Chương 6: Đa Truy Nhập Vô Tuyến Trong Môi Trường Đa Đường

Khám phá chương 6 về đa truy nhập vô tuyến trong môi trường phađinh đa đường, cung cấp kiến thức sâu sắc về công nghệ truyền thông hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Phạm Anh Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Thông Tin
• Đề tài: Đa Truy Nhập Vô Tuyến Trong Môi Trường Đa Đường: Giới Thiệu và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 6. CHƯƠNG 6: ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG PHA ĐINH ĐA ĐƯỜNG
• 6.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 6.2. MỞ ĐẦU
• 6.3. TÍNH CHỌN LỌC CỦA CÁC KÊNH VÔ TUYẾN
• 6.4. ĐIỀU BIẾN TẦN SỐ
• 6.5. PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE
• 6.5.1. Phân bố Rayleigh
• 6.5.2. Phân bố Rice
• 6.6. TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ CHE TỐI
• 6.6.1. Tổn hao đường truyền
• 6.6.2. Che tối

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đa Truy Nhập Vô Tuyến Trong Môi Trường Đa Đường

Đa truy nhập vô tuyến trong môi trường đa đường là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ thông tin di động. Nó liên quan đến việc truyền tải dữ liệu qua các kênh vô tuyến, nơi mà tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Hiểu rõ về đa truy nhập và các đặc tính của nó giúp cải thiện chất lượng truyền dẫn và tăng cường hiệu suất hệ thống.

1.1. Định nghĩa và Tính chất của Đa Truy Nhập Vô Tuyến

Đa truy nhập vô tuyến là phương pháp cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền thông. Các tính chất của kênh vô tuyến như tổn hao đường truyền và che tối ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền dẫn.

1.2. Tầm quan trọng của Đa Truy Nhập Trong Hệ Thống Di Động

Đa truy nhập là yếu tố quyết định trong việc tối ưu hóa mạng không dây. Nó cho phép nhiều thiết bị kết nối đồng thời mà không làm giảm chất lượng dịch vụ.

II. Vấn đề và Thách thức Trong Đa Truy Nhập Vô Tuyến

Mặc dù đa truy nhập vô tuyến mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như suy hao tín hiệu, che tối, và nhiễu giao thoa giữa các tín hiệu là những yếu tố cần được giải quyết để đảm bảo chất lượng truyền dẫn.

2.1. Suy hao và Che tối trong Môi Trường Đa Đường

Suy hao tín hiệu xảy ra khi tín hiệu truyền đi bị giảm cường độ do khoảng cách và vật cản. Che tối là hiện tượng làm giảm cường độ tín hiệu do các vật cản như tòa nhà và cây cối.

2.2. Nhiễu Giao Thoa và Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Dịch Vụ

Nhiễu giao thoa giữa các tín hiệu có thể làm giảm chất lượng dịch vụ. Hiện tượng này thường xảy ra trong các khu vực đông đúc, nơi có nhiều thiết bị sử dụng cùng một tần số.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Đa Truy Nhập Vô Tuyến

Để cải thiện hiệu suất của đa truy nhập vô tuyến, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các giải pháp này bao gồm việc tối ưu hóa mạng không dây, sử dụng các công nghệ mới và cải tiến thuật toán điều chế.

3.1. Tối Ưu Hóa Mạng Không Dây

Tối ưu hóa mạng không dây bao gồm việc điều chỉnh cấu hình mạng để giảm thiểu suy hao và che tối. Điều này có thể đạt được thông qua việc sử dụng các anten thông minh và công nghệ MIMO.

3.2. Sử Dụng Công Nghệ Mới Trong Đa Truy Nhập

Công nghệ như 5G và các phương pháp điều chế mới giúp cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu trong môi trường đa đường. Những công nghệ này cho phép tăng cường dung lượng và giảm thiểu độ trễ.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Đa Truy Nhập Vô Tuyến

Đa truy nhập vô tuyến có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, từ các hệ thống viễn thông đến các ứng dụng IoT. Việc áp dụng các công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng dịch vụ.

4.1. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Viễn Thông

Trong hệ thống viễn thông, đa truy nhập cho phép hàng triệu người dùng kết nối đồng thời mà không làm giảm chất lượng dịch vụ. Điều này rất quan trọng trong các khu vực đông dân cư.

4.2. Ứng Dụng Trong Internet Vạn Vật IoT

Đa truy nhập cũng đóng vai trò quan trọng trong IoT, nơi hàng triệu thiết bị cần kết nối và truyền tải dữ liệu liên tục. Việc tối ưu hóa mạng giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Đa Truy Nhập Vô Tuyến

Đa truy nhập vô tuyến trong môi trường đa đường sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong tương lai của công nghệ thông tin di động. Các nghiên cứu và cải tiến công nghệ sẽ giúp giải quyết các thách thức hiện tại và mở ra nhiều cơ hội mới.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Trong Đa Truy Nhập

Xu hướng phát triển trong lĩnh vực này bao gồm việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa mạng và cải thiện chất lượng dịch vụ.

5.2. Tương Lai Của Công Nghệ Đa Truy Nhập

Công nghệ đa truy nhập sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các tiêu chuẩn mới và công nghệ tiên tiến, giúp nâng cao khả năng kết nối và truyền tải dữ liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Kênh vô tuyến của một hệ thống thông tin không dây thường đựơc trình bày bằng khái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) và không trực xạ (NLOS: None 165 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Line of Sight). Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp và đường truyền không bị che chắn từ máy phát đến máy thu. Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến phải được tối ưu hóa để đảm bảo phủ sóng tốt cho điều kiện không trực xạ (NLOS).

Đường truyền LOS đòi hỏi rằng hầu hết vùng Fresnel thứ nhất không có bất kỳ vật chắn nào (xem hình 6.1), vì nếu không đảm bảo điều kiện này thì cường độ tín hiệu sẽ bị suy giảm đáng kể. Khoảng hở cần thiết phụ thuộc vào tần số công tác và cự ly giữa máy phát và máy thu. Các vật chắn nằm ngoài vùng giới hạn bởi 0,6 khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất 0,6 Khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất Trạm gốc hệ Trạm thuê thống đa truy bao nhập vô tuyến Khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất được xác định bằng đường kính vùng Fresnel thứ nhất:  d1d 2 2R1  2 d1 ,d 2 lµ kho¶ng c¸ch tõ m¸y ph¸t vµ m¸y thu ®Õn ®iÓm ph¶n x¹ d1  d 2 Hình 6. Điều kiện LOS.

Trong một đường truyền không trực xạ, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Tín hiệu tại máy thu gồm các thành phần nhận được từ: (1) đường truyền trực tiếp, (2) các đường phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Các tín hiệu này có các trải trễ, suy hao, phân cực và độ ổn định khác nhau so với tín hiệu của đường trực tiếp. Hiện tượng đa đường có thể dẫn đến thay đổi phân cực vì thế sử dụng phân cực vuông góc cho tái sử dụng tần số như thường thấy trong các triển khai LOS có thể nguy hiểm trong các điều kiện NLOS.

Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Nguyễn Phạm Anh Dũng Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh.

Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến. Các yếu tố này là:  Suy hao. Cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách  Che tối.

Các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu  Phađinh đa đường và phân tán thời gian. Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông cuả hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference). Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn.

Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung. Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" và "phađinh phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với các khoảng cách lớn (vài trăm đến vài nghìn m), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng.

Phađinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn (một và giây) hay trên cự ly di chuyển ngắn (vài bước sóng). Phađinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường. Bức tranh tổng quát về thay đổi cường độ điện trường trong các kênh vô tuyến đựơc cho trên hình 6. Nguyễn Phạm Anh Dũng Cường độ tín hiệu tại anten thu Thay đổi tín hiệu do phađinh Rayleigh (phađinh phạm vi hẹp) Khoảng Giảm dần do Thay đổi do cách suy hao che tối Phađinh phạm vi rộng Hình 6.

Thay đổi cường độ điện trường tại anten thu do phađinh 6. TÍNH CHỌN LỌC CỦA CÁC KÊNH VÔ TUYẾN Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau.3 cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và phađinh tương ứng với nó là phađinh chọn lọc không gian.4 cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và pha đinh tương ứng với nó là phađinh chọn lọc tần số.5 cho thấy rằng trong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau.

Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) và phađinh do nó gây ra là phađinh phân tập thời gian. Dựa trên các đặc tính trên, ta có thể phân chia phađinh kênh thành: phađinh chọn lọc không gian (phađinh phân tập không gian), phađinh chọn lọc tần số (phađinh phân tập tần số), phađinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ). Chương này sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số, Ngoài ra chương này sẽ xét đến các nhân tố ảnh hưởng lên chất lượng đường truyền trong môi trường truyền sóng phạm vi rộng và phạm vi hẹp. Nguyễn Phạm Anh Dũng TÝnh chän läc kh«ng gian cña kªnh Biªn ®é MiÒn kh«ng gian Hình 6.

Tính chất kênh trong miền không gian TÝnh chän läc tÇn sè cña kªnh Biªn ®é MiÒn tÇn sè Hình 6. Tính chất kênh trong miền tần số 169 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng TÝnh chän läc thêi gian cña kªnh Biªn ®é MiÒn thêi gian Hình 6. Tính chất kênh trong miền thời gian 6.

ĐIỀU BIẾN TẦN SỐ Điều biến tần số gây ra do hiệu ứng Doppler, MS (mobile station: trạm di động) chuyển động tương đối so với BTS dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển động tương đối giữa BTS và MS, từng sóng đa đường bị dịch tần số (hình 6. Môi trường di động và dịch tần Dopler Ta xét trường hợp khi chỉ một tần số fc được phát và máy di động thu N tín hiệu phản xạ. Tín hiệu phản xạ i đến máy di động tại góc tới i so với phương chuyển động sẽ bị dịch pha như sau (hình 6.6b): 2d 2vdt 2f c dt d   cos i  cos i (6.

Nguyễn Phạm Anh Dũng trong đó v là tốc độ cuả MS,  là bước sóng, i là góc tới so với phương chuyển động cuả MS, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang. Tần số của sóng thu được có thể được biểu diễn như sau:   2fct  d  2fct  2fdi t  2(f c  f di )t f =f c +f di =f c +f D cos i (6.2) Trong đó v v fdi  cosi  fc cosi  f D cosi , (6.3)  c là dịch Doppler, v v fD fc (6.4) c là tần số Doppler cực đại hay trải Dopper. Từ phương trình trên ta có thể thấy rằng nếu MS di chuyển về phía sóng tới (i<900) dịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm (i>900) và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu.

Khi  và (hoặc)  thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler. Đường bao cuả tín hiệu thu được trong môi trường truyền sóng là một quá trình ngẫu nhiên và được thể hiện bằng các phân bố ngẫu nhiên. Phân bố Rayleigh và Rice là các phân bố thường được sử dụng để mô tả môi trường truyền sóng NLOS hoặc NLOS kết hợp LOS. Dưới đây ta xẽ xét các phân bố này.

PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE 6. Phân bố Rayleigh Trong phần này ta sẽ rút ra công thức cho phân bố Rayleigh cho môi trường NLOS. Ta xét trường hợp chỉ một tần số fc được phát và máy di động nhận được M tín hiệu tán xạ với cùng thời gian trễ. Tín hiệu tán xạ i đến máy di động tại góc i so với phương chuyển động cuả máy di động sẽ bị dịch Doppler như sau: vf c f di = cosi (6.

Nguyễn Phạm Anh Dũng trong dó v là tốc độ chuyển động của máy di động và c là tốc độ ánh sáng. i là một biến ngẫu nhiên có xác suất phân bố đều với hàm mật độ xác suất như sau:  1 ,   [-,]  p()   2  (6.6) 0, nÕu kh¸c Ta có thể biểu diễn tín hiệu cuả tia tán xạ i thu được tại máy di động như sau:  vf cosi  x i (t) = R i cos  2fc t  2 c t  i  (6.7)  c  Trong đó Ri là biên độ ngẫu nhiên của sóng i, i là pha ngẫu nhiên phân bố đều của sóng i. Ta có thể biểu diễn tần số của sóng i như sau: vf c f i () = f c + cos i (6.8) c Khai triển lượng giác (2.3) ta được:  vf cosi   vf cosi  x i (t) = R i cos  c t + i  cos2f c t - R isin  c t + i  sin2 f ct  c   c  = RIi(t)cos2fct-RQi(t)sin2fct (6.9) Trong đó: R Ii (t) = R i cos   vfc cosi t +   i  (6.10)  c  R Qi (t) = R i sin   vfc cosi t +   i  (6.11)  c  Ta có thể biểu diễn tín hiệu tổng của M tia tán xạ như sau M M x(t) =  R Ii (t)cos2πfc t -  R Qi (t)sin2πf c t i=1 i=1 = a1(t)cos2fct-a2(t)sin2fct =(t)cos[2fct+(t)] (6. Nguyễn Phạm Anh Dũng M R Q (t) =  R Qi (t) =a2 (t) (6.