có nhiều yếu tố vật lý trên kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến pha định
quy mô nhỏ, bao gồm:
- Truyền đa đường
- Tốc độ di chuyển
- Tốc độ của vật thể xung quanh
- Băng thơng truyền của tín hiệu
 Dịch Doppler
Giả sử thiết bị di động với vận tốc khơng đổi

dọc theo đường có khoảng

cách d giữa điểm X và Y, trong khi nó sẽ nhận tín hiệu từ trạm gốc S (hình 1.2). Độ
chênh lệch giữa các độ dài đường dẫn từ điểm S đến điểm X và Y là
, trong đó
từ X đến Y, và

là thời gian cần thiết để thiết bị di chuyển

được giả sử là giống nhau tại điểm X và Y vì ta giả định nguồn S

ở rất xa. Sự thay đổi pha của tín hiệu thu do độ dài đường truyền thay đổi là:
[1-5]

Và sự thay đổi về tần số, gọi là dịch Doppler, ký hiệu là

, với:
[1-6]

Biểu thức 1.6 nêu lên mối liên hệ giữa dịch Doppler và vận tốc di chuyển và
góc giữa hướng di chuyển và hướng truyền đến của sóng. Ta có thể thấy rằng, nếu
thiết bị di chuyển về hướng truyền đến của sóng, dịch Doppler là một số dương, cịn
nếu di chuyển ngược hướng truyền thì dịch Doppler sẽ là một số âm.