Chương 1: Giới thiệu đề tài 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu: Trên mô hình bài toán đề nghị, phƣơng pháp nghiên cứu là tập trung xây dựng giải thuật thích nghi hiệu quả với các hƣớng DOA xác định, hoặc user chuyển động (do đặc thù thiết kế, các trạm đƣợc lắp cố định), tính toán các thông số kỹ thuật phản ánh chất lƣợng của hệ thống. Với mô hình hệ thống đƣa ra, nền tảng lý thuyết và giải thuật đƣợc xây dựng, tác giả dùng chƣơng trình mô phỏng MATLAB để thực hiện mô phỏng. Sau đó so sánh kết quả đạt đƣợc từ mô phỏng và lý thuyết. HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 -6- GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan Chƣơng 2 TỔNG QUAN Hình 2.1: Mô hình truyền thông đa chặng Trái ngƣợc với các hệ thống thông thƣờng của tế bào, không có mối quan hệ chính-phụ giữa các nút, truyền thông đa chặng cho phép kết nối trực tiếp hoặc thông qua chuyển tiếp nhiều bƣớc nhảy. Trong nội dung nghiên cứu, tác giả quan tâm trực tiếp đến kênh truyền vô tuyến, điều chế, kỹ thuật xử lý tín hiệu tại các nút chuyển tiếp trong hệ thống truyền thông đa chặng. Trong chƣơng này sẽ trình bày các kiến thức về kênh truyền vô tuyến tại các chặng, kỹ thuật điều chế, xử lý tín hiệu tại các nút chuyển tiếp, kỹ thuật phân tập và mã không gian thời gian,. HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 7 GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan 2.1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN: 2.1 Giới thiệu Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống nhƣ kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán đƣợc, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu đƣợc 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 tƣợng này đƣợc gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát.
Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống thông tin vô tuyến. Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể đƣợc phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading). + Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tƣợng này chịu ảnh hƣởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu.
Ngƣời ta nói phía thu đƣợc bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tƣợng fading tầm rộng cho phép ta ƣớc lƣợng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách. + Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bƣớc sóng) giữa phía phát và phía thu.
Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time - spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time - variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đƣờng truyền sóng. Có 3 cơ chế chính ảnh hƣởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: + Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thƣớc rất lớn so với bƣớc sóng tín hiệu RF. HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 8 GVHD: TS.
Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan + Nhiễu xạ xảy ra khi đƣờng truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thƣớc lớn so với bƣớc sóng. Nhiễu xạ là hiện tƣợng giải thích cho nguyên nhân năng lƣợng RF đƣợc truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đƣờng truyền thẳng. Nó thƣờng đƣợc gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trƣờng tán xạ có thể đến đƣợc bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua. + Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lƣợng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hƣớng.
Trong môi trƣờng thành phố, các vật thể thƣờng gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.2 Các yếu tố ảnh hƣởng chất lƣợng kênh truyền 2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multi - path) Tán xạ Phản xạ Truyền thẳng Khúc xạ Che khuất Trạm di động Trạm gốc Tán xạ Hình 2.2: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thƣờng không bao giờ đƣợc truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận đƣợc chính là HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 9 GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan sự chồng chập của các sóng đến từ hƣớng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác.
Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự truyền sóng đa đƣờng (Multipath propagation). Do hiện tƣợng đa đƣờng, tín hiệu thu đƣợc là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hƣởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể đƣợc khôi phục lại hoặc bị hƣ hỏng hoàn toàn.
Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đƣờng và nơi thu nhận đƣợc các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tƣơng này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tƣợng méo gây ra bởi kênh truyền đa đƣờng thì tuyến tính và có thể đƣợc bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng. Chúng ta có thể tƣởng tƣợng là ném một hòn đá xuống hồ nƣớc.
Các vòm sóng phát đi từ điểm tiếp nƣớc của hòn đá là những đƣờng tròn đồng dạng chỉ khác nhau về biên độ sóng. Việc phát đơn hƣớng một tín hiệu cũng tƣơng tự vậy. Với một trạm gốc ở một vị trí nhất định sẽ dễ dàng phát tín hiệu riêng biệt đến đối tƣợng nếu nhƣ mẫu tín hiệu không bị nhiễu. Nhƣng khi các vòm sóng tín hiệu này va chạm vào các bờ chắn không gian, bị phản xạ lại và giao thoa với sóng gốc ban đầu.
Khi kết hợp nhau, chúng có thể yếu đi hay mạnh lên. Đó chính là vấn đề của nhiễu đa đƣờng. Các vấn đề liên quan đến đa đƣờng: Một trong những hệ quả của hiện tƣợng multipath mà chúng ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hƣớng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và nhƣ vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha (hình 2.3: Hai tín hiệu multipath HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 10 GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan Điều này sẽ ảnh hƣởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngƣợc pha.
Trƣờng hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngƣợc pha 1800 thì tín hiệu tới sẽ bị triệt tiêu (hình 2.4: Hai tín hiệu multipath ngƣợc pha nhau Fading: Khi sóng của các tín hiệu đa đƣờng ngƣợc pha, cƣờng độ tín hiệu sẽ bị giảm. Hiện tƣợng này vẫn đƣợc biết đến là “Rayleigh fading” hay “fading nhanh”. Sự suy giảm thay đổi liên tục hình thành những khe chữ V => cƣờng độ tín hiệu thu bị thay đổi thất thƣờng và rất nhanh chóng gây ra suy giảm về chất lƣợng (hình 2.5: Hiện tƣợng fading Một hệ quả nữa của hiện tƣợng multipath là “ trải trễ ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây nên giao thoa liên ký tự (intersymbol interference). Khi xảy ra hiện tƣợng này thì tốc độ lỗi bit sẽ tăng lên làm giảm đáng kể chất lƣợng của hệ thống (hình 2.
HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 11 GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan Hình 2.6: Các tín hiệu multipath đến ở những thời điểm khác nhau 2.2 Hiệu ứng Doppler Trạm phát 2 (t ) Tuyến 1 Vật phản Tuyến 2 1 (t ) xạ α1 v Hình 2.7: Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và máy thu nhƣ trình bày ở hình 2. Bản chất của hiện tƣợng này là phổ của tín hiệu thu đƣợc 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 hƣớng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là [5]: v f Dn f 0 cos n (2.1) c Trong đó f0, v, c lần lƣợt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tƣơng đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.
Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 12 GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Luận văn Thạc sỹ Chương 2: Tổng quan v f D,max f0 (2.2) c Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cƣờng độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hƣớng, khi đó phổ của tín hiệu tƣơng ứng với tần số Doppler đƣợc biểu diễn nhƣ sau: A f f0 2 nếu f 0 f D,max f f 0 f D,max 1 yy j 2f = f max (2.3) 0 các trƣờng hợp còn lại Phổ tín hiệu thu đƣợc biểu diễn lại ở hình 2. Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hƣởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974. Và đƣợc gọi là phổ Jake.