Chương I: Lý thuyết về kênh vô tuyến Chương II: Điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Chương III: Hệ thống đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân chia theo mã (MC-CDMA: Multi Carrier Code Division Multiplexing Access). Chương IV: Hệ thống cải thiện hiệu suất cho thông tin di động sử dung công nghệ CDMA /OFDM Bên cạnh đó, luận văn cũng đưa ra chương trình mô phóng để đánh giá về khả năng cải thiện hiệu suất sử dụng công nghệ MC-CDMA. Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu dắt, chỉ bảo tôi trong những năm vừa qua. Đặc biệt, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.
Đào Ngọc Chiến, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ. Nhân dip này, tôi cũng xin cảm ơn đến các bạn cùng lớp cao học điện tử khóa 2006-2008 đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn! 14 1 LY THUYET VE KENH VO TUYEN 1.1 Kênh truyền vô tuyến Xét mô hình chức năng của hệ thống thông tin vô tuyến điển hình: ty Nguôn tin >} Mãnguồn hóa | Mãkenhhóa | Đa nhập truy |+ ee Điêu chê. | Máy phat |x(t) Kênh truyền Nhận tin be Giải ma |g Giải mã || Đa truy lg Giai dieu «| Máy thu vt) nguôn kênh nhập chê Hinh 1.1: So đồ khối của hệ thống truyén tin Trong đó, kênh truyền là phương tiện truyền dẫn tín hiệu mang tin từ bên phát sang bên thu.
Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền sẽ là môi trường không khí do đó sẽ gọi là kênh 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 ôn định và có thể dự đoán được, kênh truyền VÔ tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề đễ 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 (reflection), tấn xa (scattering), nhiễu xạ (diffraction)., các hiện tượng này được gọi chung là Fading.
Và kết quá 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 thông thông tin vô tuyến.2 Các hiện tượng ánh hướng đến chất lượng kênh truyền: 1.1 Hiệu ứng đa đường (Multipath) Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xa, tan xa, nhiễu xạ. của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thắng (Line of Sight).
Tin higu thu duoc tai may thu là tống của các thành phần này, là một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đối rất nhiều so với tín hiệu ban đầu.2 Hiệu ứng Doppler: Gây ra bởi sự chuyên động tương đối của máy thu và máy phát và su di chuyên của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến. Khi sự chuyển động tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast fading).3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đổi. làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm.
Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading cham (slow fading). Các dạng kênh truyền: Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có + Kênh truyền chọn lọc tần số hay Kênh truyền Fading phẳng 16 + Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đối nhanh (Fast Channel)) hay Kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi chậm (Slow Channel).1 Kênh truyền Chọn Lọc Tần Số và Kênh truyền Fading Phẳng Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thé xem 1a phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1. tín hiệu ae E—¬ tối + fh phô Vv đáp ứng tần số của kênh truyền Hình 1.
Kênh truyền chọn lọc tẫn sé (fy <W) Trên hình 1.2a, ta nhận thấy kênh truyền có fạ nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số. mật đáp ứng tân số độ a của kênh truyền pho tín hiệu m ⁄ truyền w f —————»-————ả Hình 1.
Kénh truyén Fading phang (fy >W) 17 Ngược lại, trên hình 1.2b, kênh truyền có fy lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênh truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc., luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mắt đi. Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ. qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đối rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian). Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là Kênh truyền chọn lọc thời gian. Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian.4 Các đặc trưng của kênh fqding 1.1 Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian 1.1 Khái niệm đáp ứng xung của kênh truyền Đáp ứng xung của kênh truyền là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn được gọi là xung Dirac.
Trong đó, một xung được gọi là xung Dirac nếu thỏa mãn biểu thức sau: 5(t)=0 khitz0 [s0 =1 Với kênh không phụ thuộc thời gian thì đáp ứng xung của kênh sẽ là: N 1.) trong d6 a, là hệ số suy hao, :là trễ truyền dẫn của tuyến thứ k và N là số tuyến truyền dẫn.2 Mô hình quá trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không tương quan (WSSUS) Xét một hệ thống tuyến tính, đầu ra r() ứng với đầu vào s(/) của hệ thống này được biểu diễn = ae pak thu : (= f kccrysceae bởi biêu thức — (1.2) với kứ,/) được gọi là đặc trưng đầy đủ (/z⁄egral kernel) của hệ thống. Điều này có nghĩa rằng đầu ra của hệ thống ở thời điểm / là sự xếp chồng liên tục của các tín hiệu vào tại các thời điểm t' nhân với trọng số kứ. Lưu ý, trường hợp đặc trưng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào độ sai lệch /-?' tức là kứ,)=Ấ@~—z'), khi đó hệ thống là bất biến. Thay biến lấy tích phân bằng r =r~f là độ trễ giữa thời điểm vào 7” và thời điểm ra /, do vậy (1.2) trở thành: 19 r= Ỉ kí,t—+)s(—r)dr và định nghĩa đáp ứng xung phụ thuộc thời gian: h(t,t)=k(t,t—r) do đó nhận duge tin hiéu ra r(t): r(t)= Í h(r,f)s(—)dr và hàm truyền đạt của hệ thống là biến đổi Fourier của thành phần trễ thời gian r của đáp ứng xung: x HỢ,Đ= [ e'””“h(,Đár — khi đó tín hiệu nhận được r(/) có thể được viết thành: r= f eH.
de trong đó S(f la biến đối Fourier cia tín hiệu vào s(t) va H(t) la ham truyén dat phụ thuộc thời gian của kênh truyền. Giá sử rằng H//¡) là một quá trình ngẫu nhiên 2 chiều có trị trung bình bằng 0. Đồng thời, cũng coi hàm tự tương quan 2 chiều của H(z) la bất biến theo thời gian và tần số: E|HỰ,+ ƒ.3) Khi đó quá trình này sẽ được gọi là quá trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không tương quan (WSSUS). Hàm tự tương quan của quá trình ngẫu nhiên 2 chiều được định nghĩa bởi: R= LAG, + fat +OH fot) (14) và liên hệ với hàm tán xạ thông qua biêu thức: S„Œ)= i aff die?" e?™R(f,t) (1.5) 2 0 20 do #7) là quá trình ở băng gốc dạng phức của quá trình WSSUS, nên ta có: E|HỤ + ƒ.!)} =0 Ta có biến đổi Fourier 2 chiều của hàm truyền đạt phụ thuộc thời gian là: 2 1.6 GŒ,v)= [ af | dee? e PHL S.1) (6) và biên đôi Fourier ngược: HỰ.7) Sự bắt biến theo tần số được gọi là tán xạ không tương quan với lí do sau đây: Điều kiện (1.3) sẽ tương đương với điều kiện sau: E{GŒ,.v,)G'(z,,v,)} = ð(, r,)ổ(v, — v,)S(œ,, v,) với S(z,v) được định nghĩa bởi (1.
Từ đó ta rút ra một số nhận xét: -_ Đây là sự tổng quát hóa một thuộc tính của hệ thống WSSUS cho không gian 2 chiều: Biến đổi Fourier X/) của quá trình WSSUS x/) có đặc điểm là các giá trị Xớ;) và X/) ứng với các tần số khác nhau /; và fy la không tương quan. Từ điều kiện trên ta thấy Ơ(z,v) ứng với các tần số Doppler khác nhau và độ trễ khác nhau là không tương quan. -_ Trong hệ thống thực tế, tán xạ không tương quan sẽ không kéo dài lâu do các bộ lọc của phía thu sẽ tạo ra sự tương quan chéo giữa các độ trễ r VÀ 7,.2 Kênh AWGN Trong thực tế truyền dẫn, việc truyền dẫn luôn bị ánh hưởng của tạp âm. Mô hình toán học hay sử dụng trong trường hợp kênh truyền có tạp âm đó là kênh nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN).
Mô hình này được đánh giá rất tốt cho việc triển khai vật lý với điều kiện tạp âm nhiệt tại phía thu chỉ là 21 những nguồn nhiễu.