MỞ ĐẦU Các mạng không dây thế hệ mới yêu cầu chất lượng âm thanh cao đạt các tiêu chuẩn di động hiện tại và phải cung cấp được các dịch vụ truyền dữ liệu lên tới 2 Mbit/giây. Với yêu cầu về các thiết bị di động ngày càng phải gọn nhỏ hơn, hoạt dộng tốt trong các môi trường khác nhau (thành thị, nông thôn, ngoại thành, trong nhà, ngoài trời…). Mặt khác, các hệ thống viễn thông thế hệ sau ngày càng phải có chất lượng cao hơn nữa, tận dụng dải thông tốt hơn nữa và hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt khác nhau. Các công nghệ hiện tại đều phải gắng sức đáp ứng các nhu cầu thị trường ngày càng mở rộng.
Tuy nhiên yếu tố kinh tế là không thể bỏ qua khi áp dụng công nghệ mới vào thực tiễn vì cấu trúc các trạm sẽ càng phức tạp hơn nữa để đáp ứng được các yêu cầu của mạng thế hệ sau. Một hiện tượng luôn gây những ảnh hưởng xấu tới truyền không dây không thể bỏ qua đó là nhiễu đa đường theo thời gian [1]. Hiện tượng này chính là hạn chế của truyền thông không dây so với sợi quang, cáp đồng trục, sóng vi ba truyền thẳng (LOS) và vệ tinh. Tăng chất lượng và giảm tỉ lệ lỗi trên các kênh phadinh đa đường là rất khó.
Với trường hợp nhiễu trắng cộng tính có sử dụng các phương pháp điều chế phổ biến và các phương pháp mã hoá thì để có thể giảm tỷ lệ lỗi bit (SNR) từ 10-2 xuống 10-3 thì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) chỉ cần tăng 1 – 2 dB. Tuy nhiên với trường hợp nhiễu phadinh đa đường thì SNR phải tăng thêm 10 dB. Giải pháp tăng SNR bằng cách tăng công suất tín hiệu hay dải thông rõ ràng không phải là giải pháp tốt vì nó đi ngược lại tiêu chí của hệ thống thế hệ sau. Vì vậy, cần có các giải pháp loại phadinh tại cả các máy di động và các trạm cơ sở mà không phải tăng công suất hay hi sinh dải thông.
Về mặt lý thuyết phương pháp tốt nhất là điều khiển công suất phát. Nghĩa là nếu kênh truyền bên máy thu được xác định tại máy phát thì bên 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com máy phát có thể lắp đặt một bộ đoán trước tín hiệu để loại trừ các hiệu ứng kênh truyền. Tuy nhiên phương pháp này lại có 2 nhược điểm chính. Nhược điểm đầu tiên (cũng là hạn chế lớn nhất) đó là cần một dải động lớn tại máy thu.
Cụ thể đó là để máy phát loại trừ được phading thì phải khuếch đại tín hiệu lên cùng một mức, điều này rất khó thực hiện bởi những giới hạn về công suất phát và cấu trúc bộ khuếch đại sẽ rất phức tạp. Hạn chế thứ hai của phương pháp này đó là máy phát khó mà có thể biết được đặc trưng của kênh truyền tới máy thu (trừ trường hợp đường lên và đường xuống sử dụng chung một tần số sóng mang). Vì thế, thông tin kênh truyền sẽ phải được phản hồi trở lại máy phát. Điều này lại làm giảm thông lượng của hệ thống và làm tăng độ phức tạp tại cả máy thu và máy phát.
Hơn nữa, trong rất nhiều ứng dụng thì không có phản hồi từ máy thu trở về máy phát được. Một phương pháp khác đó là phân tập theo tần số. Xáo trộn tín hiệu theo thời gian cùng với mã sửa sai có thể cải tiến việc phân tập. Kỹ thuật trải phổ cũng đem lai hiệu quả tốt.
Tuy nhiên, xáo trộn tín hiệu sẽ gây trễ lớn khi kênh truyền biến động chậm. Tương tự, các kỹ thuật trải phổ cũng sẽ không hiệu quả khi dải thông liên kết (coherence bandwidth) của kênh truyền lớn hơn dải tần trải phổ. Trong hầu hết các môi trường phân tán thì phân tập dùng anten là thực tiễn nhất và vì thế phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong loại trừ nhiễu đa đường phading [1]. Các phương pháp truyền thống là sử dụng các anten tại máy thu để kết hợp, lựa chọn hay chuyển đường.
Khó khăn chính của phân tập tại máy thu lại là giá tiền, kích thước và công suất của máy thu. Việc sử dụng nhiều anten và các mạch xử lý tần số vô tuyến làm cho máy thu trở nên cồng kềnh và đắt tiền. Vậy là các kỹ thuật phân tập nên ứng dụng vào các trạm cơ sở. Các trạm cơ sở thường phục vụ cho vài trăm tới vài ngàn thuê bao di động vì thế nên sẽ rất tiết kiệm.
Vì thê, phân tập ở máy phát đã dành được sự quan tâm rộng rãi nhất. Thông thường thì một anten nữa sẽ được đặt 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thêm tại trạm cơ sở để tăng chất lượng cho tất cả các thuê bao di động mà trạm cơ sở ấy đang phục vụ. Trong luận văn này của tôi, phương pháp tổ hợp tối ưu được nghiên cứu và áp dụng trong việc phân tập anten tại nơi thu và phân tập anten tại nơi phát. Luận văn đi sâu vào việc phân tích ưu và nhược điểm của từng phương pháp đồng thời so sánh và kiến nghị khi áp dụng vào thực tiễn.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I 1. Phading trong kênh thông tin - mô hình toán học Phading là một thuật ngữ dùng để mô tả sự thăng giáng biên độ rất nhanh ở anten thu tín hiệu vô tuyến trong một chu kỳ thời gian ngắn. Phading là một hiện tượng thông thường xảy ra ở trong kênh truyền thông di động, ở đó có nhiễu giữa 2 hoặc nhiều phiên bản tín hiệu phát đi, được truyền tới anten thu, thu được tại các thời điểm khác nhau. Tín hiệu thu được rất có thể bị méo về biên độ và pha, phụ thuộc vào sự thay đổi các hệ số như cường độ, thời gian truyền sóng, độ rộng băng thông của tín hiệu truyền… 1.1 Mô hình toán học.
Giả sử tín hiệu được phát đi có dạng: y (t ) A cos 2f c t truyền qua một kênh phading. Tín hiệu thu được có thể mô tả như sau (bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu) N y (t ) A a i cos(2f c t i ) (1.1) i 1 Ở đó: ai là hệ số suy giảm của tín hiệu thu được thứ i θi là pha của tín hiệu thứ i thu được Trong đó có thể ai và là các biến ngẫu nhiên. Theo phương trình trên ta có thể biểu diễn lại như sau: y (t ) A a i cos( i ) cos(2f c t ) a i sin( i ) sin(2f c t ) (1.2) Chúng ta đưa ra 2 biến ngẫu nhiên X1(t) và X2(t), phương trình được viết lại: y (t ) AX 1 (t ) cos(2f c t ) X 2 (t ) sin(2f c t ) (1.3) Nếu giá trị của N đủ lớn, theo định lý giới hạn trung tâm, ta có xấp xỉ X1(t) và X2(t) là biến ngẫu nhiên Gauss với trị trung bình bằng không, phương sai 2 a. Phương trình 1.3 có thể viết lại là: y (t ) AR (t ) cos(2f c t (t )) (1.4) 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ở đó biên độ của sóng thu được R(t) cho bởi: R(t ) X 1 (t ) 2 X 2 (t ) 2 (1.5) X1(t) và X2(t) là các biến Gauss, nên có thể biểu diễn R(t) theo hàm phân bố Rayleigh vói hàm mật độ cho bởi.6) 2 2 Pha của sóng thu được cho bởi: X 2 (t ) (t ) tan 1 (1.8) 2 Sự suy hao của pha có thể dễ dàng khắc phục nếu dùng các cách điều chế khác nhau.
Méo biên độ R(t) sẽ rất xấu khi hệ thống truyền thông số truyền qua các kênh phading. Vì vậy, để đơn giản bài toán, chúng ta giả sử Phading là không đổi tại một khoảng thời gian xác định. Hình 1 (a, b, c) minh hoạ cho trường hợp hệ thống không dây QAM16 ứng với các trường hợp lý tưởng, trường hợp chỉ chịu tác động của kênh có nhiễu trắng cộng tính AWGN và trường hợp kênh Rayleigh + AWGN. Hình 2 mô tả quan hệ giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) với tỷ lệ lỗi bit (BER) ứng với trường hợp kênh có nhiễu AWGN và trường hợp kênh Rayleigh + AWGN.
Chúng ta có thể thấy tác động trầm trọng của nhiễu phađing như thế nào. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.a Chòm sao QAM 16 lý tưởng Hình 1.b Chịu tác động của kênh truyền AWGN 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.c Chịu tác động của kênh truyền Phading & AWGN Hình 2. Tỷ lệ lỗi bit trong môi trường có nhiễu 1.2 SNR tức thời trên mỗi bit. Sau khi giả thiết phading là không đổi trong một khoảng thời gian xác định.
Chúng ta có thể biểu diễn hiện tượng phading sử dụng một biến ngẫu nhiên R. Từ đó suy hao biên độ được thể hiện bởi hệ số SNR tức thời trên mỗi bit b là một biến ngẫu nhiên được cho bởi: 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.9) N0 Ta có R tuân theo phân bố Rayleigh theo phương trình 1.6, nên hàm phân bố tuân theo hàm cho bởi: 1 b b f b ( b ) e (1.10) b ở đó b là giá trị trung bình của SNR của từng bit cho bởi: b Eb N0 E R2 (1. Khi ta có một giá trị b , xác suất lỗi Pe (đối với điều chế PSK nhị phân) cho bởi: Pe ( b ) Q 2 b (1.12) Do đó xác suất lỗi trung bình với biến ngẫu nhiên b có thể tính trực tiếp theo công thức: Pe Pe b f b b d b (1.13) 0 Kết quả của tích phân trên đối với điều chế PSK nhị phân: 1 b Pe 1 (1.14) 2 1 b Trong trường hợp giá trị SNR lớn và b lớn hơn rất nhiều so với 1, ta có thể biểu diễn công thức trên một cách đơn giản: 1 Pe (1.15) 4 b Ảnh hưởng của hiệu ứng Phading là hiển nhiên theo công thức trên. Pe giảm tuyến tính với sự tăng của b.
Nó sẽ làm giảm hiệu suất công suất của một hệ thống truyền thông số, nếu ta không ngăn chặn được phading. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Phân tập Một trong những cách có hiệu quả nhất và kỹ thuật đơn giản để giảm hiệu ứng phading là sử dụng tính phân tập.