bao cao tttn
TRANSCRIPT
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG
-----------o0o----------
BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT
VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Thoa
Lớp : CNVT-K7
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Hoàng Quang Trung
Thái Nguyên, ngày 4 tháng 3 năm 2013
1
MỤC LỤC
TỪ VIẾT TẮT...................................................................................................................6
DANH SÁCH HÌNH VẼ...................................................................................................9
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................10
Chương 1.........................................................................................................................12
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN...............................................................12
1.1. Giới thiệu..........................................................................................................12
1.2. Kênh thông tin vô tuyến....................................................................................13
1.2.1.Kênh tạp âm AWGN.....................................................................................13
1.2.2.Kênh fading đa đường...................................................................................16
1.2.2.1.Hiệu ứng Doppler (fading nhanh)....................................................17
1.2.2.2.Hiện tượng trải trễ............................................................................19
1.2.3.Kênh fading Rayleigh...................................................................................19
1.2.4.Phân bố Rice.................................................................................................22
1.3. Các phương pháp phân tập................................................................................23
1.3.1.Phân tập thời gian..........................................................................................24
1.3.2.Phân tập tần số..............................................................................................25
1.3.3.Phân tập phân cực.........................................................................................25
1.3.4.Phân tập không gian......................................................................................26
Chương 2. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT..........................................................28
2.1. Giới thiệu phân tập...................................................................................................28
2.2. Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát..............................................................29
2.2.1. Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT)..................................................................29
2.2.2. Phân tập phát giữ chậm................................................................................31
2.2.3. Phân tập phát không gian – thời gian...........................................................31
2.2.3.1. Alamouti STBC 2x1.........................................................................31
2.2.3.2. Alamouti STBC 2x2..........................................................................38
2.3. Chương trình đánh giá và mô phỏng........................................................................44
2.3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng MATLAB.................................................44
2.3.2. Chương trình mô phỏng...............................................................................45
Chương 3.............................................................................................................................
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PHÁT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN....48
3.1. Phát phân tập trong mạng LTE.................................................................................48
2
3.1.1. Giới thiệu......................................................................................................48
3.1.2. Kỹ thuật phát phân tập trong LTE................................................................50
3.2. Phát phân tập trong mạng Wimax............................................................................54
3.2.1. Giới thiệu Wimax.........................................................................................54
3.2.2. Đặc điểm của Wimax...................................................................................55
3.2.3. Ứng dụng đa anten phát trong Wimax.........................................................56
TỔNG KẾT.....................................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................62
3
TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
TẮT
TÊN TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT
3GPP Third Generation
Partnership Project
Nhóm cộng tác 3GPP
AAS Adaptive multi-antenna
systems
Hệ thống đa anten thích
nghi
AES Advance Encryption
Standard
Chuẩn mật mã tiên tiến
ADSL Asymmetric Digital
Subscriber Line
Mạng thuê bao số bất đồng
bộ
AWGN Additive White Gauss
Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
tính
BTS Base Transmission Station Trạm phát cơ sở
BER. Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit
BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng
thông rộng
BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân
CCIR Consultative Committee
on international Radio
Ủy ban tư vấn quốc tế vô
tuyến
DES Data Encryption Standard Chuẩn mật mã dữ liệu
DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số
EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi
FEC Forward Error Correction
FDD Frequency division duplex Ghép kênh phân chia tần số
FD Frequency Diversity Phân tập tần số
4
GSM Global System for Mobile
Communications
Truyền thông di động cho hệ
thống toàn cầu
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện các kỹ sư điện, điện
tử quốc tế
MMSE Minimum Mean Square
Error
Sai số trung bình bình
phương tối thiểu
MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra
MS Mobile Station Trạm di động
MRC Maximal-ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa
MLD Maximum Likelihood
Detector
Quyết định khả năng cực
đại
MLSE Minimum Likelihood
Sequence Estimator
Bộ san bằng ước lượng
chuỗi tối ưu
MRT Maximal Rate
Transmission
Phân tập phát tỷ lệ tối đa
MU-MIMO Multi User MIMO MIMO đa người dùng
LTE Long Term Evolution Sự phát triển trong tương
lai xa
LoS Light of Sight Tầm nhìn thẳng
N-LOS None Light of Sight Tầm không nhìn thẳng
OFDMA Orthogonal Frequency-
Division Multiple Access
Đa truy nhập ghép kênh
phân chia theo tần số trực
giao
OFDM Orthogonal Frequency-
Division Multiple
Ghép kênh phân chia tần số
trực giao
PAM Pulse Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ pha
PD Polarization Diversity Phân tập phân cực
5
PDF Probability Density
Function
Mật độ phân bố xác suất
RD Receiver Diversity Phân tập thu
SC Selective Combining Kết hợp lựa chọn
SD Space Diversity Phân tập không gian
SDMA Space Division
Multiplexing Access
Truy nhập ghép kênh phân
chia không gian
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
STBC Space – Time Block Code Mã hóa khối không gian
thời gian
STC Space Time Code Mã hóa không gian thời
gian
SU-MIMO Singer User MIMO MIMO đơn người dùng
TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền
dẫn
Time Diversity Phân tập thời gian
Tranmission Diversity Phân tập phát
TDD Time division duplex Ghép kênh phân chia thời
gian
QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ
QPSK Quadrature Phase Shift
Keying
Khóa dịch pha cầu phương
Wimax Wordwide Interoperability
for Microware Access
Công nghệ truy nhập
không dây băng rộng
6
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin.......................................................14
Hình 1.2 : Mô tả tạp âm Gauss........................................................................................16
Hình 1.3 : Hàm mật độ xác suất Gauss với ...........................................................16
Hình 1.4: a) Hàm mật độ phổ công suất..........................................................................17
b) Hàm tự tương quan......................................................................................17
Hình1.5: Hàm phân bố của tạp âm AWGN.....................................................................18
Hình 1.6: Mô hình truyền sóng đa đường........................................................................19
Hình 1.7: Hàm truyền đạt của kênh.................................................................................20
Hình 1.8. Mật độ phổ của tín hiệu thu.............................................................................21
Hình 1.9. Hiện tượng trải trễ............................................................................................21
Hình 2.1. Bộ phân tập MRT có N nhánh phân tập với các đường phản hồi...................32
Hình 2.2. Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập......................................33
Hình 2.3. Mô hình hệ thống băng gốc.............................................................................34
Hình 2.4. Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu......................................35
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc Alamouti STBC trường hợp 2 x2............................................41
Hình 2.6. Môi trường làm việc của MATLAB................................................................47
Hình 2.7. Chất lượng BER của BPSK trên kênh fading Rayleigh khi sử dụng phân tập
phát 48
Hình 3.2. Ghép kênh không gian.....................................................................................53
Hình 3.3 . Ghép kênh không gian trong khung hoạt động đa anten LTE (NL=3, NA=4).54
Hình 3.5. Mô hình ứng dụng đa anten trong Wimax.......................................................56
Hình 3.7. Mô hình 2 anten phát 1 anten thu....................................................................59
7
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ
thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử
dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn... Hệ thống thông
tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp
ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai do đó việc ra đời và ứng
dụng của những công nghệ mới tiên tiến hơn là điều dễ nhận thấy.
Một trong những giải pháp đưa ra nhằm nâng cao chất lượng truyền thông
tin cũng như nâng cao tốc độ truyền dữ liệu để đáp ứng được nhu cầu truy nhập
đa phương tiện băng rộng ngày nay, người ta có thể sử dụng nhiều giải pháp, một
trong những giải pháp đó là sử dụng kỹ thuật phân tập anten vào việc thu và phát
tín hiệu. Ở đề tài này em xin trình bày về đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật phân
tập phát và ứng dụng trong thông tin vô tuyến” kỹ thuật phát phân tập là kỹ
thuật sử dụng nhiều anten ở phía phát để phát tín hiệu, phương pháp này có ưu
điểm là nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu, giảm công suất phát, bảo vệ nguồn
xử lý và giảm chi phí thiết kế, đơn giản và dễ thực hiện, tăng độ tin cậy của thông
tin.
Nội dung tìm hiểu của đề tài gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề
sau:
Chương 1: Tổng quan về thông tin vô tuyến
Chương 2: Các kỹ thuật phát phân tập
Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật phát phân tập trong thông tin vô tuyến
Do nhiều mặt còn hạn chế, đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang
nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi
những sai sót. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các
bạn đọc để đề tài này được hoàn thiện hơn.
8
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Thạc sỹ Hoàng
Quang Trung và các thầy cô giáo trong bộ môn công nghệ điện tử và truyền
thông đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn..!
Thái Nguyên, ngày 4 tháng 3 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Thị Thoa
9
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Giới thiệu
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp
thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin
vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho
cuộc sống hiện đại. Hình 1.1 là sơ đồ khối chức năng của một hệ thống truyền tin
cơ bản gồm nguồn tin, kênh tin và nhận tin.
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền
là một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Chất
lượng của hệ thống thông tin phụ thuộc chủ yếu vào kênh truyền, nơi mà các tín
hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu. Không giống như kênh truyền hữu
tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu
nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi qua kênh
truyền vô tuyến bị cản trở bởi các tòa nhà, cây cối, núi đồi…gây ra phản xạ, tán
xạ, nhiễu xạ…các hiện tượng này gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu ta
thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng
đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó việc nắm vững những đặc tính
của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể lựa chọn một cách thích
hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối
ưu của hệ thống. Ở chương này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về các kênh thông tin vô
tuyến như kênh AWGN, kênh fading đa đường, kênh fading Rayleigh, kênh
Rice…và các phương pháp phân tập trong thông tin vô tuyến nhằm nâng cao
dung lượng của kênh truyền và chất lượng của hệ thống thông tin.
Nguồn tin Kênh tin Nhận tin
10
1.2. Kênh thông tin vô tuyến
1.2.1. Kênh tạp âm AWGN
Tạp âm là các tín hiệu không mong muốn trong thông tin vô tuyến. Tạp âm
làm giảm khả năng tách chính xác của các tín hiệu phát, làm giảm tốc độ truyền
dẫn thông tin. Tạp âm được tạo từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng được phân làm
2 loại chính là tạp âm tự nhiên và tạp âm nhân tạo. Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ
các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên xuất
hiện trong các linh kiện điện tử, thiết kế mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho
phép loại bỏ hoặc giảm nhỏ tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay
dùng các phương pháp lọc. Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể
loại bỏ đó là tạp âm nhiệt. Tạp âm nhiệt xuất hiện do sự dao động của các hạt
điện tích trong linh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện
khác. Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên đặc
tính thống kê Gauss theo định lý giới hạn trung tâm. Vì vậy tạp âm nhiệt có thể
mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng 0. Ví dụ :
Tạp âm Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai được miêu tả
như ở hình 1.2
Hình 1.2 : Mô tả tạp âm Gauss
Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá trình
ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau:
11
Hình vẽ 1.3 biểu diễn hàm mật độ xác suất PDF Gauss với giá trị trung bình
bằng không ( ) và độ lệch chuẩn
Hình 1.3 : Hàm mật độ xác suất Gauss với
Tạp âm trắng: Là một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt, có mật độ xác
suất như nhau tại mọi tần số. Tức là, nó là một nguồn tạp âm phát ra một lượng
công suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng:
như mô tả ở hình dưới. Hệ số trong công thức trên chỉ bằng Gn(f) là một hàm mật
độ phổ công suất 2 phía còn N0 là mật độ phổ công suất tạp âm. Tạp âm với công
suất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (white noise).
Hình 1.4: a) Hàm mật độ phổ công suất
b) Hàm tự tương quan
12
Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của
mật độ phổ công suất tạp âm cho bởi:
Như vậy, hàm tự tương quan của tạp âm trắng là một hàm xung delta tại τ
=0 được nhân với trọng số N0/2. Để ý rằng Rn(τ) = 0 với mọi τ ≠ 0 nên bất kỳ hai
mẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với nhau bất kể
chúng gần nhau đến mức nào. Do tạp âm nhiệt được cộng với tín hiệu nên nó còn
được gọi là tạp âm cộng (additive noise). Tổng hợp các đặc tính của tạp âm nhiệt
ở trên chúng ta có thể tóm tắt lại rằng tạp âm nhiệt trong các hệ thống thông tin là
tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White Gauss Noise).
Hình1.5: Hàm phân bố của tạp âm AWGN
1.2.2. Kênh fading đa đường
Fading là hiện tượng thăng giáng cường độ tín hiệu tại máy thu do tác động
của môi trường, như sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóng
ngắn, sự hấp thụ gây bởi các phần tử nước, khí, mưa…sự tán xạ, khúc xạ…làm
ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu truyền.
Hình vẽ 1.6 mô tả một đường liên lạc giữa anten trạm gốc (BS: Base
Station) và anten trạm di động (MS: Mobile Station). Xung quanh MS có rất
nhiều vật phản xạ như nhà, cây, đồi núi…trong khi xung quanh BS lại có rất ít
13
hoặc không có các vật phản xạ do anten trạm gốc BS được đặt trên cao. Các vật
phản xạ này gọi chung là vật tán xạ. Liên lạc giữa BS và MS thông qua nhiều
đường (path) mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu đến máy thu là
tín hiệu tổng hợp từ tất cả các đường này. Do các đường có biên độ, pha và độ trễ
khác nhau, nên tín hiệu truyền qua các đường có thể kết hợp với nhau một cách
có lợi hoặc không có lợi, tạo nên một sóng đứng ngẫu nhiên. Hiện tượng này
được gọi là truyền sóng fading đa đường. Kênh truyền sóng kiểu này được gọi là
fading đa đường.
Hình 1.6: Mô hình truyền sóng đa đường
1.2.2.1. Hiệu ứng Doppler (fading nhanh)
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu như trình bày ở hình 1.7. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín
hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số
Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là ,
khi đó tần số Doppler của tuyến này là:
14
Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì
tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
Hình 1.7: Hàm truyền đạt của kênh
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ
ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số
Doppler được biểu diễn như sau:
Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.8
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra
năm 1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích
như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được
15
2
max
01
f
ff
A
0 các trường hợp còn lại
nếu
=
sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai
phía với độ dịch là fD,max như hình ở 1.8. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự
đồng bộ của nhiều hệ thống.
Hình 1.8. Mật độ phổ của tín hiệu thu
1.2.2.2. Hiện tượng trải trễ
Trễ (delay) là thời gian tính từ khi bắt đầu truyền cho tới khi nhận xong một
tin hay một tín hiệu. Delay spread là lượng tăng của trễ truyền do tín hiệu truyền
đi theo nhiều đường khác nhau. Ví dụ: Trong thông tin di động, tín hiệu lan
truyền tới điểm thu theo nhiều đường khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ tại
các chướng ngại. Giả sử đầu phát phát đi một xung cực hẹp, tại đầu thu khi đó
không chỉ nhận được một xung mà là một cụm xung. Lượng trải trễ delta D như
trong hình 1.9:
Hình 1.9. Hiện tượng trải trễ
1.2.3. Kênh fading Rayleigh
16
Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả
thời gian và tần số. Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ
tuân theo phân bố Rayleigh nếu môi trường truyền dẫn thỏa mãn các điều kiện
sau:
Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa là
không có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội.
Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu khác
nhau
Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm
nhìn thẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với tuyến khác. Xác
suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice.
Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiều
phiên bản của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố
khác. Pha của tín hiệu nhận được là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay
đổi ngẫu nhiên trong khoảng [0, 2 ]. Từ lí thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng
sóng nhận được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải. Vì vậy hàm pdf của các
thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung
bình bằng không và phương sai đồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm. Hình
bao pdf của chúng theo phân bố Rayleigh:
(1.4)
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ
tách đường bao (evelope detection). σ2 là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R
cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
17
Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:
Và phương sai (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
Giá trị hiệu dụng của đường bao là (căn bậc hai của giá trị trung bình
bình phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:
Hình 1.10. Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong
trường hợp tín hiệu Rayleigh fading. Chú ý rằng giá trị median thường được sử
dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi
trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào.
Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so
sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.10
minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh.
1.2.4. Phân bố Rice
18
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực
tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần LoS: light-of-sight)
với công suất vượt trội. Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong
trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc
khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách
đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần một chiều vào
các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống như trong trường hợp dò sóng sin
trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt
trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm
cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu
tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy,
phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight
mất đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là
tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các
thành phần đa đường:
Hay viết dưới dạng dB:
k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
19
Khi A → 0, k 0 ( dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ,
phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất
của phân bố Ricean.
Hình 1.11. Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice
1.3. Các phương pháp phân tập
Phân tập (diversity) là một phương pháp dùng trong viễn thông, dùng để
nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống
nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn một trong số
những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt
nhất. Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu do những kênh truyền khác nhau
sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau. Người ta có thể sử dụng mã sửa
lỗi FEC (forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc
truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB.
Hay nói chính xác phân tập là kỹ thuật giúp cho phía thu (MS hoặc BTS) cải
thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu
đa đường đến từ cùng một nguồn phát. Tùy thuộc vào từng công nghệ phân tập
được thực hiện ở MS hoặc BTS.
Tùy theo miền (domain) ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụng trong
thông tin vô tuyến có thể được phân loại:
- Theo cách thức triển khai:
20
Phân tập thu (Receiver Diversity)
Phân tập phát (Tranmission Diversity )
- Theo kỹ thuật phân tập:
Phân tập thời gian (Time Diversity)
Phân tập tần số (Frequency Diversity)
Phân tập phân cực (Polarization Diversity)
Phân tập không gian (Space Diversity)
1.3.1. Phân tập thời gian
Do tính chất ngẫu nhiên của fading, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh
hưởng của fading ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về
thời gian sẽ không tương quan với nhau. Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời
điểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường
truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian. Khoảng thời gian cần thiết để
đảm bảo thu được các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu tối thiểu là
thời gian đồng bộ (coherence time) của kênh truyền. Đối với thông tin di động,
khoảng thời gian đồng bộ này là:
Tb = c/2vfc
Trong đó:
c=3x108 m/s là tốc độ ánh sáng
v là tốc độ di chuyển của máy di động
fc là tần số sóng mang
Ví dụ: Với các máy di động làm việc ở tần số 800Mhz và di chuyển với tốc
độ 50Km/h, thời gian đồng bộ Tc=13,5ms.
Để tạo ra Md nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyền đi tại Md khe thời
gian. Vì vậy, khoảng thời gian giữ chậm cần thiết để truyền đi tại Md nhánh phân
tập là Md.c/2vfc. Đối với truyền dẫn tín hiệu thoại, tốc độ lấy mẫu cần thiết ít nhất
21
là 8kHz. Đồng thời, để đảm bảo độ rộng xung truyền nằm trong băng tần truyền
dẫn, chúng ta chỉ có thể sử dụng tối đa Md = 50 nhánh phân tập. Do thời gian
cách biệt tỷ lệ nghịch với tốc độ di chuyển nên khác với các phương pháp phân
tập khác, phương pháp phân tập thời gian không có ý nghĩa trong trường hợp
máy di động đứng yên.
Gần đây, trong các hệ thống thông tin di động hiện đại, mã sửa lỗi được sử
dụng kết hợp với phương pháp xen kẽ tín hiệu (interleaving) để tạo nên một
phương pháp phân tập thời gian mới. Do thời gian xen kẽ dài sẽ gây nên độ giữ
chậm giải mã lớn, nên phương pháp này chỉ thích hợp đối với các kênh fading
biến động nhanh.
Nhược điểm: của phương pháp phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu suất
băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian vì bên thu phải chờ một khoảng
thời gian để xử lý tín hiệu.
1.3.2. Phân tập tần số
Giống như phương pháp phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số là
chúng ta sử dụng một tập hợp các tần số để truyền đi cùng một tín hiệu. Khoảng
cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài băng tần đồng bộ (coherence
bandwidth) để đảm bảo fading ứng với các tần số sử dụng không tương quan với
nhau. Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ đo được vào khoảng 500kHz,
vì vậy khoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1-2 MHz.
Trong thông tin di động hiện đại, phân tập tần số còn có thể nhận được
thông qua việc sử dụng các kỹ thuật điều chế đa sóng mang hay sử dụng phương
pháp nhảy tần.
Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự tiêu tốn phổ tần. Ngoài
ra do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sử dụng một
máy thu phát cao tần riêng.
1.3.3. Phân tập phân cực
22
Nghiên cứu cho thấy tín hiệu được truyền đi trên 2 phân cực trực giao trong
môi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập. Vì vậy, hai phân
cực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực. Do chỉ tồn tại
hai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo
được chỉ là hai. Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất tín
hiệu phát cần phải chia đều cho hai nhánh, và vì vậy chất lượng tín hiệu thu được
cũng bị suy giảm đi 2 lần hay 3 dB.
1.3.4. Phân tập không gian
Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng anten
được sắp xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập.
Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần
số. Khoảng cách giữa hai anten đặt cách nhau nửa bước sóng λ/2
Hình 1.12: Mô hình phân tập không gian.
Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten.
Phân tập không gian gồm có:
Phân tập anten phát
Phân tập anten phát là phân tập sử dụng nhiều anten ở phía phát, thông tin
được đưa đến tất cả các anten và truyền đến phía thu. Sử dụng phân tập phát ta
thu được độ lợi phân tập phát, tăng dung lượng truyền dữ liệu, giảm công suất
phát.
Phân tập anten thu
Tín hiệu vào
x(nT)
x(nT)
x’(nT)
combination(nT)
Y1(nT)Y2(nT)
H11
H12
23
Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao
độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng
SNR và giảm fading đa đường.
Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảm hiệu
suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần số, dễ sử dụng, và trên lý thuyết không có
sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập. Do có các ưu điểm nói trên, phương
pháp phân tập không gian đã được nghiên cứu rộng rãi từ năm 1927 đến tận ngày
nay. Các nghiên cứu về phân tập không gian tập trung chủ yếu vào các kỹ thuật
kết hợp tín hiệu phân tập. Trong các phần tiếp sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ
hơnvề phương pháp phân tập phát.
Chương 2
24
CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT
2.1. Giới thiệu phân tập
Phân tập là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ
tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên
nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu
được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm
chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và
nhiễu khác nhau. Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward error
correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà
ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB. Hay nói cách khác, phân
tập (diversity) là kỹ thuật giúp cho phía thu (trong thông tin di động là MS hoặc
BTS) cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tín
hiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát. Phân tập được thực hiện tại cả
MS lẫn BTS tuỳ công nghệ cụ thể.
Trong các hệ thống thông tin di động hiện nay, nhiều anten thu được sử
dụng cho các trạm thu phát cơ sở với mục đích là khử nhiễu đồng kênh và giảm
thiểu ảnh hưởng của fading, ví dụ trong mạng GSM nhiều anten được sử dụng tại
trạm thu cơ sở BTS để tạo ra phân tập thu đường lên, bù đắp cho công suất
truyền tương đối thấp từ trạm di động. Điều này cải thiện chất lượng và độ rộng
của đường lên. Nhưng trong trường hợp đường xuống việc này rất khó khăn, do
các thiết bị di động được thiết kế rất nhỏ gọn, vì vậy việc này khó đảm bảo cho
việc lắp các anten đảm bảo điều kiện cách nhau nửa bước sóng. Đối với đường
xuống, sẽ là thực tế nếu như xem xét cân nhắc với phân tập phát. Sẽ dễ dàng lắp
đặt nhiều anten phát trên trạm thu phát và cũng dễ dàng sử dụng các nguồn ngoài
cho nhiều anten phát.
Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý của các bộ thu và kết quả là
các cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp hơn và chi phí thấp hơn.
25
Hơn thế nữa, phân tập phát có thể kết hợp với phân tập thu để tăng chất lượng
của hệ thống.
Ngược lại phân tập thu mà chúng ta đang sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống di động tổ ong, phân tập phát vẫn còn nhận được rất ít sự chú ý do việc
thực hiện phân tập anten phát là khác rất nhiều so với phân tập anten thu và việc
khai thác phân tập phát cũng có những khó khăn:
- Thứ nhất: Các tín hiệu phát từ nhiều anten sẽ được trộn với nhau về mặt
không gian trước khi tới được các bộ thu, hệ thống yêu cầu bổ sung thêm một số
bộ xử lý tín hiệu ở cả phía thu và phía phát để tách được các tín hiệu thu và lợi
dụng được phân tập.
- Thứ hai: Phía thu thường ước lượng được các kênh fading còn phía phát
thì không giống như ở phía thu, không có được các thông tin tức thời về kênh nếu
như không có thông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát.
Tuy nhiên phân tập phát có khả năng làm tăng đáng kể dung lượng và chất
lượng của kênh.
Trong chương này, chúng ta đi tìm hiểu về các kỹ thuật phát như kỹ thuật
phân tập phát tỷ lệ tối đa MRT, kỹ thuật phân tập phát giữ chậm, kỹ thuật phân
tập phát không gian – thời gian đối với trường hợp Alamouti 2x1 (2 anten phát và
1 anten thu), và trường hợp Alamouti 2x2 (2 anten phát và 2 anten thu), và
chương trình mô phỏng bằng MATLAB để so sánh chất lượng BER và SNR của
hai trường hợp Alamouti 2x2 và trường hợp Alamouti 2x1.
2.2. Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát
2.2.1. Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT)
Phương pháp phân tập phát tỷ lệ tối đa MRT là các tín hiệu trên các nhánh
phân tập sk được nhân với các trọng số phát tương ứng wn:
(n Є {1,2,3…,N})
26
sau đó truyền tất cả các tín hiệu được nhân với trọng số này thông qua N anten
phát. Hệ số chuẩn hóa C được chọn sao cho tổng công suất phát đi từ N anten
phát bằng một giá trị cho trước, thông thường đặt bằng C= cho đơn giản.
Chú ý: Để tìm được ma trận trọng số wn ta phải đi tìm đáp ứng kênh truyền
hn để tìm được hn ta có các phương pháp sau:
Máy thu ước lượng hn và gửi thông tin hn về cho máy phát. Phương pháp
này đòi hỏi phải có kênh phản hồi từ máy thu về máy phát. (Hình 2.1)
Hình 2.1. Bộ phân tập MRT có N nhánh phân tập với các đường phản hồi
Sử dụng tính chất nghịch đảo của các kênh truyền lên (uplink) và kênh
truyền xuống (downlink). Thực tế là các hệ thống phân chia theo tần số (FDD) có
khoảng cách tần số thu và phát nhỏ (nhỏ hơn độ rộng băng tần của kênh truyền),
thì các hệ số kênh truyền lên và kênh truyền xuống rất tương quan với nhau. Do
đó chúng ta có thể sử dụng các kênh truyền hn ước lượng được ở kênh truyền lên
như là các hệ số trọng số phát wn.
Bộ phân tập phát tỷ lệ tối đa MRT cho chúng ta về độ lợi phân tập. Tuy
nhiên, do tổng công suất phát được chuẩn hóa thành đơn vị, nên bị tổn hao về
phẩm chất lỗi BER.
27
2.2.2. Phân tập phát giữ chậm
Phân tập phát giữ chậm được thực hiện bằng cách: Các bản sao của tín hiệu
sk được truyền tới máy thu tại các thời điểm khác nhau và thông qua các anten
phát khác nhau.
Hình 2.2. Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập
Các tín hiệu giữ chậm được máy thu coi như các tín hiệu đa đường. Vì vậy
để tách được các tín hiệu phát, máy thu sử dụng một bộ san bằng ước lượng
chuỗi tối ưu MLSE hay một bộ san bằng sai số bình phương trung bình tối thiểu
MMSE để đạt được độ lợi phân tập N.
Ưu điểm: Phương pháp phân tập phát giữ chậm cho độ lợi phân tập ở cấp độ N.
Mà không yêu cầu phải mở rộng băng tần, cũng như cần phản hồi từ máy thu.
Một ưu điểm khác của phương pháp này là nó có thể áp dụng trực tiếp cho các
kênh đa đường để thu được thêm độ lợi phân tập đường (path diversity). Phương
pháp này được coi là trường hợp đơn giản của mã xoắn không gian – thời gian
được đề xuất gần đây.
2.2.3. Phân tập phát không gian – thời gian
2.2.3.1. Alamouti STBC 2x1
28
Kỹ thuật phân tập này vô cùng đơn giản, hiệu quả khi sử dụng 2 anten phát
và 1 anten thu được giới thiệu bởi Alamouti. Phương pháp này còn được gọi là
mã khối không gian – thời gian STBC.
STBC (Space – Time Block Code: Mã hóa khối không gian thời gian):
Phương pháp này sử dụng sắp xếp trực giao thứ tự của các tín hiệu tại các anten
phát (các tín hiệu tạo thành các block).
Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã không gian – thời gian
trên băng gốc với nt anten phát và nr anten thu như hình 2.3. Các dữ liệu phát đi
được mã hóa bởi bộ mã hóa không gian thời gian.
Hình 2.3. Mô hình hệ thống băng gốc
Tín hiệu phát đi của Alamouti tại các anten phát là các tín hiệu đã được mã
hóa thành các khối tín hiệu sắp xếp thành các matrix khối:
Nghĩa là tại hai thời điểm khác nhau thời điểm thứ t thì anten thứ nhất phát
đi là s0, anten 2 phát s1, nhưng sang thời điểm t+T thì anten 1 phát và anten 2
phát , tức là cùng một loại thông tin nhưng được mã hóa khác nhau ở hai anten
khác nhau.
Sơ đồ Alamouti được thiết kế cho tất cả các kiểu anten phát (các chùm ký
hiệu s0, s1,…,sn ) khác nhau. Để đơn giản, ở đây chỉ xét BPSK với truyền 2 bit
29
trong thời gian hai ký hiệu .Tuy nhiên, ở mức độ nhất định có thể được tổng quát
hóa cho nhiều hơn hai anten.Trong sơ đồ mã lặp cần sử dụng 4-PAM để đạt được
cùng tốc độ bit. Để đạt được cùng khoảng cách tối thiểu như các ký hiệu BPSK
trong sơ đồ Alamouti cần tăng 5 lần năng lượng ký hiệu. Kỹ thuật Alamouti
STBC thực hiện ba bước sau:
Mã hóa và truyền dẫn
Sơ đồ kết hợp tại máy thu
Quy tắc quyết định khả năng cực đại ML
Hình 2.4. Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu
Mã hóa và truyền dẫn
Giả sử cho trước hai tín hiệu phát tại thời gian thứ t là: , .
Trong thời gian ký hiệu tiếp theo tại thời gian thứ (t+T) là: ,
Tại khe thời gian thứ t anten phát thứ nhất phát đi , trong khi anten thứ hai
phát đi . Tại khe thời gian tiếp theo, (t+T), anten phát thứ nhất phát đi ,
30
trong khi đó anten thứ hai phát đi . Bằng cách này việc mã hóa được thực hiện
theo cả không gian và thời gian.
Bảng 1
Quy luật mã hóa không gian - thời gian Alamouti
Giả thiết kênh fading biến đổi chậm nghĩa là fading không thay đổi trong
thời gian giữa 2 ký tự phát:
y = Hs + n
Phía thu: y = [ , ] T
Đáp ứng kênh truyền: H=
Đặt các kênh truyền từ anten phát thứ nhất và thứ hai tới anten máy thu
tương ứng là:
h0= α0.ejθ
h1= α1.ejθ
Tín hiệu phát: s = [s0, s1]T
Nhiễu Gause: n = [n0, ]T
Các tín hiệu thu được tại các khe thời gian t và t+T là:
Ta có:
y = Hs + n
=> +
31
Trong khe thời gian thứ nhất, tín hiệu nhận được là:
= + +
Trong khe thời gian thứ hai tín hiệu nhận được là:
= - +
Trong đó:
y0, y1 : tín hiệu nhận được trong khe thời gian thứ nhất và thứ hai
tương ứng
h0: là kênh truyền từ anten phát thứ nhất đến anten nhận
h1: là kênh truyền từ anten phát thứ hai đến anten nhận
s0, s1 : là các tín hiệu phát
n0, n1: là nhiễu Gausse trên khe thời gian thứ nhất và thứ hai
Nhận thấy cột của ma trận chữ nhật trong phương trình trên trực giao với
nhau. Vì thế nhiệm vụ tách sóng s0, s1 được chia thành hai nhiệm vụ vô hướng
trực giao.
Sơ đồ kết hợp tại máy thu
Ta sử dụng sơ đồ kết hợp tại máy thu để có thể ước lượng được các dấu tín
hiệu s0 và s1 một cách tối ưu, chúng ta cần phải tách được thông tin về các dấu
này chứa trong các tín hiệu thu được y0 và y1.
Giả thiết trạng thái kênh truyền là hoàn hảo. Bộ kết hợp sẽ thực hiện nhân
vector y với ma trận chuyển vị HH.
=
= +
= . x +
32
Khai triển ra ta được như sau:
= ( + )
= ( + )
Bộ kết hợp trên hình tạo ra hai ký hiệu kết hợp và gửi chúng đến bộ quyết
định khả giống cực đại.
Nhận xét: Phương pháp STBC của Alamouti khi sử dụng 2 anten phát và 1
anten thu, nhìn vào phương trình trên ta thấy được dấu “-” ở đây thể hiện sự quay
pha của các thành phần tạp âm. Tuy nhiên, sự quay pha này không làm suy giảm
tỷ số SNR hiệu dụng đầu ra.
Quy tắc quyết định khả năng cực đại (MLD)
Từ hai tín hiệu đầu ra bộ kết hợp, những tín hiệu kết hợp này sau đó gửi đến
bộ quyết định khả năng cực đại (MLD : Maximum Likelihood Detector) và sẽ
chọn s0 và s1 sao cho:
{ } = arg {
}
Đặt ASTBC =
= [ ][ ]*
+[ ][ ]*
=
Để ý rằng và là các thành phần chung và không làm thay đổi luật
quyết định, vì vậy chúng ta có thể bỏ qua chúng cho đơn giản. Ngoài ra các thành
phần , tự triệt tiêu lẫn nhau, do đó đối số ASTBC trở thành
33
ASTBC = (
Nhóm các phần tử chung lại với nhau
= ( )
Và vì vậy:
ASTBC = ( )
= ( )
Một điểm thú vị có thể nhận thấy rằng luật quyết định MLD đồng thời cho
cả s0 và s1 đã được chia thành các luật quyết định độc lập sao cho s0 và s1. Do các
luật quyết định s0 và s1 là như nhau, sau khi bỏ qua thành phần chung | |2 chúng
ta thu được luật quyết định chung cho Alamouti STBC
giống như trong phân tập thu. Đối với tín hiệu PSK, do năng lượng tín hiệu, E s= |
s0|2, như nhau đối với tất cả các thành phần tín hiệu s0, luật quyết định ML tối
giản như sau:
Phẩm chất BER của phương pháp ML: Định nghĩa tỉ số SNR trung bình
cho một bit tín hiệu trên từng anten là:
34
Eb là năng lượng của tín hiệu phát
với N0 là công suất tạp âm đơn biên
2.2.3.2. Alamouti STBC 2x2
Sơ đồ cấu hình của trường hợp Alamouti STBC sử dụng 2 anten phát và 2
anten thu được mô tả ở hình 2.5:
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc Alamouti STBC trường hợp 2 x2
Cũng như trường hợp Alamouti STBC 2 anten phát và 1 anten thu, thì
trường hợp Alamouti STBC sử dụng 2 anten phát và 2 anten thu cũng thực hiện
ba bước sau:
Mã hóa và truyền dẫn
35
Sơ đồ kết hợp tại máy thu
Quy tắc quyết định khả năng cực đại ML
Mã hóa và truyền dẫn
Giả sử cho trước hai tín hiệu phát tại thời gian thứ t là: ,
Trong thời gian ký hiệu tiếp theo tại thời gian thứ (t+T) là: ,
Giống như mã hóa và truyền dẫn ở trường hợp Alamouti 2x1. Ở đây, cũng
tại khe thời gian thứ t anten phát thứ nhất phát đi , trong khi anten thứ hai phát
đi . Tại khe thời gian tiếp theo, (t+T), anten phát thứ nhất phát đi , trong khi
đó anten thứ hai phát đi .
Mã hóa và chuỗi phát các ký hiệu thông tin trong trường hợp này như sau:
Bảng 2
Quy luật mã hóa không gian - thời gian Alamouti
Bảng 3
Đáp ứng kênh truyền giữa anten phát và anten thu
Bảng 4
Tín hiệu thu được tại hai anten thu
36
Giả sử kênh fading biến đổi chậm, ta có phương trình hệ thống:
y=Hs+n
- Tín hiệu thu được phía anten thu là:
- Tín hiệu phát là:
- Đáp ứng kênh truyền:
- Cho đáp ứng kênh truyền ứng với từng anten phát:
- Tạp âm Gauss:
Tại thời điểm t anten thứ nhất thu được có phương trình sau:
=>
37
=>
Tại thời điểm t+T anten thu được có phương trình sau:
=>
=>
Sơ đồ kết hợp tại máy thu
Các tín hiệu thu được tại các anten thu thứ nhất và thứ hai tại các thời điểm t
và t+T là:
Trong đó nn(n: 0,1,2,3) là các mẫu tạp âm tại anten thu. Để ước lượng được
các dấu tín hiệu phát s0, s1, chúng ta cần phải tách được các thông tin của chúng
chứa trong y0, y1, y2, y3. Việc này có thể thực hiện bằng cách nhân hai vế của
phương trình với ma trận chuyển vị HH:
Sau đó kết hợp hai phương trình trên với nhau:
38
Quy tắc quyết định khả năng cực đại ML
Ở bộ kết hợp tại máy thu chúng ta ta tổng hợp được hai tín hiệu :
Sau đó các tín hiệu kết hợp này được đưa đến bộ tách sóng khả giống cực
đại, tại đây ước tính cho s0 được chọn cho tiêu chuẩn:
Chọn si nếu và chỉ nếu:
Hay:
Tương tự đối với s1, sử dụng quy tắc trên để chọn si nếu và chỉ nếu:
SNR trong trường hợp này được tính như sau:
Như vậy, các tín hiệu kết hợp từ hai anten thu chỉ là cộng đơn thuần các tín
hiệu từ từng anten, nghĩa là sơ đồ kết hợp giống như trường hợp một anten thu.
2.3. Chương trình đánh giá và mô phỏng
2.3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng MATLAB
39
Matlab (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để
cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao.
MATLAB cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình
cấp cao. MATLAB cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử
dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát.
Các dữ liệu vào của MATLAB có thể được nhập từ “Command line” hoặc từ
“mfile” trong đó tập lệnh được cho trước bởi MATLAB.
MATLAB cung cấp cho người dùng toolbox tiêu chuẩn tùy chọn. Người
dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các “mfiles” được
viết cho các ứng dụng cụ thể. Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của
MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn (dùng
lệnh help)
Ví dụ: Command window:>>help plot
Để khởi động MALAB: ta click đúp chuột vào biểu tượng MATLAB trên
màn hình destop.
Sau khi khởi động xong màn hình sẽ hiển thị cửa sổ làm việc của MATLAB
gồm 3 phần chính: Thư mục hiện thời, Lịch sử câu lệnh, Cửa sổ câu lệnh
40
Hình 2.6. Môi trường làm việc của MATLAB
M-file
Ngoài phương pháp gõ lệnh trực tiếp ở cửa sổ lệnh, chúng ta còn có thể tạo
một script m-file gồm tập hợp các lệnh gõ ở cửa sổ lệnh. Bằng cách Click vào
File -> Function m file (ở đây nó sẽ hiện ra 1 cửa sổ ta có thể thao tác cách lệnh
trên cửa sổ này)
2.3.2. Chương trình mô phỏng
Các bước thực hiện:
- Tạo ra các chuỗi nhị phân ngẫu nhiên +1 và -1
- Nhóm chúng vào hai ký hiệu truyền đi
- Thêm các nhiễu Gauss trắng vào tất cả các tín hiệu nhận được
- Đối với mỗi tín hiệu, tính toán giá trị trung bình của tín hiệu nhận được
trên tất cả các chuỗi nhận
- Thực hiện giải mã và đếm các bit bị lỗi
- Lặp lại nhiều giá trị của Eb/N0 trong trường hợp anten phát lần lượt bằng
1, 2, 3, 4 và đưa ra mô phỏng và kết quả lý thuyết
41
Kết quả mô phỏng
Hình 2.7. Chất lượng BER của BPSK trên kênh fading Rayleigh khi sử
dụng phân tập phát
Nhận xét:
Trong hình 2.7 chúng ta biểu diễn chất lượng tỷ lệ lỗi bit của phương pháp
phân tập phát dựa vào Eb/N0 với số lượng anten phát NT khác nhau. Đường trên
cùng tương ứng với chất lượng khi chưa sử dụng phân tập so sánh với đường thứ
2 trường hợp Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu tại BER =10^-1 ta thấy độ lợi
phân tập đạt được là 4dB. Trường hợp sử dụng 3 anten phát và 4 anten phát cùng
sử dụng 1 anten thu ta cũng thấy độ lợi phân tập tăng theo số anten phát them
vào. Khi sử dụng 4 anten phát so với trường hợp 1 anten phát độ lợi phân tập đạt
được là 6dB. Như vậy ta thấy rằng chất lượng của tín hiệu được cải thiện khi tăng
số lượng anten phát. Đồng thời ta có thể kết hợp phân tập ở phía thu để đạt được
chất lượng tín hiệu tốt hơn.
42
Chương 3
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PHÁT PHÂN TẬP TRONG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN
3.1. Phát phân tập trong mạng LTE
3.1.1. Giới thiệu
LTE là viết tắt của Long Term Evolution (Sự phát triển trong tương lai xa)
miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương pháp truy nhập vô
tuyến tốc độ cao mới cho các hệ thống truyền thông di động.
LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G. Xây dựng
trên các nền tảng kỹ thuật của họ các hệ thống mạng tế bào 3GPP (bao gồm
GSM, GPRS và EDGE, WCDMA và HSPA), LTE cung cấp một con đường tiến
hóa đến các tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn. Cùng với sự hiệu quả hơn
43
trong sử dụng phổ tần hữu hạn của các nhà khai thác, LTE cho một môi trường
dịch vụ di động hấp dẫn và phong phú hơn.
3GPP LTE là một trong số 5 chuẩn không dây trong “3.9G”, các chuẩn
“3.9” G khác là:
3GPP HSPA+
3GPP EDGE Evolution
3GPP2 UMB
Mobile WiMAX™ (IEEE 802.16m)
Tất cả đều có chung mục đích về mặt cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần với
hệ thống có độ rộng băng lớn nhất cung cấp tốc độ cao nhất thông qua việc sử
dụng các sơ đồ điều chế bậc cao hơn và công nghệ đa ăn ten, từ phân tập thu và
phát cơ bản đến phân tập không gian MIMO.
Đặc điểm của LTE
- Hoạt động ở băng tần 700MHz-2,6GHz
- Tốc độ:
Downlink: 100Mbps (ở băng thông 20MHz)
Uplink: 50 Mbps với 2 anten thu và 1 anten phát
- Độ trễ: nhỏ hơn 5ms
- Độ rộng băng thông linh hoạt: 1,4 MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz;
20MHz. Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và xuống bằng nhau
hoặc không.
- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0 – 15 km/h nhưng vẫn hoạt
động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h
tùy băng tần.
- Phổ tần số:
Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
Độ phủ sóng từ 5 – 100 km
Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5MHz
- Chất lượng dịch vụ:
Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS
44
VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng
UMTS
- Liên kết mạng:
Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các
hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và
UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực
và 500ms cho các dịch vụ còn lại.
- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành bảo dưỡng giảm
Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1,4 MHz đến 20 MHz, điều này có
nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế,
hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và
không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các
nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số
cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các
tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt
động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi
của IMT-2000 và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850 – 900 MHz, 1800
MHz, phổ AWS (1,7-2,1 GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa
bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử
dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng tần của LTE có
thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của
họ.
3.1.2. Kỹ thuật phát phân tập trong LTE
Ngay từ đầu, LTE hỗ trợ đa anten ở cả trạm gốc và máy đầu cuối di động
như một thành phần không thể thiếu. Trong nhiều khía cạnh, việc sử dụng kỹ
thuật đa anten rất quan trọng để đạt được hiệu năng LTE. Đa anten có thể được
sử dụng trong nhiều cách khác nhau với mục đích khác nhau.
45
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham
vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều
anten ở máy phát và máy thu. Với hướng downlink, MIMO 2x2 (2 anten phát và
2 anten thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và
đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử
dụng MIMO. Trong đó kỹ thuật ghép kênh không gian và phát phân tập là các
đặc tính nổi bật trong công nghệ LTE
Hình 3.1. Mô hình đa anten trong mạng LTE
Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát.
Các dòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường
truyền giữa các anten phát và các anten thu. Sau đó thu nhận các vector tín hiệu
từ các anten thu, giải mã thành thông tin gốc.
Đối với tuyến xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở
thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản, cấu hình sử dụng 4 anten đang được
xem xét. Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không
gian lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng
và kỹ thuật điều chế tín hiệu, SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu bằng số lần của số
lượng anten phát.
46
Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên
cùng một khối tài nguyên tuyến xuống. Những dòng dữ liệu này có thể là một
người sử dụng SU-MIMO hoặc những người dùng khác nhau MU-MIMO. Trong
khi SU-MIMO tăng tốc độ dữ liệu cho một người dùng, MU-MIMO cho phép
tăng dung lượng. Dựa vào hình 4.3, ghép kênh không gian lợi dụng các hướng
không gian của kênh truyền vô tuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên
hai anten.
Hình 3.2. Ghép kênh không gianKỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA release 99 và cũng sẽ là
một phần của LTE. Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa để tăng
hiệu ứng phân tập. MIMO được sử dụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu
là làm tăng tốc độ. Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh
không gian có thể tùy thuộc vào việc sử dụng kênh tần số.
Trong trường hợp tổng quát sẽ có hai từ mã, NL lớp và NA anten với NL ≥
2 và NA ≥ NL. Trong hình vẽ mô tả trường hợp ba lớp NL = 3 và bốn anten NA =
4. Ta thấy là từ mã đầu tiên được sắp xếp vào lớp đầu tiên, trong khi đó, từ mã
thứ hai được sắp xếp vào lớp thứ hai và ba. Do đó, số ký hiệu điều chế ở từ mã
thứ hai sẽ gấp đôi từ mã thứ nhất để đảm bảo số ký hiệu bằng nhau trên mỗi lớp.
Tầng tiền mã hóa sau đó sẽ áp dụng ma trận tiền mã hóa W kích thước NL x NA
cho vector ở mỗi lớp.
47
Hình 3.3 . Ghép kênh không gian trong khung hoạt động đa anten LTE
(NL=3, NA=4)
Nhìn chung ghép kênh không gian LTE thực hiện chủ yếu là tiền mã hóa
dựa vào bảng mã (codebook), có nghĩa là đối với một số anten NA và một số lớp
NL , sẽ có một tập các ma trận tiền mã hóa được đưa ra để lựa chọn cho phù hợp.
Bảng mã cho trường hợp hai anten phát của LTE được đưa ra trong bảng hình 4.4
48
Hình 3.4. Bảng mã tiền mã hóa cho trường hợp hai anten phát
Dựa vào các thông số đo được trên tín hiệu tham chiếu đường xuống ở các
anten khác nhau, máy đầu cuối di động quyết định số lớp (hạng) thích hợp và ma
trận tiền mã hóa tương ứng. Sau đó, các thông tin này sẽ được báo cáo cho mạng.
Mạng sẽ thu nhận các thông tin này nhưng không cần phụ thuộc vào nó khi quyết
định lựa chon hạng và tập ma trận tiền mã hóa sẽ được sử dụng cho truyền dẫn
đường xuống thực tế. Mạng thường quyết định chọn một tập hợp các ma trận tiền
mã hóa hơn là báo cáo từ máy đầu cuối di động, cho nên mạng cần báo hiệu một
cách rõ ràng về ma trận tiền mã hóa được sử dụng.
Một phương pháp tương tự được sử dụng với trường hợp tạo búp đa anten
đường xuống, dựa trên các thông số đo được từ tín hiệu tham chiếu đường xuống
49
của các anten khác nhau, máy đầu cuối quyết định lựa chọn vector tiền mã hóa
(vector tạo búp) thích hợp và báo cáo cho mạng. Mạng sẽ thu nhận các thông tin
này nhưng không cần phụ thuộc vào nó khi quyết định lựa chọn vector tiền mã
hóa sẽ được sử dụng cho truyền dẫn đường xuống thực tế. Cũng giống như ghép
kênh không gian, mạng phải báo hiệu rõ ràng vector tạo búp sóng sử dụng đối
với máy đầu cuối.
3.2. Phát phân tập trong mạng Wimax
3.2.1. Giới thiệu Wimax
Wimax (Wordwide Interoperability for Microware Access) là một công
nghệ truy nhập không dây băng rộng (Broadband Wireless Access - BWA) với
khả năng cung cấp đường truyền số liệu với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán
kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km/s.
Hình 3.5. Mô hình ứng dụng đa anten trong Wimax
Công nghệ Wimax dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi
tiêu chuẩn 802.16 và ETSI HiperMAN. Đây là các tiêu chuẩn cho mạng Wireless
MAN (mạng đô thị không dây). Wimax cố định và di trú dựa theo chuẩn
802.16d, Wimax di động theo chuẩn 802.16e. Chuẩn Wimax cố định hỗ trợ tốc
độ
50
dữ liệu đỉnh 70Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 30Mb/s. Chuẩn Wimax
di động cho thuê bao di chuyển ở tốc độ cao hỗ trợ truy nhập tốc độ dữ liệu đỉnh
30Mb/s đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 5Mb/s. Wimax có thể hoạt động trong
tầm nhìn thẳng (LOS- Light of Sight) với dải tần 10-66GHz hay không trong tầm
nhìn thẳng (NLOS- None Light of Sight) với dải tần 2-11GHz. Truyền sóng
không nằm trong tầm nhìn thẳng Nlos thì không yêu cầu máy phát và máy thu
phải nhìn thấy nhau. Trên một đường truyền Nlos tín hiệu thu bằng tổng của tất
cả các tín hiệu nhận được từ các đường phản xạ, tán xạ, năng lượng tán xạ…Còn
truyền sóng trong tầm nhìn thẳng Los thì yêu cầu tín hiệu truyền từ máy phát tới
máy thu đi theo đường trực tiếp và không có chướng ngại vật giữa máy phát và
máy thu.
Công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế các đường chuyển DSL,
ADSL, đường cáp hữu tuyến bằng truy nhập không dây,làm trạm chuyển tiếp
(backhaul) cho mạng Wifi, hỗ trợ và bổ sung cho các dịch vụ điện thoại di động,
cung cấp các kết nối băng rộng di động với rất nhiều dịch vụ khác nhau.
3.2.2. Đặc điểm của Wimax
- Phạm vi phủ sóng của một BS trên lý thuyết có thể lên tới 50km.
- Tốc độ truyền dữ liệu có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s.
- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn
thẳng LOS và đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS.
- Dải tần làm việc 2-11GHz cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng
NLOS và từ 10-66GHz cho đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS.
- Băng thông mềm dẻo, có thể cho phép thay đổi từ 1,75MHz đến 20MHz.
- Kỹ thuật QoS (chất lượng dịch vụ) trong Wimax cho phép hỗ trợ nhiều
loại dịch vụ, đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu nhất.
- Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao). OFDM trong Wimax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong
51
đó có 1536 sóng mang, cho phép nhiều thuê bao có thể truy nhập đồng thời một
hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần.
- Trên mỗi sóng mang phụ sử dụng phương thức điều chế nhiều mức thích
ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như
ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến
7/8 để đảm bảo chất lượng thông tin.
- Đa truy nhập OFDMA, chế độ song công cho phép sử dụng cả hai công
nghệ song công phân chia theo thời gian TDD (time division duplex) và song
công phân chia theo tần số FDD (frequency division duplex) cho việc phân chia
truyền dẫn của đường lên (uplink) và đường xuống (downlink)
- Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption
Standard) và chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard) cho
quá trình bảo mật
3.2.3. Ứng dụng đa anten phát trong Wimax
Mã hóa không gian – thời gian (STC – Space Time Coding) là kỹ thuật thực
hiện phân tập phát (Transmission diversity). Wimax sử dụng kỹ thuật phân tập
phát trên đường Dowlink để phân tập từng phần nhằm tăng cường chất lượng tín
hiệu truyền đến một thuê bao cụ thể nằm tại bất cứ điểm nào trong dải chùm tia
anten phát ra.
Mặc dù cung cấp độ lợi tín hiệu thấp hơn beam-forming nhưng đối với
người sử dụng di động thì sự phân tập phát càng cần thiết hơn bởi vì nó không
yêu cầu các kiến thức hiểu biết trước về đặc tính truyền dẫn của kênh tần số cụ
thể của một thuê bao.
Công nghệ STC được biết đến như mã hóa Alamouti được công bố vào năm
1998 và nó hợp nhất với chuẩn Wimax.
Mã hóa STC
Sơ đồ Alamouti cơ bản phát hai ký hiệu phức s0 và s1, sử dụng kênh đa đầu
vào một đầu ra (MISO – 2Tx và 1 Rx) hai lần với các giá trị kênh giá trị h0 và h1.
52
Hình 3.7. Mô hình 2 anten phát 1 anten thu
Trong khe thời gian thứ nhất anten Tx0 phát s0 và anten Tx1 phát s1. Trong
khe thời gian thứ hai anten Tx1 phát và anten Tx0 phát .
Bảng 1
Quy luật mã hóa không gian – thời gian
Anten 0 Anten 1
Thời gian t s
Thời gian t+1
Phía thu, trong khe thời gian thứ nhất tín hiệu nhận được là:
Giải mã STC
Trường hợp, MISO 2 anten phát, 1 anten thu sau khi bên thu thu được tín
hiệu sẽ được giải mã như sau:
= ( + )
= ( + )
Nhận xét:
53
Có nhiều thuận lợi trong việc sử dụng kỹ thuật đa anten hơn kỹ thuật đơn
anten:
Mảng độ lợi: Độ lợi thu được bằng cách sử dụng nhiều anten vì vậy tín
hiệu thêm mạch lạc.
Phân tập độ lợi: Độ lợi thu được bằng cách tận dụng đa đường dẫn vì vậy
xác suất mọi đường dẫn đều hỏng ít khi xảy ra. Thực tế, phân tập độ lợi có liên
quan tới công nghệ của máy phát và máy thu để đạt được đa “looks” tại kênh
fading. Các sơ đồ này đang cải thiện hoạt động bằng cách tăng độ tin cậy của
cường độ tín hiệu thu được trong tín hiệu vô tuyến có fading hiện diện. Phân tập
có thể được khai thác trong không gian (anten), thời gian, hoặc kích thước phổ
tần số.
Loại bỏ được can nhiễu đồng kênh (CCIR): đây là sự loại bỏ các tín hiệu
bằng cách sử dụng kênh khác nhau để đáp ứng can nhiễu.
Một sơ đồ chung cho cả hai mảng độ lợi và phân tập độ lợi là tổ hợp với tỉ
số tối đa: kết nối đa đường thu dẫn đến tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) lớn nhất.
Chọn phân tập, bằng cách khác, chủ yếu giới thiệu phân tập độ lợi; các tín hiệu
không được kết nối, đúng hơn là tín hiệu từ anten tốt nhất được chọn.
Với Wimax, hệ thống MIMO đơn giản nhất thực tế là mã STC đa đầu vào
một đầu ra MISO được gọi là mã Alamouti. Để thực hiện hệ thống này cần 2
anten trạm gốc (BS). Mã Alamouti cung cấp độ lợi phân tập truyền lớn nhất cho
2 anten. Sơ đồ phân tập truyền khác nhau là phân tập trễ chu kì. Một lợi thế chính
của phân tập truyền là có thể được thực hiện tại trạm gốc, nên chi phí đầu tư tập
trung vào trạm gốc, việc mở rộng các trạm thuê bao phụ sẽ trở nên dễ dàng hơn
(đầu tư ít, kỹ thuật không phức tạp), cho phép các sản phẩm dòng 802.11 thâm
nhập vào thị trường nhanh chóng hơn.
Tóm tắt
Mỗi công nghệ đều có thế mạnh riêng của nó. LTE và Wimax cũng vậy.
Wimax có thể là sự lựa chọn phù hợp cho việc cung cấp Internet băng rộng tốc
độ cao và một số dịch vụ cần băng thông khác ở một số vị trí nhất định nào đó.
54
Còn với LTE, lợi thế về tính kế thừa thế hệ trước là một thế mạnh. Và thực tế cho
thấy rằng LTE đang tận dụng tốt điều đó. Ở thời điểm này có thể khẳng định rằng
LTE đang trên đà thắng thế.
PHỤ LỤC
Chương trình code mô phỏng
clear
N = 10^6 % number of bits or symbols
55
% Transmitter
ip = rand(1,N)>0.5; % generating 0,1 with equal probability
s = 2*ip-1; % BPSK modulation 0 -> -1; 1 -> 0
Eb_N0_dB = [-3:15]; % multiple Eb/N0 values
nRt = [1 2 3 4]; % so anten phat
for jj = 1:length(nRt)
for ii = 1:length(Eb_N0_dB)
n = 1/sqrt(2)*[randn(nRt(jj),N) + j*randn(nRt(jj),N)];
% Noise addition
y = ones(nRt(jj),1)*s + 10^(-Eb_N0_dB(ii)/20)*n;
% equalization
yHat = sum(y,1)/nRt(jj);
% receiver - hard decision decoding
ipHat = real(yHat)>0;
% counting the errors
nErr(jj,ii) = size(find([ip- ipHat]),2);
end
TheoryBerAWGN(jj,:) =
0.5*erfc(sqrt(nRt(jj)*10.^(Eb_N0_dB/10))); % theoretical ber
end
SimBer = nErr/N; % Simulated ber
close all
figure
semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(1,:),'g-^','LineWidth',2);
hold on
semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(2,:),'c-<','LineWidth',2);
semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(3,:),'y->','LineWidth',2);
semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(4,:),'b+-','LineWidth',2);
%semilogy(Eb_N0_dB,SimBer(4,:),'ko-','LineWidth',2);
axis([-3 12 10^-6 0.5])
grid on
legend('(Rt=1,Rx=1)','(Rt=2,Rx=1)','(Rt=3,Rx=1','(Rt=4,Rx=1)');
xlabel('Eb/No, dB');
ylabel('Bit Error Rate');
title('SO SANH BER TRUONG HOP DA ANTEN PHAT ');
TỔNG KẾT
56
Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu cùng với sự giúp đỡ tận tình của
thầy giáo Hoàng Quang Trung, đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập phát
và ứng dụng trong thông tin vô tuyến” đã đạt được những nội dung sau:
Tổng quan về thông tin vô tuyến: Ở chương này em đi nghiên cứu về các
kênh thông tin vô tuyến như kênh tạp âm AWGN, kênh fading đa đường, kênh
Rayleigh, kênh Rice từ đó có thể phân biệt được đặc điểm của từng kênh vai trò
của từng kênh trong thông tin vô tuyến.
Các kỹ thuật phân tập phát: Đây là chương chính em đi tìm hiểu về các kỹ
thuật phân tập phát như phân tập phát tỷ lệ tối đa, phân tập phát giữ chậm, phân
tập phát không gian…để hiểu được từng kỹ thuật phân tập phát, ưu điểm, làm sao
có thể nâng cao dung lượng, tốc độ truyền dữ liệu.
Ứng dụng kỹ thuật phân tập phát trong thông tin vô tuyến: Để có thể đáp
ứng được nhu cầu truy nhập mạng đa phương tiện băng rộng cho người sử dụng.
Hướng phát triển của đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập phát” là ta có
thể nghiên cứu kỹ thuật phân tập phát kết hợp với kỹ thuật phân tập thu, hay
chính là MIMO, để nâng cao không những độ lợi phân tập, mà còn nâng cao độ
lợi mã hóa.
Do thời lượng và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những
sai sót, em rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn. Cuối
cùng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy giáo Thạc sỹ Hoàng Quang
Trung đã giúp đỡ tận tình cho em có thể hoàn thành đề tài này. Em xin cảm ơn
đến gia đình và bạn bè luôn bên cạnh động viên.
Em xin chân thành cảm ơn…!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
57
[1]. Trần Xuân Nam” Mô phỏng các hệ thống xử lý tín hiệu không gian – thời
gian sử dụng MATLAB” –Bộ môn Thông tin, Khoa vô tuyến điện tử - học viện
Kỹ thuật quân sự.
[2]. TS. Phan Hồng Phương, KS. Lâm Chi Thương “Kỹ thuật phân tập anten
trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO”
[3]. http://www.dsplog.com/2008/10/16/alamouti-stbc/
[4].http://www.dsplog.com/2009/03/15/alamouti-stbc-2-receive-antenna/
[5].http://www.dsplog.com/db-install/wp-content/uploads/2008/08/
script_ber_bpsk_awgn_receive_diversity.m
[6].KS. Mai Hồng Anh - "Phân tập phát sử dụng mã khối không gian thời gian
cấu trúc trực giao”
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
58
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Điếm của giáo viên hướng dẫn Thái Nguyên, ngày…tháng 3 năm 2013
Chữ ký
59