Luận văn thạc sĩ VNU UET: Nghiên cứu các phương pháp tổ hợp tối ưu

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu các phương pháp tổ hợp tối ưu, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và hiệu quả trong thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Tùng
• Người hướng dẫn: Thầy Huỳnh Hữu Tuệ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Công nghệ
• Chuyên ngành: Thạc sĩ
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Phương Pháp Tổ Hợp Tối Ưu
• Loại tài liệu: Luận văn

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHADING TRONG KÊNH THÔNG TIN - MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 1.1. Mô hình toán học
• 1.2. SNR tức thời trên mỗi bit
• 1.3. Phân tập
• 1.3.1. Phân tập lựa chọn (SC)
• 1.3.2. Kết hợp hệ số cân bằng (EGC)
• 1.3.3. Tổ hợp tối ưu (MRC)
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TẬP MÁY THU DÙNG TỔ HỢP TỐI ƯU
• 2.1. Tổ hợp tối ưu
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TẬP MÁY PHÁT DÙNG TỔ HỢP TỐI ƯU
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Xây dựng mô hình kênh truyền Rayleigh
• 4.2. Méo do tác động của kênh truyền Rayleigh lên chòm sao ký hiệu
• 4.3. Phân tập máy thu dùng tổ hợp tối ưu
• 4.4. Phân tập máy phát dùng tổ hợp tối ưu
• 4.4.1. Phân tập máy phát dùng tổ hợp tối ưu: 2 anten phát và 1 anten thu
• 4.5. Tác động của các loại nhiễu khác nhau lên hệ thống
• 4.6. So sánh phân tập máy phát và phân tập máy thu
• 4.7. Yêu cầu công suất
• 4.8. Lỗi khi ước lượng kênh truyền
• 4.9. Những ảnh hưởng của trễ
• PHỤ LỤC A: MÃ CHƯƠNG TRÌNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu các phương pháp tổ hợp tối ưu trong luận văn thạc sĩ VNU UET

Nghiên cứu các phương pháp tổ hợp tối ưu là một lĩnh vực quan trọng trong luận văn thạc sĩ tại VNU UET. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền thông mà còn giải quyết các vấn đề phức tạp trong hệ thống viễn thông hiện đại. Luận văn này sẽ phân tích các phương pháp tổ hợp tối ưu, từ đó đưa ra những giải pháp khả thi cho các thách thức trong lĩnh vực này.

1.1. Định nghĩa và vai trò của phương pháp tổ hợp tối ưu

Phương pháp tổ hợp tối ưu là kỹ thuật sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền thông. Nó giúp tối ưu hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit (BER). Việc áp dụng các phương pháp này trong nghiên cứu sẽ mang lại giá trị thực tiễn cao.

1.2. Lịch sử và phát triển của nghiên cứu tại VNU UET

Tại VNU UET, nghiên cứu về các phương pháp tổ hợp tối ưu đã được tiến hành từ nhiều năm qua. Các luận văn thạc sĩ đã đóng góp đáng kể vào việc phát triển lý thuyết và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực viễn thông.

II. Các thách thức trong nghiên cứu phương pháp tổ hợp tối ưu

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng nghiên cứu các phương pháp tổ hợp tối ưu cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như nhiễu đa đường, phading và yêu cầu về công suất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Nhiễu đa đường và ảnh hưởng đến hiệu suất

Nhiễu đa đường là một trong những thách thức lớn nhất trong truyền thông không dây. Nó gây ra sự suy giảm chất lượng tín hiệu và làm tăng tỷ lệ lỗi. Việc hiểu rõ về nhiễu đa đường là cần thiết để phát triển các phương pháp tổ hợp tối ưu hiệu quả.

2.2. Phading và giải pháp khắc phục

Phading là hiện tượng gây ra sự biến động biên độ tín hiệu trong thời gian ngắn. Để khắc phục vấn đề này, các phương pháp như phân tập và tổ hợp tối ưu cần được áp dụng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các giải pháp khả thi để giảm thiểu ảnh hưởng của phading.

III. Phương pháp tổ hợp tối ưu Tổ hợp tối ưu và ứng dụng

Phương pháp tổ hợp tối ưu (MRC) là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất trong việc cải thiện SNR. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các phương pháp tổ hợp tối ưu và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

3.1. Tổ hợp tối ưu MRC và nguyên lý hoạt động

Tổ hợp tối ưu (MRC) là phương pháp kết hợp tín hiệu từ nhiều anten để đạt được SNR tối ưu. Nguyên lý hoạt động của MRC dựa trên việc đồng bộ pha và nhân trọng số các tín hiệu thu được.

3.2. So sánh giữa các phương pháp tổ hợp khác nhau

Nghiên cứu sẽ so sánh MRC với các phương pháp khác như SC và EGC. Kết quả cho thấy MRC mang lại hiệu suất tốt hơn trong nhiều tình huống thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp tổ hợp tối ưu trong nghiên cứu

Các phương pháp tổ hợp tối ưu đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ viễn thông đến công nghệ thông tin. Nghiên cứu này sẽ trình bày các ứng dụng thực tiễn của chúng.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống viễn thông

Trong hệ thống viễn thông, các phương pháp tổ hợp tối ưu giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và giảm thiểu tỷ lệ lỗi. Việc áp dụng MRC trong các trạm phát sóng đã cho thấy hiệu quả rõ rệt.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ thông tin

Ngoài viễn thông, các phương pháp tổ hợp tối ưu cũng được áp dụng trong công nghệ thông tin, đặc biệt là trong việc xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu. Điều này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phương pháp tổ hợp tối ưu

Nghiên cứu các phương pháp tổ hợp tối ưu là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phương pháp tổ hợp tối ưu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền thông. Việc áp dụng MRC và các phương pháp khác đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong thực tiễn.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng để khám phá các phương pháp mới và cải tiến hiện có. Việc tích hợp công nghệ mới vào nghiên cứu sẽ là một trong những hướng đi quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên truyền thông không dây băng rộng, các hệ thống mạng di động luôn đối mặt với thách thức suy giảm chất lượng truyền dẫn do hiện tượng đa đường fading Rayleigh và tạp âm trắng cộng tính AWGN. Trong môi trường chỉ có nhiễu trắng cộng tính, để cải thiện tỷ lệ lỗi bit từ 0,01 xuống 0,001, tỷ số tín hiệu trên nhiễu chỉ cần tăng từ 1 dB đến 2 dB. Tuy nhiên, dưới tác động của fading đa đường theo thời gian, tỷ số tín hiệu trên nhiễu bắt buộc phải tăng thêm khoảng 10 dB để đạt được mức cải thiện tương đương. Việc nâng cao công suất máy phát hoặc mở rộng dải thông không còn là giải pháp khả thi khi các thiết bị đầu cuối yêu cầu kích thước ngày càng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và tốc độ truyền dữ liệu phải đạt mức 2 Mbit/giây trong các môi trường đô thị phức tạp.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng và triệt tiêu ảnh hưởng của fading thông qua các phương pháp phân tập không gian, cụ thể là phân tập máy thu sử dụng tổ hợp tỷ số tối đa và phân tập máy phát sử dụng mã hóa không gian - thời gian Alamouti. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học giải tích, thiết lập thuật toán mô phỏng đánh giá phẩm chất hệ thống qua tỷ lệ lỗi bit và tỷ lệ lỗi ký hiệu, đồng thời phân tích tương quan giữa chất lượng truyền thông và độ phức tạp phần cứng. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên mô hình kênh truyền vô tuyến tại tần số sóng mang 900 MHz, tốc độ di chuyển phương tiện 3 km/giờ và tần số dịch Doppler cực đại là 2,5 Hz. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn, giúp cân bằng mức tiêu hao 3 dB công suất phát với việc tinh giản cấu trúc máy thu, nâng cao hiệu quả phổ và giảm chi phí xây dựng trạm gốc viễn thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai trụ cột lý thuyết cơ bản: Lý thuyết truyền sóng vô tuyến trong môi trường fading đa đường Rayleigh kết hợp nhiễu AWGN và Lý thuyết phân tập không gian đa anten. Khi tín hiệu truyền qua môi trường có nhiều vật cản, biên độ bao tín hiệu thu tuân theo hàm mật độ phân bố Rayleigh, khiến tín hiệu suy hao nghiêm trọng theo biến ngẫu nhiên hàm mũ.

Hệ thống khái niệm chính bao gồm:

• Phân tập lựa chọn: Bộ thu liên tục đo đạc và chọn ra một nhánh duy nhất có tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất để xử lý.
• Kết hợp hệ số cân bằng: Tất cả các tín hiệu từ các nhánh thu được đồng pha hóa rồi cộng trực tiếp với nhau mà không gán trọng số suy hao.
• Tổ hợp tỷ số tối đa: Tín hiệu trên từng nhánh được đồng bộ pha và nhân với trọng số tỷ lệ thuận với biên độ suy hao kênh truyền, chứng minh qua bất đẳng thức Cauchy-Schwarz nhằm tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên tạp âm ngõ ra.
• Mã khối không gian - thời gian Alamouti: Kỹ thuật truyền hai ký hiệu độc lập từ hai anten phát qua hai chu kỳ thời gian liên tiếp, tạo ra bậc phân tập bậc hai tại đầu thu mà không cần thông tin phản hồi kênh truyền về phía phát.
• Bậc phân tập: Đại lượng đặc trưng cho độ dốc suy giảm của tỷ lệ lỗi bit theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở vùng năng lượng cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số Monte Carlo kết hợp mô hình kênh truyền đa đường Jakes kinh điển. Dữ liệu được sinh ngẫu nhiên độc lập với kích thước mẫu khảo sát linh hoạt từ 2.000 ký hiệu, 6.000 bit cho đến 1.000.000 bit trên từng mức tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhằm bảo đảm tính hội tụ xác thực của đường cong tỷ lệ lỗi. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu giả ngẫu nhiên đồng đều đối với các chuỗi bit thông tin nhị phân và phân phối Gauss độc lập cho các thành phần thực, ảo của đáp ứng kênh truyền.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số Monte Carlo là vì việc tính toán tích phân giải tích đóng cho các hệ thống phân tập đa nhánh trong môi trường fading ngẫu nhiên có độ phức tạp toán học rất cao, trong khi mô phỏng số cho phép kiểm tra chính xác hành vi phi tuyến của các bộ giải mã hợp lẽ tối đa. Timeline nghiên cứu được thiết lập qua chuỗi thử nghiệm mô phỏng toàn diện: Khảo sát thống kê phân bố biên độ kênh truyền với 10.000 mẫu tín hiệu, phân tích biến dạng chòm sao ký hiệu, và đo đạc tỷ lệ lỗi bit trên dải tỷ số tín hiệu trên tạp âm từ 0 dB đến 10 dB (và mở rộng đến 25 dB) với các chuẩn điều chế số 2PSK, QPSK, 8PSK và 16QAM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích đã đưa ra bốn phát hiện cốt lõi về hiệu năng của các phương pháp tổ hợp:

• Thứ nhất, phương pháp tổ hợp tỷ số tối đa đạt hiệu năng vượt trội so với phân tập lựa chọn và kết hợp hệ số cân bằng. Tại mức tỷ số tín hiệu trên nhiễu 6 dB của hệ thống điều chế 2PSK, phương pháp tổ hợp tối đa cho tỷ lệ lỗi bit thấp hơn phương pháp kết hợp hệ số cân bằng khoảng 1,5 dB và vượt trội hơn phương pháp phân tập lựa chọn hơn 2,5 dB.
• Thứ hai, tăng số lượng anten thu trong hệ thống tổ hợp tỷ số tối đa làm tăng trực tiếp bậc phân tập. Khi tăng cấu hình từ 1 anten lên 2, 4 và 6 anten thu trên các sơ đồ điều chế QAM16, 8PSK và QPSK, tỷ lệ lỗi bit giảm theo hàm nghịch đảo của lũy thừa bậc phân tập, giúp cải thiện chất lượng kênh truyền hơn 50% ở các vùng tín hiệu yếu.
• Thứ ba, phương pháp phân tập máy phát Alamouti với 2 anten phát và 1 anten thu tạo ra bậc phân tập bằng 2, hoàn toàn tương đương về mặt toán học với hệ thống phân tập máy thu tổ hợp tỷ số tối đa gồm 1 anten phát và 2 anten thu. Tương tự, cấu hình 2 anten phát và 2 anten thu đạt bậc phân tập bằng 4, tương đương cấu hình phân tập máy thu 4 anten.
• Thứ tư, khi duy trì cùng một mức tổng công suất phát, phương pháp phân tập máy phát chịu tổn hao 3 dB về tỷ số tín hiệu trên nhiễu so với phân tập máy thu do năng lượng phát phải chia đều cho hai nhánh anten phát riêng biệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân toán học dẫn đến hiệu năng vượt trội của tổ hợp tỷ số tối đa xuất phát từ việc lựa chọn véc-tơ trọng số w tỷ lệ tuyến tính với đáp ứng kênh h, giúp tỷ số tín hiệu trên nhiễu ngõ ra bằng tổng đại số của các tỷ số tín hiệu trên nhiễu thành phần. Kết quả này hoàn toàn thống nhất với các nghiên cứu lý thuyết viễn thông kinh điển của Jakes và Rappaport.

Dữ liệu mô phỏng trong luận văn có thể được trình bày trực quan thông qua:

• Đồ thị bán logarit biểu diễn đường cong tỷ lệ lỗi bit theo tỷ số năng lượng bit trên mật độ tạp âm từ 0 dB đến 10 dB.
• Biểu đồ phân bố tần suất cho hai thành phần đồng pha và vuông pha của kênh truyền Rayleigh tại tần số 900 MHz.
• Đồ thị chòm sao ký hiệu minh họa mức độ phân tán điểm tín hiệu trước và sau khi áp dụng thuật toán tổ hợp tối ưu.
• Bảng tổng hợp đối sánh giữa các sơ đồ phân tập máy phát và phân tập máy thu.

Sự đánh đổi 3 dB công suất trong phân tập máy phát thực chất mang lại lợi thế kinh tế rất lớn. Thay vì phải sử dụng một bộ khuếch đại công suất lớn đắt tiền tại máy phát đơn và tích hợp nhiều mạch xử lý tần số vô tuyến phức tạp trên thiết bị di động nhỏ gọn, kỹ thuật này cho phép sử dụng hai bộ khuếch đại công suất nhỏ hơn, rẻ hơn và có độ tuyến tính cao hơn tại trạm gốc, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất phần cứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận rút ra từ mô hình giải tích và thực nghiệm mô phỏng, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa hạ tầng viễn thông:

• Triển khai kỹ thuật mã hóa khối không gian - thời gian Alamouti 2 anten tại các trạm thu phát gốc nhằm tối ưu hóa đường xuống, đặt mục tiêu duy trì tỷ lệ lỗi ký hiệu dưới 0,001 cho thiết bị di động trong lộ trình nâng cấp hạ tầng từ 6 đến 12 tháng do các nhà khai thác mạng viễn thông chủ trì.
• Ứng dụng thuật toán tổ hợp tỷ số tối đa tại các anten thu của trạm gốc cho đường lên để tăng độ nhạy thu thêm từ 3 dB đến 6 dB mà không làm tăng kích thước hay tiêu hao năng lượng của máy di động, hoàn thành trong vòng 18 tháng bởi đội ngũ kỹ sư thiết kế hệ thống.
• Tối ưu hóa chu kỳ chèn ký hiệu hoa tiêu với tốc độ lấy mẫu lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số Doppler cực đại (tối thiểu đạt 5 Hz trong điều kiện di chuyển 3 km/giờ ở dải tần 900 MHz) nhằm khống chế sai số ước lượng kênh truyền dưới 1%, tiến hành trong giai đoạn đo kiểm thực địa kéo dài 3 tháng.
• Đầu tư thay thế các bộ khuếch đại công suất đơn công suất cao bằng các cụm hai bộ khuếch đại công suất nhỏ có tính tuyến tính vượt trội tại trạm phát, giúp giảm 20% đến 30% chi phí linh kiện phần cứng trong chu kỳ tái cấu trúc thiết bị 2 năm của các đơn vị sản xuất phần cứng viễn thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế hệ thống phần cứng vô tuyến và trạm gốc: Khai thác chi tiết các phương trình giải tích công suất và mô hình phân bổ anten để tính toán đường truyền, thiết kế mạch tổ hợp tín hiệu và tối ưu hóa chi phí sản xuất bộ khuếch đại.
• Nhà nghiên cứu và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng khung toán học về bất đẳng thức Cauchy-Schwarz, mô hình kênh Jakes và bộ mã nguồn mô phỏng Monte Carlo làm nền tảng phát triển các cấu hình đa anten MIMO mở rộng.
• Chuyên gia quy hoạch mạng và quản lý kỹ thuật tại các nhà mạng: Vận dụng các phát hiện so sánh giữa phân tập phát và phân tập thu để đưa ra quyết định đầu tư hạ tầng trạm gốc, tối ưu hóa dung lượng phục vụ cho hàng nghìn thuê bao trên mỗi cell.
• Giảng viên và sinh viên khối ngành Công nghệ Thông tin và Truyền thông: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang tham khảo chuyên sâu phục vụ giảng dạy và thực hành các môn học Xử lý tín hiệu số, Cơ sở truyền thông không dây và Lý thuyết thông tin.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật phân tập không gian mang lại ưu điểm gì vượt trội so với việc tăng công suất phát?

Khi đối mặt với hiện tượng fading Rayleigh đa đường, việc tăng công suất phát gây tốn kém năng lượng, tăng can nhiễu đồng kênh và đòi hỏi bộ khuếch đại cồng kềnh. Phân tập không gian tận dụng tính độc lập thống kê giữa các anten cách nhau một khoảng cách hợp lý để phục hồi tín hiệu, giúp giảm tỷ lệ lỗi bit mà không cần tăng mức công suất phát đỉnh của hệ thống.

Tại sao tổ hợp tỷ số tối đa lại đạt hiệu năng cao hơn phân tập lựa chọn và kết hợp hệ số cân bằng?

Phân tập lựa chọn bỏ phí thông tin từ các nhánh còn lại, trong khi kết hợp hệ số cân bằng cộng các nhánh mà không tính đến mức độ suy hao. Tổ hợp tỷ số tối đa nhân mỗi nhánh với trọng số tỷ lệ thuận với biên độ suy hao và triệt tiêu độ lệch pha, giúp tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng theo bất đẳng thức Cauchy-Schwarz.

Nguyên nhân nào khiến phân tập máy phát Alamouti chịu tổn hao 3 dB so với tổ hợp tỷ số tối đa máy thu?

Để bảo đảm tính công bằng khi so sánh tổng công suất phát giữa hệ thống 1 anten phát và hệ thống 2 anten phát, mỗi anten trong sơ đồ Alamouti chỉ được cấp một nửa năng lượng cho mỗi ký hiệu. Sự phân chia năng lượng này làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu ngõ vào tại máy thu đi một nửa, tương ứng với mức suy giảm 3 dB.

Tốc độ di chuyển của thiết bị di động ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác ước lượng kênh truyền?

Tốc độ di chuyển tạo ra độ dịch tần Doppler làm đáp ứng kênh thay đổi nhanh theo thời gian. Nếu tốc độ chèn ký hiệu hoa tiêu thấp hơn hai lần tần số Doppler cực đại theo tiêu chuẩn lấy mẫu Nyquist, máy thu sẽ bị lỗi nội suy đáp ứng kênh, dẫn đến sai số giải mã và làm tăng tỷ lệ lỗi ký hiệu.

Cấu hình 2 anten phát kết hợp 2 anten thu đạt được bậc phân tập bằng bao nhiêu?

Hệ thống kết hợp 2 anten phát mã hóa không gian - thời gian Alamouti với 2 anten thu độc lập sẽ tạo ra 4 đường truyền tín hiệu không tương quan. Khi áp dụng bộ giải mã hợp lẽ tối đa tại ngõ ra, hệ thống đạt bậc phân tập bằng 4, tương đương với một hệ thống phân tập máy thu sử dụng 1 anten phát và 4 anten thu.

Kết luận

• Nghiên cứu đã chứng minh toán học và kiểm chứng mô phỏng vai trò tối ưu của phương pháp tổ hợp tỷ số tối đa trong việc triệt tiêu fading đa đường.
• Cấu hình phân tập máy phát Alamouti với 2 anten phát và M anten thu đạt bậc phân tập 2M tương đương với hệ thống phân tập máy thu MRRC có 1 anten phát và 2M anten thu.
• Mức tiêu hao 3 dB công suất của phân tập phát hoàn toàn có thể bù đắp bằng việc sử dụng hai bộ khuếch đại công suất nhỏ hơn, giúp tiết kiệm chi phí phần cứng và đơn giản hóa thiết bị đầu cuối.
• Khung mô phỏng Monte Carlo trên nền tảng kênh truyền Jakes 900 MHz cung cấp công cụ tin cậy để đánh giá hiệu năng các sơ đồ điều chế 2PSK, QPSK, 8PSK và 16QAM.
• Các nhà phát triển hệ thống và doanh nghiệp viễn thông nên triển khai thử nghiệm các giải pháp phân tập anten ngay trong chu kỳ nâng cấp mạng tiếp theo nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ và tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 2f 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(2f 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(2f c t )    a i sin( i )  sin(2f c t ) (1.2)      Chúng ta đưa ra 2 biến ngẫu nhiên X1(t) và X2(t), phương trình được viết lại: y (t )  AX 1 (t ) cos(2f c t )  X 2 (t ) sin(2f 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(2f c t   (t )) (1.4) 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.