Mở đầu Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di động có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến, bao gồm: 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 Fading 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 của 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). Dịch Doppler: Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Nhiễu: 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: fading phạm vi rộng và fading 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 km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Fading phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa. Fading phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng 5 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Fading trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường.
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.1(a) 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 fading tương ứng với nó là fading chọn lọc không gian.1(b) 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 fading tương ứng với nó là fading chọn lọc tần số.1(c) 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 fading do nó gây ra là fading phân tập thời gian.
Dựa trên các đặc tính trên có thể phân chia fading kênh thành: fading chọn lọc không gian (fading phân tập không gian), fading chọn lọc tần số (fading phân tập tần số), fading chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ). Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian 6 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 2. Miền không gian Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian. Tổn hao đường truyền thuộc loại fading phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại fading phạm vi hẹp.
Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát, được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền. Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thể hiện rõ các đặc tính ngẫu nhiên. Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian). Ảnh hưởng của chọn lọc không gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten.
MIMO (Multiple Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dung lượng hệ thống. Miền tần số Trong miền tần số, kênh bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và chọn lọc tần số. Điều chế tần số Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra khi có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển động tương đối giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa đường bị dịch tần số.
Dịch tần số trong tần số thu do chuyển động tương đối này được gọi là dịch tần số Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ chuyển động, phương chuyển động của MS so với phương sóng tới của thành phần sóng đa đường. Dịch Doppler BD có thể được biểu diễn như sau: BD cos f c cos c Trong đó là tốc độ của MS, là bước sóng, là góc giữa phương chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang. Từ phương trình trên cho thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tới 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 và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm 7 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp tăng độ rộng băng tần tín hiệu.
Khi (hoặc ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler. Chọn lọc tần số Phân tích chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số: băng thông nhất quán. Băng thông nhất quán là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh fading được coi là kênh fading phẳng (là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được truyền qua có khuếch đại như nhau và pha tuyến tính). Băng thông nhất quán cho ta dải tần trong đó các thành phần tần số có biên độ tương quan.
Fading chọn lọc tần số rất khác với fading phẳng. Trong cùng một kênh fading phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng của fading. Ngược lại fading chọn lọc tần số, một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh fading bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này. Nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số ( phân tập tần số).
Fading này sẽ làm méo tín hiệu. Miền thời gian Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là fading chọn lọc thời gian. Có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian.
Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau: yt x t h t , d x t h t , Trong đó t là biến thời gian, là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định, ‘*’ là ký hiệu tích chập. 8 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân tán thời gian hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời), hay trải trễ xảy ra khi một tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài khác nhau.
Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau. Vì vậy tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của tán thời này sẽ bị méo dạng. Khi thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ này. Tán thời có thể được đặc trưng bởi trễ trội trung bình( trễ trội trung bình quân phương).
Trễ trội trung bình quân phương Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trễ trội trung bình quân phương (RDS: Root Mean Square Delay Spread). RDS đánh giá cho trải đa đường của kênh. Vì thế được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). ___ __ 2 2 P k k k P k k ____ P k 2 k 2 k P k k trong đó P(k) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm k.
Trễ trội cực đại Trễ trội cực đại (XdB) của lý lịch trễ công suất được định nghĩa là trễ thời gian mà ở đó năng lượng đa đường giảm X(dB) so với năng lượng cực đại. Thời gian nhất quán Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán. Thời gian nhất quán xác định đặc tính "tĩnh" của kênh. Thời gian nhất quán là thời gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên độ của tín hiệu thu, được ký hiệu là Tc.
Các ký hiệu khác nhau truyền 9 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp qua kênh trong khoảng thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng fading như nhau. Vì thế nhận được một kênh fading khá chậm. Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quán sẽ bị ảnh hưởng fading khác nhau, khi này kênh fading khá nhanh. Như vậy dưới tác động của fading nhanh, một số phần của ký hiệu tin sẽ chịu tác động fading lớn hơn các phần khác.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 2.