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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.