Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Lý thuyết thông tin vô tuyến. Chương 3: Tổng quan mạng truyền thông hợp tác. Chương 4: Phân tích chất lượng mạng relay giải mã và chuyển tiếp. Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của mạng.
Chương 5: Kết quả mô phỏng. Chương này trình bày các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của mạng relay. Đưa ra các khuyến nghị và giải pháp nhằm cải thiện chất lượng mạng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Trang 3 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS. Hồ Văn Khương CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến 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 dễ dàng trong việc phân tích.
Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được 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 của hệ thống thông tin vô tuyến. Vì vậy để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến và thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu, ta phải hiểu được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến và mô hình hóa kênh truyền hợp lý.
Luận văn sẽ đi vào tìm hiểu các cơ chế ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền. Môi trường kênh truyền vô tuyến 2. Các cơ chế lan truyền của tín hiệu Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF. Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng.
Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Các hiện tượng xảy ra đối với tín hiệu Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện từ khi gặp phải các vật cản trên đường truyền. Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán Trang 4 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS.
Hồ Văn Khương theo nhiều hướng. Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, suy hao khác nhau với biên độ và pha khác nhau. Sự xếp chồng các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu. Hiện tượng doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên đường truyền, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian.
Hiện tượng này tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian ngắn. Do đó đây còn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh.1: Hiện tượng doppler Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật thể với mật độ dày và các vật thể này có kích thước lớn so với bước sóng. Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu trên phạm vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớn hoặc fading chậm. Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường truyền trong không gian tự do.
Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di động thường không tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó công suất tín hiệu sẽ bị suy hao nhiều hơn so với trong không gian tự do. Công suất tại phía thu trong không gian tự do là : t t Gr 2 PG Pr d (2.1) 4 d 2 L 2 Trang 5 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS. Hồ Văn Khương trong đó: Pt: là công suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu được.
Gt: là độ lợi anten phát và Gr là độ lợi anten thu. d: là khoảng cách truyền (m). L: là hệ số suy hao (L ≥1). 𝝀: là khoảng cách bước sóng (m).
Kênh truyền vô tuyến Trong thông tin vô tuyến, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố luôn được xét đến. Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của hệ thống. Để hạn chế ảnh hưởng kênh truyền và thiết kế thành công hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như mô hình hoá kênh truyền hợp lý. Chúng ta sẽ cần có cái nhìn tổng quan về đặc tính kênh truyền đồng thời phân loại kênh truyền vô tuyến theo đặc tính của chúng.
Người ta xem xét các ảnh hưởng lên tín hiệu dựa trên mô hình fading diện rộng (large scale fading) và mô hình fading diện hẹp (small scale fading). Hiện tượng fading Do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu trong môi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng fading. Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ.
Fading phạm vi lớn: là hiện tượng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi di chuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng). Nguyên nhân là do những ảnh hưởng của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà cửa…). Cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị trung bình. Fading phạm vi lớn làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn gọi là hiện tượng fading chậm.
Trang 6 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS. Hồ Văn Khương Fading phạm vi nhỏ: gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu. Sự thay đổi của môi trường truyền sóng là nguyên nhân gây ra hiện tượng fading phạm vi nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời gian ngắn nên còn gọi là fading nhanh.
Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh (khi không có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu) hoặc phân bố Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và máy thu). Khi máy di động di chuyển trên một phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời gian dài) thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ. Fading phẳng Phổ tín hiệu có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Các đặc tính của phổ tín hiệu truyền đi được bảo toàn, mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch tần gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng hiện tượng đa đường.
Theo thời gian, tín hiệu thay đổi nhưng phổ tín hiệu không đổi. Kênh truyền fading phẳng được xem như kênh truyền thay đổi biên độ và còn được gọi là kênh truyền băng hẹp. Fading chọn lọc tần số Phổ tín hiệu có băng thông lớn hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol nhỏ hơn trải trễ của kênh truyền. Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau trên một dải tần số, tức đáp ứng tần số không bằng phẳng trong toàn bộ dải tần đó, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau.
Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi. Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel) hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền Trang 7 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên TS. Hồ Văn Khương không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel).
Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó. Kênh truyền chọn lọc tần số còn gọi là kênh truyền rộng 2. Kênh truyền fading biến đổi nhanh Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn chu kỳ symbol phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ symbol), điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện tượng doppler và méo tín hiệu. Fading nhanh thường có tác động xấu đến các tham số tín hiệu, rõ nhất là dạng sóng tín hiệu, nó gây méo phổ, pha…và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống.
Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với đường truyền tốc độ dữ liệu thấp. Kênh truyền fading biến đổi chậm Sự thay đổi đáp ứng của kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền phát. Khi đó kênh truyền được xem là tĩnh, trải Doppler của kênh truyền nhỏ hơn băng thông tín hiệu. Các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài.
Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng thời tiết xấu… kết quả là công suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu). Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Ricean và kênh truyền Nakagami-m Đáp ứng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên độ. Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hay không tồn tại suy hao đường truyền LOS (Line Of Sight). Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh và phân bố Ricean.
