Luận văn thạc sĩ về phân tập đa người dùng trong hệ thống thông tin băng rộng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phân tập đa người dùng trong hệ thông tin băng rộng luận văn ths công nghệ điện tử viễn thông 60 52, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Hiếu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Phân Tập Đa Người Dùng Trong Hệ Thống Thông Tin Băng Rộng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP
• 1.1. Phân tập thời gian
• 1.2. Phân tập tần số
• 1.3. Phân tập không gian
• 1.4. Các phương pháp kết hợp phân tập
• 1.4.1. Kết hợp lựa chọn
• 1.4.2. Kết hợp chuyển mạch
• 1.4.3. Kết hợp tối đa tỉ lệ
• 1.4.4. Kết hợp cùng hệ số
• 1.5. Vấn đề đa người dùng
• 1.5.1. Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)
• 1.5.2. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)
• 1.5.3. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
• 1.5.4. Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA)
• 2. CHƯƠNG 2: KÊNH VÔ TUYẾN
• 2.1. Kênh vô tuyến chung
• 2.2. Mô hình vào-ra của kênh vô tuyến
• 2.3. Kênh vô tuyến là một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian
• 2.4. Mô hình băng cơ sở tương đương
• 2.5. Mô hình băng cơ sở rời rạc
• 2.6. Ồn trắng cộng tính. Mô hình thống kê của kênh vô tuyến
• 2.7. Mô hình tán xạ vật lý
• 2.8. Mô hình tương quan không gian. Mô hình rời rạc
• 2.9. Năng lượng tín hiệu
• 2.10. Mô hình tín hiệu kênh MIMO rời rạc
• 2.11. Kênh lựa chọn tần số
• 2.12. Kênh đa người dùng và can nhiễu
• 2.12.1. Kênh đa người dùng
• 2.12.2. Can nhiễu SIMO
• 2.12.3. Can nhiễu MISO
• 3. CHƯƠNG 3: DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG
• 3.1. Dung năng kênh MIMO đa người dùng băng thông hẹp
• 3.1.1. Các anten độc lập với nhau
• 3.1.2. Các anten tương quan với nhau
• 3.1.3. Dung năng ngưng kênh
• 3.1.4. Trường hợp 1: Không phân tập
• 3.1.5. Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan
• 3.1.6. Trường hợp 3: Phân tập, tương quan
• 3.1.7. Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin
• 3.2. Dung năng kênh MIMO đa người dùng băng thông rộng
• 3.2.1. Các anten độc lập với nhau
• 3.2.2. Các anten tương quan với nhau
• 3.2.3. Trường hợp 1: Không phân tập
• 3.2.4. Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan
• 3.2.5. Trường hợp 3: Phân tập, tương quan
• 3.2.6. Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân tích dữ liệu đa người dùng trong hệ thống thông tin băng rộng

Chương trình nghiên cứu tập trung vào phân tích dữ liệu đa người dùng trong môi trường hệ thống thông tin băng rộng. Luận văn đã trình bày các kỹ thuật phân tập nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống, đặc biệt chú trọng vào việc tối ưu hóa dung năng kênh MIMO đa người dùng. Một số mục tiêu chính bao gồm đánh giá hiệu quả của các phương pháp phân tập thời gian, phân tập tần số, và phân tập không gian, cũng như phân tích tác động của can nhiễu đa người dùng và pha-đinh đa đường. Quản lý băng thông và tối ưu hóa nguồn lực cũng được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hệ thống.

1.1 Mô hình phân tập và đa truy cập

Phần này tập trung vào việc thiết lập mô hình phân tập và đa truy cập. Luận văn khảo sát các phương pháp đa truy cập phổ biến như FDMA, TDMA, CDMA, và SDMA. Phân tích chi tiết các kỹ thuật kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp tối đa tỉ lệ, và kết hợp cùng hệ số trong phân tập được thực hiện. Nghiên cứu nhấn mạnh vào việc so sánh hiệu quả của các phương pháp này dựa trên độ phức tạp và yêu cầu thông tin kênh. Phân tích hiệu suất của từng phương pháp được thực hiện, nhấn mạnh vai trò của tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong việc đánh giá chất lượng kết nối. Mục tiêu là tìm ra phương pháp tối ưu cho hệ thống thông tin băng rộng đa người dùng. Các thông số như băng thông kết hợp, thời gian kết hợp, và khoảng cách anten được phân tích ảnh hưởng đến hiệu quả phân tập. Kiến trúc hệ thống được mô tả minh bạch để hỗ trợ quá trình phân tích. Quản lý băng thông đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất.

1.2 Nghiên cứu hiệu năng hệ thống

Phần này tập trung vào nghiên cứu hiệu năng hệ thống sử dụng mô phỏng và thử nghiệm. Luận văn đánh giá hiệu suất của hệ thống phân tập đa người dùng trong các môi trường khác nhau, bao gồm cả kênh AWGN và các kênh fading. Phân tích hiệu suất tập trung vào các thông số quan trọng như dung lượng kênh, tỷ lệ bit lỗi (BER), và trễ. Các kết quả thử nghiệm được sử dụng để xác nhận mô hình phân tích. Phân tích log được sử dụng để theo dõi và đánh giá hoạt động của hệ thống. An ninh mạng trong hệ thống phân tập cũng được xem xét. Khả năng mở rộng hệ thống là một điểm quan trọng trong thiết kế hệ thống. Việc áp dụng công nghệ ảo hóa và containerization có thể được xem xét để tăng khả năng chịu lỗi của hệ thống. Quản lý lỗi và khả năng phục hồi cũng được nghiên cứu để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

II. Tối ưu hóa băng thông và quản lý nguồn lực

Chương này tập trung vào việc tối ưu hóa băng thông và quản lý nguồn lực trong hệ thống thông tin băng rộng đa người dùng. Luận văn đề cập đến các thuật toán phân phối tài nguyên hiệu quả để đảm bảo công bằng và hiệu suất tối ưu cho tất cả người dùng. Tối ưu hóa nguồn lực bao gồm cả việc tối ưu hóa công suất truyền và quản lý băng thông động. Thuật toán phân phối tài nguyên được thiết kế nhằm giảm thiểu can thiệp giữa người dùng. Kiến trúc hệ thống được tối ưu để hỗ trợ việc quản lý nguồn lực hiệu quả. An toàn thông tin và bảo mật dữ liệu là yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống.

2.1 Quản lý băng thông và tối ưu hóa nguồn lực

Phần này đi sâu vào quản lý băng thông và tối ưu hóa nguồn lực. Luận văn trình bày các kỹ thuật tối ưu hóa nguồn lực để cải thiện hiệu suất hệ thống, chẳng hạn như thuật toán phân bổ băng thông động và điều khiển công suất. Phân tích hiệu quả của các thuật toán này được thực hiện thông qua mô phỏng và thử nghiệm. Mục tiêu là tìm ra giải pháp tối ưu cân bằng giữa hiệu suất và công bằng giữa người dùng. Phân tích thống kê được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các thuật toán. Tiêu thụ băng thông được theo dõi chặt chẽ. Quản trị hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển các nguồn lực. Giám sát hệ thống đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Khả năng mở rộng hệ thống được xem xét để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng.

2.2 An ninh mạng và bảo mật dữ liệu

Phần này tập trung vào an ninh mạng và bảo mật dữ liệu trong hệ thống thông tin băng rộng đa người dùng. Luận văn thảo luận về các mối đe dọa tiềm tàng và các giải pháp bảo mật cần thiết để bảo vệ dữ liệu người dùng. An toàn thông tin được đảm bảo thông qua việc triển khai các biện pháp bảo mật như mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng. Mạng lưới bảo mật được thiết kế để ngăn chặn truy cập trái phép và tấn công mạng. Phát hiện xâm nhập và phản hồi sự cố là các thành phần quan trọng của hệ thống bảo mật. Kiến trúc hệ thống được thiết kế để hỗ trợ việc triển khai các biện pháp bảo mật. Quản lý rủi ro được thực hiện để giảm thiểu các mối đe dọa tiềm tàng. Tuân thủ các quy định về bảo mật dữ liệu được đảm bảo. Phát hiện và ngăn chặn tấn công DDoS là một khía cạnh quan trọng trong bảo mật hệ thống. Việc sử dụng công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) và mạng ảo (virtual network) có thể cải thiện khả năng bảo mật.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và truyền thông, hệ thống thông tin băng rộng đa người dùng đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất và dung lượng mạng. Theo ước tính, nhu cầu truyền tải dữ liệu ngày càng tăng đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm tối ưu hóa sử dụng tài nguyên phổ tần và nâng cao độ tin cậy truyền tin. Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật phân tập đa người dùng trong hệ thống thông tin băng rộng, nhằm khai thác tối đa dung lượng kênh và cải thiện hiệu năng truyền thông trong môi trường đa truy cập.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phân tích và đánh giá các phương pháp phân tập (thời gian, tần số, không gian) kết hợp với các kỹ thuật đa truy cập (FDMA, TDMA, CDMA, SDMA) trong hệ thống MIMO đa người dùng, từ đó đề xuất các mô hình và giải pháp tối ưu hóa dung lượng kênh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các hệ thống MIMO băng hẹp và băng rộng, với mô hình kênh vô tuyến phức tạp bao gồm các yếu tố như pha-đinh, tương quan anten và can nhiễu đa người dùng. Thời gian nghiên cứu chủ yếu dựa trên dữ liệu và mô phỏng thực hiện trong giai đoạn 2010-2012 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống viễn thông hiện đại, đặc biệt trong bối cảnh bùng nổ thiết bị di động và nhu cầu truy cập dữ liệu tốc độ cao. Các kết quả về dung năng kênh MIMO đa người dùng giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, giảm thiểu can nhiễu và tăng cường độ tin cậy truyền tin, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của mạng viễn thông băng rộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nền tảng trong lĩnh vực truyền thông không dây và kỹ thuật điện tử viễn thông, bao gồm:

• Kỹ thuật phân tập (Diversity Techniques): Bao gồm phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của pha-đinh đa đường và tăng độ tin cậy truyền tin. Các phương pháp kết hợp phân tập như kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp tối đa tỉ lệ và kết hợp cùng hệ số được phân tích chi tiết.

• Mô hình kênh vô tuyến (Wireless Channel Models): Mô hình tuyến tính thay đổi theo thời gian, mô hình băng cơ sở tương đương, mô hình rời rạc, và mô hình thống kê pha-đinh Rayleigh. Ngoài ra, mô hình tán xạ vật lý và mô hình tương quan không gian được sử dụng để mô phỏng các hiệu ứng thực tế của kênh MIMO.

• Kỹ thuật đa truy cập (Multiple Access Techniques): Các phương pháp FDMA, TDMA, CDMA và SDMA được nghiên cứu nhằm phân chia không gian tín hiệu cho nhiều người dùng, đảm bảo tính trực giao hoặc xử lý can nhiễu hiệu quả.

• Dung năng kênh MIMO đa người dùng: Lý thuyết về dung năng kênh ergodic và dung năng ngưng kênh trong các hệ thống MIMO băng hẹp và băng rộng, với các giả thiết về tương quan anten và can nhiễu đa người dùng.

Các khái niệm chính bao gồm: SNR (tỉ số công suất tín hiệu trên công suất ồn), ZMCSCG (biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng vòng), ma trận hiệp phương sai kênh, và các kỹ thuật kết hợp phân tập.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình toán học và mô phỏng máy tính dựa trên các giả thiết về kênh vô tuyến và cấu hình hệ thống MIMO đa người dùng. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các hệ thống với số anten từ 1 đến 8 cho điểm truy cập và người dùng, cùng với các kênh con trong mô hình băng rộng (thường là 8 kênh con).

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng ngẫu nhiên các biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng vòng để mô phỏng các hệ số kênh, kết hợp với các ma trận tương quan anten và các tham số SNR khác nhau. Phân tích dữ liệu sử dụng các công thức tính dung năng kênh ergodic, dung năng ngưng kênh, và các hàm phân phối tích lũy tốc độ thông tin.

Timeline nghiên cứu bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình lý thuyết, phát triển chương trình mô phỏng (phụ lục A-F), thực hiện các kịch bản mô phỏng với các tham số khác nhau, và phân tích kết quả để rút ra các nhận định và đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tác động của số người dùng và SNR đến dung năng kênh SISO: Khi SNR thấp (ví dụ -20dB), dung năng kênh tăng theo số người dùng, ví dụ dung năng kênh của 8 người dùng đạt khoảng 0.1 b/s/Hz, cao hơn nhiều so với 0.0014 b/s/Hz của một người dùng đơn lẻ. Tuy nhiên, khi SNR cao (khoảng 10dB), dung năng kênh giảm khi số người dùng tăng do can nhiễu tăng lên, ví dụ dung năng kênh 8 người dùng là 1.625 b/s/Hz, thấp hơn dung năng kênh đơn người dùng là 2 b/s/Hz.

2. Hiệu quả của phân tập không tương quan trong hệ thống MIMO: Sử dụng phân tập không tương quan với 4 anten cho điểm truy cập và mỗi người dùng, dung năng kênh tăng gấp 4 lần so với hệ thống không phân tập. Ví dụ, dung năng kênh MIMO 4 anten đạt mức cao hơn đáng kể so với SISO tương ứng.

3. Ảnh hưởng của tương quan anten: Khi hệ số tương quan anten là 0.8, dung năng kênh giảm so với trường hợp anten độc lập ở SNR thấp (<5dB). Tuy nhiên, ở SNR cao (>5dB), dung năng kênh trong trường hợp có tương quan lại vượt qua trường hợp không tương quan, cho thấy tương quan anten có lợi trong điều kiện SNR cao.

4. Dung năng ngưng kênh và số người dùng: Ở SNR thấp (-10dB), dung năng ngưng kênh tăng theo số người dùng, ví dụ hệ thống 8 người dùng có dung năng ngưng kênh 10% là 2 b/s/Hz, cao hơn nhiều so với 0.36 b/s/Hz của hệ thống đơn người dùng. Ngược lại, ở SNR cao (10dB), dung năng ngưng kênh của hệ thống đơn người dùng lớn hơn hệ thống đa người dùng do can nhiễu tăng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy kỹ thuật phân tập đa người dùng trong hệ thống MIMO băng rộng có khả năng nâng cao đáng kể dung lượng kênh, đặc biệt khi các anten được bố trí độc lập và không tương quan. Việc tăng số anten cho điểm truy cập và người dùng giúp tăng dung năng kênh gần như tỷ lệ thuận, phù hợp với lý thuyết về đa dạng không gian.

Tuy nhiên, tương quan anten ảnh hưởng phức tạp đến hiệu năng: ở SNR thấp, tương quan gây giảm dung năng do giảm hiệu quả phân tập, trong khi ở SNR cao, tương quan có thể giúp tăng dung năng nhờ cải thiện cấu trúc kênh và giảm can nhiễu đa người dùng. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của tương quan không gian trong kênh MIMO.

Các kỹ thuật đa truy cập như FDMA, TDMA, CDMA và SDMA được phân tích cho thấy mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, phụ thuộc vào đặc điểm kênh và yêu cầu đồng bộ hóa. Ví dụ, TDMA yêu cầu đồng bộ cao nhưng đơn giản trong xử lý, trong khi CDMA có thể chịu được can nhiễu nhưng phức tạp trong điều khiển công suất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố tích lũy tốc độ thông tin và đồ thị dung năng kênh theo SNR và số người dùng, giúp trực quan hóa sự khác biệt hiệu năng giữa các cấu hình và điều kiện kênh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng phân tập không gian trong hệ thống MIMO đa người dùng: Động từ hành động là "triển khai" các anten mảng với khoảng cách đủ lớn để giảm tương quan anten, nhằm tối ưu hóa dung năng kênh. Mục tiêu là tăng dung lượng hệ thống lên gấp 4 lần trong vòng 1-2 năm, do các nhà mạng và nhà sản xuất thiết bị thực hiện.

2. Áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất và tách đa người dùng (MUD) trong CDMA: Giúp giảm thiểu can nhiễu giữa người dùng, nâng cao hiệu suất đường lên. Khuyến nghị triển khai trong 12 tháng tới bởi các nhà phát triển phần mềm và nhà cung cấp dịch vụ viễn thông.

3. Phát triển các thuật toán kết hợp phân tập tối ưu: Như kết hợp tối đa tỉ lệ hoặc kết hợp cùng hệ số để cải thiện SNR đầu ra, giảm thiểu pha-đinh sâu. Mục tiêu nâng cao độ tin cậy truyền tin trong các môi trường đa đường phức tạp, thực hiện trong 18 tháng bởi các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển.

4. Tăng cường đồng bộ hóa trong hệ thống TDMA: Đặc biệt ở đường lên, nhằm duy trì tính trực giao của các khe thời gian, giảm nhiễu và tăng hiệu quả sử dụng băng thông. Thời gian thực hiện dự kiến 1 năm, do các nhà cung cấp thiết bị và nhà mạng phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Điện tử - Viễn thông: Luận văn cung cấp nền tảng lý thuyết và mô hình thực nghiệm về phân tập và đa truy cập trong hệ thống MIMO, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về truyền thông không dây.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống viễn thông: Các kỹ sư thiết kế mạng và thiết bị có thể áp dụng các kết quả mô phỏng và đề xuất kỹ thuật để tối ưu hóa dung lượng và độ tin cậy của hệ thống băng rộng đa người dùng.

3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Thông tin về hiệu quả các kỹ thuật phân tập và đa truy cập giúp đưa ra quyết định đầu tư và phát triển hạ tầng mạng phù hợp với xu hướng công nghệ.

4. Các nhà cung cấp thiết bị và phần mềm viễn thông: Luận văn cung cấp các mô hình và thuật toán có thể tích hợp vào sản phẩm để nâng cao hiệu năng, đặc biệt trong các hệ thống MIMO và mạng băng rộng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân tập không gian khác gì so với phân tập thời gian và tần số?
   Phân tập không gian sử dụng nhiều anten để tạo các bản sao tín hiệu không tương quan trong không gian, không làm mất băng thông, trong khi phân tập thời gian và tần số tạo bản sao trong miền thời gian hoặc tần số, thường gây dư thừa băng thông.

2. Tại sao tương quan anten lại có ảnh hưởng khác nhau ở các mức SNR khác nhau?
   Ở SNR thấp, tương quan làm giảm hiệu quả phân tập do tín hiệu không độc lập, giảm dung năng kênh. Ở SNR cao, tương quan có thể cải thiện cấu trúc kênh và giảm can nhiễu, từ đó tăng dung năng.

3. Làm thế nào để giảm can nhiễu trong hệ thống đa người dùng?
   Có thể sử dụng điều khiển công suất, tách đa người dùng (MUD), và kỹ thuật phân tập tối ưu để giảm nhiễu giữa các người dùng chia sẻ cùng kênh.

4. Ưu điểm của CDMA so với TDMA và FDMA là gì?
   CDMA cho phép nhiều người dùng truyền đồng thời trên cùng băng thông và thời gian bằng cách sử dụng mã riêng biệt, giúp tăng khả năng mở rộng và giảm yêu cầu đồng bộ hóa nghiêm ngặt.

5. Dung năng ngưng kênh có ý nghĩa gì trong thiết kế hệ thống?
   Dung năng ngưng kênh thể hiện tốc độ truyền tin đảm bảo độ tin cậy nhất định, giúp đánh giá hiệu năng thực tế của hệ thống trong điều kiện kênh biến động và pha-đinh.

Kết luận

• Kỹ thuật phân tập đa người dùng trong hệ thống MIMO băng rộng giúp tăng đáng kể dung lượng và độ tin cậy truyền tin.
• Phân tập không gian không làm mất băng thông và có hiệu quả vượt trội khi các anten độc lập và không tương quan.
• Tương quan anten ảnh hưởng phức tạp đến dung năng kênh, có thể gây hại hoặc có lợi tùy thuộc vào mức SNR.
• Các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA, CDMA và SDMA có ưu nhược điểm riêng, cần lựa chọn phù hợp với đặc điểm kênh và yêu cầu hệ thống.
• Đề xuất triển khai các giải pháp kỹ thuật như điều khiển công suất, tách đa người dùng, và đồng bộ hóa để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển thuật toán kết hợp phân tập tối ưu và thử nghiệm thực tế trên các hệ thống MIMO đa người dùng. Đề nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư viễn thông áp dụng kết quả này để nâng cao hiệu quả mạng băng rộng hiện tại. Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp phân tập đa người dùng để nâng cao chất lượng dịch vụ và dung lượng mạng viễn thông của bạn ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP I. Phân tập Trong truyền thông không dây, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm thiểu hậu quả của pha-đinh đa đường và làm tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần tăng công suất truyền hoặc hy sinh băng thông. Kỹ thuật này yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát ở bên thu, chúng đều mang cùng thông tin nhưng với tương quan nhỏ trong thống kê pha-đinh. Ý tưởng cơ sở của phân tập là: nếu hai hay nhiều bản sao của một tín hiệu được phát, chúng sẽ suy giảm theo các cách không tương quan với nhau, một số bị suy giảm rất lớn, trong khi số khác suy giảm nhỏ.

Điều này nghĩa là xác suất tất cả các bản sao đồng thời nhỏ hơn một mức nào đó thấp hơn bất kỳ xác suất bản sao nào nhỏ hơn mức đó. Do đó, một sự kết hợp phù hợp nhiều bản sao sẽ giảm thiểu đáng kể pha-đinh sâu, và từ đó, tăng độ tin cậy truyền tin. Trong các hệ thống truyền thông không dây, một số kỹ thuật phân tập được sử dụng để đạt được hiệu năng mong muốn. Tùy theo miền phân tập được đưa vào, người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian.

Phân tập thời gian Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền các bản tin giống hệt nhau trên các khe thời gian khác nhau, đưa đến các tín hiệu pha-đinh không tương quan ở bên thu. Khoảng cách giữa các khe thời gian được yêu cầu không nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh. Thời gian kết hợp là một đại lượng thống kê cho biết khoảng thời gian mà quá trình pha-đinh còn tương quan. Mã điều khiển lỗi thường dùng trong kỹ thuật truyền thông số cũng được sử dụng để cung cấp độ lợi mã hóa.

Trong truyền thông di động, nó được kết hợp với kỹ thuật ghép xen để đạt được phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các bản sao của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian giữa các bản sao được tạo ra do ghép xen để đạt được pha-đinh độc lập tại đầu vào của bộ giải mã. Vì ghép xen gây ra trễ giải mã nên kỹ thuật này thường hiệu quả đối với môi trường pha-đinh nhanh, trong đó thời gian kết hợp của kênh nhỏ.

Trong pha-đinh chậm, ghép xen có thể gây nên trễ vượt mức cho phép đối với các ứng dụng nhạy trễ như thoại. Điều này khiến phân tập thời gian bị loại bỏ trong một số hệ thống di z 2 động. Một trong các hạn chế của kỹ thuật này là mất mát băng thông do có sự dư thừa trong miền thời gian. Phân tập tần số Trong phân tập tần số, nhiều tần số khác nhau được sử dụng để truyền cùng một bản tin.

Các tần số này phải tách biệt nhau để đảm bảo pha-đinh ứng với mỗi tần số độc lập với các tần số khác. Để đạt được điều này, khoảng cách tần số phải lớn gấp vài lần băng thông kết hợp của kênh. Băng thông kết hợp với các môi trường lan truyền khác nhau là khác nhau. Trong truyền thông di động, các bản sao của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền tần số được thực hiện bởi trải phổ như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần.

Các kỹ thuật trải phổ hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ. Nhưng khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải thì trễ đa đường sẽ liên quan tới chu kỳ ký hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Cũng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm mất mát băng thông do gây ra sự dư thừa trong miền tần số.

Phân tập không gian Phân tập không gian là một kỹ thuật phổ biến trong truyền thông vi ba. Nó còn được gọi là phân tập anten. Phân tập không gian thường được thực hiện sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp cạnh nhau trong không gian để phát hoặc thu. Các anten được đặt cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu riêng rẽ không tương quan với nhau.

Khoảng cách yêu cầu thay đổi theo độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số. Thông thường, giá trị này chỉ cần cỡ một vài bước sóng là đủ để đạt được các tín hiệu không tương quan. Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu phát được gửi đến bộ thu theo dạng dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm mất mát băng thông.

Đặc tính này rất hấp dẫn đối với truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai. Phân tập phân cực và phân tập góc là hai ví dụ của phân tập không gian. Trong phân tập phân cực, các tín hiệu phân cực ngang và dọc được phát đi bởi hai anten phân cực khác nhau và được nhận cũng bởi hai anten phân cực khác nhau. Việc phân cực khác nhau đảm bảo hai tín hiệu không tương quan mà không cần đặt hai anten cách xa nhau.

Phân tập góc thường áp dụng trong việc phát với tần số sóng mang lớn hơn 10GHz. Trong trường hợp này, khi các tín hiệu phát tán xạ z 3 mạnh trong không gian thì các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau. Do đó, hai hoặc nhiều anten định hướng có thể được đặt theo các hướng khác nhau ở bên thu để thu được các bản sao không tương quan của tín hiệu phát. Tùy theo nhiều anten được sử dụng cho việc thu hay phát, chúng ta có thể chia phân tập không gian thành hai loại: phân tập thu và phân tập phát.

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở bên thu để lấy các bản sao độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao này được kết hợp thích hợp để làm tăng SNR và làm giảm pha- đinh đa đường. Trong phân tập phát, nhiều anten được khai thác ở bên phát. Bản tin được xử lý ở bên phát sau đó trải trên nhiều anten.

Các phương pháp kết hợp phân tập Đặc trưng then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất suy giảm sâu đồng thời của các kênh con thấp. Nói chung, hiệu năng của các hệ thống truyền thông sử dụng phân tập phụ thuộc vào việc các bản sao tín hiệu được kết hợp ở bên thu như thế nào để làm tăng SNR (Signal-to-noise ratio). Do đó, các kỹ thuật phân tập còn có thể được phân loại theo phương pháp kết hợp được khai thác ở bên thu. Dựa vào độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh cần biết ở bên thu, có bốn phương pháp kết hợp chính: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp cùng hệ số và kết hợp tối đa tỉ lệ.

Kết hợp lựa chọn Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn[3]. z 4 Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Xét một hệ thống phân tập thu với anten thu. Trong hệ thống này, các tín hiệu có SNR tức thời lớn nhất ở mỗi khoảng ký hiệu được lựa chọn làm đầu ra, để SNR đầu ra bằng SNR của tín hiệu vào tốt nhất.

Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất phát cộng công suất ồn cao nhất thường được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR. Kết hợp chuyển mạch Trong hệ thống phân tập kết hợp chuyển mạch, bên thu quét tất cả các nhánh phân tập và chọn một nhánh với SNR cao hơn một ngưỡng đặt trước. Tín hiệu này được chọn làm đầu ra cho đến khi SNR của nó rơi xuống dưới ngưỡng. Khi điều này xảy ra, bên thu quét lại và chuyển tới nhánh khác.

Kỹ thuật này còn được gọi là phân tập quét.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch[3]. So sánh với phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch kém hơn vì nó không lấy liên tục tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên, nó dễ thực hiện hơn khi không yêu cầu theo dõi liên tục tất cả các nhánh phân tập. Với cả hai kỹ thuật trên, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một trong số tất cả các nhánh phân tập.

Hơn nữa, chúng không yêu cầu thông tin trạng thái kênh. Chính vì vậy, hai kỹ thuật này có thể được sử dụng kèm với điều chế kết hợp hoặc không kết hợp. Kết hợp tối đa tỉ lệ Kết hợp tối đa tỉ lệ là phương pháp kết hợp tuyến tính. Trong một quá trình kết hợp tuyến tính nói chung, các đầu vào được nhân trọng số rồi cộng lại để có được tín hiệu ra.

Các trọng số được lựa chọn theo nhiều cách.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ[3].3 chỉ ra sơ đồ khối của phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ. Tín hiệu đầu ra là kết hợp tuyến tính của các bản sao với trọng số, được cho bởi: ∑ (1.1) Với là tín hiệu thu được ở anten thu thứ , và là nhân tử trọng số cho anten thu. Trong kết hợp tối đa tỉ lệ, nhân tử trọng số của mỗi anten thu được chọn tỉ lệ với tỉ số điện áp tín hiệu trên công suất ồn của chính nó. Gọi và ∅ lần lượt là biên độ và pha của tín hiệu thu.

Giả sử rằng các anten thu có cùng công suất ồn trung bình, nhân tử trọng số được biểu diễn như sau: ∅ (1.2) z 6 Phương pháp này được gọi là kết hợp tối ưu vì nó làm tối đa SNR đầu ra. Nó chỉ ra rằng SNR đầu ra tối đa bằng tổng các SNR tức thời của các tín hiệu riêng lẻ. Trong kỹ thuật này, các tín hiệu riêng lẻ phải đồng pha, được nhân với biên độ tương ứng với nó rồi lấy tổng. Kỹ thuật này không yêu cầu pha của tín hiệu và biên độ pha-đinh của kênh.

Bởi vậy, nó có thể được sử dụng kèm với tách sóng kết hợp, nhưng không thích hợp với tách sóng không kết hợp. Kết hợp cùng hệ số Kết hợp cùng hệ số là phương pháp kết hợp tuyến tính gần tối ưu nhưng đơn giản. Nó không yêu cầu ước lượng biên độ pha-đinh của mỗi nhánh. Thay vào đó, bên thu đặt biên độ của các nhân tử trọng số là đồng nhất.3) Theo cách này, tất cả các tín hiệu thu là đồng pha và được cộng với nhau với cùng hệ số.

Hiệu năng của kết hợp cùng hệ số chỉ kém hơn một chút so với kết hợp tối đa tỉ lệ, nhưng độ phức tạp của nó giảm đi đáng kể. Vấn đề đa người dùng Trong hệ thống đa người dùng, tài nguyên được chia cho nhiều người sử dụng.