CHƯƠNG 1 5ñ KIEN THỨC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG Tính theo công thức (1) tại khoảng cách chuẩn do. Sau đó, tính sự suy giảm tại khoảng cách d trong mối liên hệ với do theo decibels (dB), kết quả như sau: TL ga, = By + 10vlogi (2) 0 (2) trong đó: Lpan: suy hao đường truyền theo dB.
Ø;: Suy hao đường truyền theo khoảng cách chuẩn do, tính theo dB. v : thường có giá tri từ 2 đến 6, phụ thuộc vào tính chất của môi trường truyền. Trong trường hợp kênh truyền có phân bố Gauss, công thức (2) được mở rộng như sau: L ath = Øạ +10vlog,, (=) d +X (3) 0 với: X là bién ngẫu nhiên Gaussian trung bình bang 0, thường có giá tri là: 5- 12 [dB]. Mô hình kênh truyền như công thức (3) thường sử dụng trong thực tế dé thiết kế và phân tích hệ thống vô tuyến.
Fading [1]: Fading gây ra bởi nhiễu giữa hai hoặc nhiều phiên bản tín hiệu đến nơi thu trong những khoảng thời gian khác nhau không đáng kể. Các tín hiệu này có thể gọi đơn giản là tín hiệu đa đường, chúng kết hợp với nhau tại anten thu và bộ lọc match filter tương ứng thành một tín hiệu thu duy nhất. Kết quả là tín hiệu thu này có thé thay đổi rất lớn về biên độ và pha. Sự dao động nhanh của biên độ tín hiệu trong một khoảng thời gian ngăn, tương ứng với khoảng cách truyền ngăn thì suy hao kênh truyền có thể bỏ qua.
Hiệu ứng đa đường ngẫu nhiên và kết quả fading là một đối số có tính thống kê, khác nhau trong các mô hình kênh truyền vô tuyến khác nhau. Dé hiểu được đặc tính CHƯƠNG 1 6ñ KIEN THỨC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG của các mô hình kênh truyền, chúng ta cân tìm hiêu nguyên nhân va đặc tính cua fading.
Như tên gọi của nó, fading đa đường (multipath fading) xảy ra do có nhiều con đường dé một tín hiệu vô tuyến di từ nơi phát đến nơi thu. Tín hiệu tổng hop tại nơi thu là hoàn toàn ngẫu nhiên, với cường độ có thé thay đổi rất nhanh trong khoảng thời gian ngăn. Kênh truyền multipath có thể mô hình hóa như là một kênh truyền tuyến tính thay đối theo thời gian như mô tả trong hình 1.2: Mô hình kênh truyền multipath với đáp ứng xung tuyến tinh thay đổi theo thoi gian. Đặc tinh của kênh truyền đáp ứng xung tuyến tinh thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào các thông số khác nhau của kênh truyền.
Vi dụ như tốc độ di chuyến của thiết bị di động và ảnh hưởng của các vật thể xung quanh. Dựa vào mối quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông tín hiệu ta có thé phân kênh truyền vô tuyến thành hai loại: kênh truyền fading phăng và kênh truyền fading lựa chọn tan só. Kênh truyền fading phẳng (flat fading): Nếu kênh truyền có độ lợi cô định và đáp ứng pha tuyến tinh trong suốt băng thông kênh truyền, lớn hơn băng thông tín hiệu thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền fading phang hay kênh truyền không lựa chọn tan số. CHƯƠNG 1 7ñ KIEN THỨC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS.
CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG 7 «T,,B, «& B_ s(t) A(t.3: Minh họa kênh truyền fading phăng. Trong kênh truyền này, đáp ứng xung A(t,r) có thể xấp xỉ băng hàm delta tại r=0 có biên độ biến đổi theo thời gian.5(t), với 5() là hàm delta Dirac. Đây là kênh truyền băng hẹp với các đặc tính phố tín hiệu được giữ nguyên tại phía thu.
Chúng ta lưu ý rằng, một kênh truyền có thể là phăng ứng với một tốc độ truyền hoặc chu kỳ tín hiệu cho trước, nhưng lại không phăng với tốc độ truyền cao hơn. ta cần xác định băng thông kênh truyền để so sánh với băng thông của tín hiệu. Băng thông của kênh truyền thường được xác định thông qua trải trễ của nó. Dé tim trải trễ, chúng ta giả sử kênh truyền đa đường gồm I đường, công suất và trễ lần lượt là: p, và 7,.
Thời gian trễ trung bình là: I À_ mạ, r= I (4) SP, i=l Trải trễ được xác định như sau: ơ,=\r?-r. (5) VỚI: CHƯƠNG 1 8ñ KIEN THỨC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG — (6) Băng thông kênh truyền là: B.
Kênh truyền fading lựa chọn tân số: Ngược với trường hợp kênh truyền fading phang, ta có kênh truyền fading lựa chọn tần số. Nghĩa là, kênh truyền có băng thông nhỏ hơn băng thông của tín hiệu phát (Hình 1. Khi đó, sẽ tồn tại nhiễu ISI và tín hiệu thu sẽ bị méo. Trong trường hop nay, đáp ứng xung h(t,t) có thé xấp xi bởi một số ham delta như hình 1.
h(1,r) = 3 a (t)O(t —T,) (8) Tóm lai, dựa vào thời gian trễ đa đường, fading được chia lam hai loại: fading phăng và lựa chọn tân sô. T†>, Bị > Bp s(t) (t,t) r(t) Hoty fo} SUP) Ff) AY) PAN Hình 1.4: Minh hoa kênh truyền fading lựa chọn tan số. CHƯƠNG 1 on KIEN THUC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS.
HO VĂN KHƯƠNG Time Hình 1.5: Đáp ứng xung của kênh truyền lựa chọn tan số. Mô hình thống kê cho kênh truyền fading [1] [2]: Chúng ta tiến hành mô hình hóa kênh truyền fading bởi đáp ứng xung thay đổi tuyến tính theo thời gian. Đáp ứng xung được xấp xỉ bởi một hàm delta trong trường hợp kênh truyền fading phăng và trong trường hợp kênh truyền fading lựa chọn tần số là tập hợp các hàm delta. Như đề cập ở trên, bản chất của kênh truyền đa đường là biên độ của các ham delta là ngẫu nhiên.
Sự ngẫu nhiên này chủ yếu xuất phát từ sự đa đường và vị trí ngẫu nhiên của vật thể trong môi trường. Do đó, mô hình thống kê cần được nghiên cứu ti mi về đặc tính của biên độ và công suất của tín hiệu thu. Sau đây ta tiễn hành khảo sát hai mô hình thống kê fading phố biến là Rayleigh và Rician. Mô hình kênh truyền fading Rayleigh: Khi kênh truyền không ton tại tầm nhìn thang (LOS- Light of sight) thì bang thực nghiệm và lý thuyết các nhà nghiên cứu đã chứng minh được đường bao của tín hiệu thu tại thời điểm bất kỳ là một phân bố Rayleigh nên được gọi là kênh truyền fading Rayleigh.
Tín hiệu tại bộ thu có dạng: yữ) — Daal — 7,) (9) CHƯƠNG 1 108 KIEN THỨC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG trong đó: a; là các hệ sô suy hao dạng phức có thê được biêu dién như sau: a=a,(t)+ Jz,()= ale” (10) vỚI: Biên độ: a(t) = 2|z¿)+ ø?0) (11) a(t) Góc pha: ¢(f) = tg” a, (t) 1) 12 Trong các công thức trên, o,(t) va a;(t) là các qua trình ngẫu nhiên Gaussian có giá trị trung bình băng 0. Khi đó, ta có: - a(t) có đặc tính thống kê theo ham mật độ xác xuất (PDF) Rayleigh: a pla) =—> a O<a<a (13) Oo với ola phương sai của quá trình ngẫu nhiên Gauss.ÔÔÔ hốee er rr Ni ee ee l wee ew ee ee eee h ee ee _.
` : : ny ‘ : : \ : : : nan eee eee eee errr an .Bisese¿ } Ta nh ee eer a oman .Ạ Dae nag :8A:625:2 aan eee 4 ị Xi : : | Ñ : : ‘ he is E 0. oa peter scemmenseee Ảy nh net cece te ch nh nh ng nh cơ cơn mẽ 4 : : : i 0 ¡ i 0 8.6: Phân bố Rayleigh. CHƯƠNG 1 118 KIEN THUC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS.
HO VĂN KHƯƠNG 1. M6 hinh kénh truyén fading Rician: Khác với kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Rician tổn tại tầm nhìn thang giữa bộ phát và bộ thu. Tín hiệu LOS là thành phan chính trong tín hiệu tong hợp tại bộ thu. Khi đó, đường bao tín hiệu thu có phân bố Rician nên được gọi là kênh truyền fading Rician.
Tương tự kênh truyền fading Rayleigh, ta có: Tín hiệu tại bộ thu có dạng: L y(t) = > a,x(t — T;) (14) i=l trong đó, a; là các hệ sô suy hao dạng phức có thê được biêu diên như sau: a=a,(t)+ ja, (= ale” (15) VỚI: Biên độ: a(t) =a? (1) +077 (1) (16) Góc pha: g(t) = tg" a (17) at, (t) Trong các công thức trên, o,(t) và o,(t) là các qua trình ngâu nhiên Gaussian có giá trị trung bình băng khác 0. Khi đó, ta có: - a(t) có đặc tính thống kê theo ham mật độ xác suất (PDF) Rician: a?+4? pa)=-S-1| 4 2m, Qa Ø 0<a<» (18) với lo(x) là hàm Bessel loại 1, bậc 0: | H| eda I,(x) “>, +xcos 9 CHUONG 1 12ñ KIEN THỨC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG re 2 ` A AR 2 L4 on voi: A“ là công suât cua tín hiệu LOS.
2 - K=—: hệ sô Rician. 20 Đặc biệt: khi K =0, tương ứng với A = 0 thi ham Rician trở thành ham Rayleigh. oea K=0 4 ủ ——— K=2 1P ee ion ào:eee ee Ta ee HH sa HN: K=5 K=10 ¬ 14L - cành TẢ. sos + ee mm.
J | lt 5 BA : : : re mS ~ Nó 4 : : 0L --------- ram am. " eee eee - ri : + : : 04k--.2 oe a oe - OBR ef "" ee ee Ree ge acelin ales weawek Se nentereeneees - / Fe.7: Phân bo Rician. Dinh lý Shannon về dung lượng kênh truyền |3]: Hiện nay, với những yêu câu ngày càng cao về tốc độ, sự tin cậy của việc truyền dữ liệu thì bài toán tăng dung lượng kênh truyền trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Như ta đã biết, tốc độ tối đa có thể truyền là một đại lượng phụ thuộc vào nhiễu của kênh truyền.
Năm 1948, Claude Shannon hoàn thành tác phẩm kinh điển: “The Information Theory”. Trong tac phâm này, Shannon giới thiệu công thức xác định tốc độ cao nhất cho một kênh truyền (thường được gọi là giới hạn Shannon) như sau: C= Blog +3) [bps] (19) CHUONG 1 138 KIEN THUC CƠ BẢNñ SVTH: DANG THANH HUNG GVHD: TS. CHE VIET NHẬT ANH- TS. HO VĂN KHƯƠNG trong đó: B: Bang théng kénh truyén.
S/N: ty số tin hiệu trên nhiễu. C: dung lượng kênh truyền (tốc độ tối đa dữ liệu truyền không bị lỗi). Các hệ thong đa truy cập: Trong một hệ thông da user bao gồm một BS (trạm gốc) và K user, mỗi user đều có nhu cầu truy cập vào hệ thống. Do đó, mỗi BS phải cấp phát cho mỗi user quyên truy cập theo một số quy tắc đã định sẵn.