Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu về tình hình về nghiên cứu về ước lượng kênh truyền mù, mục đích, phạm vi nghiên cứu cũng như là bố cục của đề tài. Chương 2: Lý thuyết liên quan. Trong chương này sẽ trình bày về các loại mô hình kênh truyền vô truyến, cách ảnh hưởng đến kênh truyền, lý thuyết về OFDM.
Chương 3: Phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot. Chương 4: Kết quả mô phỏng. Các vấn đề liên quan đến việc mô phỏng như các thông số. Chương còn đưa ra các kết quả mô phỏng và những đánh giá từ kết qủa đó.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Chương này sẽ tổng hợp các công việc luận văn đã thực hiện, đưa ra kết luận và đề xuất hướng phát triển của đề tài. 2 do an CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN Trong chương 2 sẽ trình bày các lý thuyết về kênh truyền vô tuyến như các loại mô hình kênh truyền, các ảnh hưởng đến kênh truyền, lý thuyết về kỹ thuật điều chế OFDM. Kênh truyền vô tuyến Như chúng ta đã biết, kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định những giới hạn cơ bản đối với chất lượng của hệ thống thông tin di động.
Do bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, kênh truyền ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền và thiết kế thành công một hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như mô hình hoá kênh truyền hợp lí. Người ta xem xét ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu dựa trên các mô hình Large scale path loss (mô hình suy giảm diện rộng) và Small scale fading and multipath (mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đường) [4]. Mô hình suy giảm diện rộng 2.1 Suy hao theo khoảng cách truyền Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được dùng để xác định cường độ tín hiệu tại nơi thu khi môi trường giữa anten phát và anten thu là dạng có thể nhìn thẳng (Light of Sight) và không bị ảnh hưởng của méo.
Công suất tại anten thu đặt cách anten phát một khoảng cách d được cho bởi phương trình Friis trong không gian tự do: 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟 𝜆2 Pr (𝑑 ) = (2. Có thể viết lại công thức Friis như sau: 𝑃𝑡 1 4𝜋𝑑 2 1 1 1 4𝜋 2 2 2 1 1 = ( ) = ( ) 𝑑 𝑓 (2.3) Có 3 cơ chế truyền cơ bản là: Phản xạ (Reflection) Nhiễu xạ (Diffraction) Tán xạ (Scattering) 2.2 Ảnh hưởng của phản xạ Trong thực tế, anten thu không chỉ nhận tín hiệu truyền thẳng từ anten phát. Khi sóng vô tuyến truyền theo một môi trường đập tới một môi trường khác có tính chất điện từ khác nhau, sóng sẽ truyền đi một phần và phản xạ một phần. Sự phản xạ trên mặt đất hay còn gọi là đa đường thẳng đứng và sự phản xạ theo phương ngang đều làm suy hao tín hiệu truyền đi.
Ví dụ ta xét mô hình phản xạ 2 tia: một tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía thu và một đường phản xạ từ mặt đất.1 Mô hình phản xạ 2 tia Anten phát và anten thu lần lượt đặt tại chiều cao ℎ𝑡 và ℎ𝑟. Nếu gọi 𝐸0 là trường điện từ tại một điểm tham khảo có khoảng cách 𝑑0 so với anten phát thì trường điện từ tổng hợp tại nơi thu ở khoảng cách 𝑑(𝑑 > 𝑑0 ) được cho như sau : 𝐸0 𝑑0 𝑑′ 𝐸0 𝑑0 𝑑" 𝐸𝑡ℎ (𝑑, 𝑡 ) = ′ cos (𝜔𝑐 (𝑡 − )) − " cos (𝜔𝑐 (𝑡 − )) (2.4) 𝑑 𝑐 𝑑 𝑐 4 do an 2ℎ𝑡 ℎ𝑟 Nếu định nghĩa 𝛥 = 𝑑 " − 𝑑 ′ = √(ℎ𝑡 + ℎ𝑟 )2 + 𝑑 2 − √(ℎ𝑡 − ℎ𝑟 )2 + 𝑑 2 ≈ 𝑑 Thì trường điện từ tổng hợp : 2𝐸0 𝑑0 2𝜋ℎ𝑡 ℎ𝑟 𝐸𝑡ℎ (𝑑 ) = (2.5) 𝑑 𝜆𝑑 Theo đó, công suất nơi nhận : ℎ𝑡2 ℎ𝑟2 𝑃𝑟 = 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟 4 (2.6) 𝑑 Như vậy, trong trường hợp truyền thẳng, công suất bức xạ giảm 6dB khi khoảng cách gấp đôi, còn đối với đa đường, giá trị này là 12dB.3 Suy hao do vật cản Trên đường truyền vô tuyến, tín hiệu giữa nơi phát và nơi thu bị che khuất bởi các vật cản như đồi, núi hay các nhà cao tầng. Sự nhiễu xạ từ các vật che chắn tạo ra ảnh của tín hiệu. Tần số tín hiệu càng thấp thì sự nhiễu xạ càng lớn.
Để khắc phục vấn đề này thì các bộ phát thường được đặt lên cao nhưng nói chung cách làm này rất bất tiện.2 Mô hình suy hao do vật cản 2. Mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đường Small scale fading là sự thay đổi về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ về khoảng cách của bộ phát và bộ thu.1 Hiệu ứng đa đường Đa đường trong truyền vô tuyến tạo nên hiệu ứng fading diện hẹp, có 3 hiệu ứng quan trọng nhất là: 5 do an - Sự thay đổi đột ngột mật độ công suất tín hiệu trên khoảng cách di chuyển nhỏ hoặc trong khoảng thời gian nhỏ. - Sự điều chế tín hiệu ngẫu nhiên do những dịch Doppler khác nhau trên những tín hiệu đa đường khác nhau. - Sự trãi về thời gian gây nên bởi trễ trong truyền đa đường.
Tín hiệu khi truyền từ bộ phát truyền đến nơi thu đi theo nhiều đường khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc. Sự lệch nhau về khoảng cách đường truyền gây nên trễ và sự dịch pha so với tín hiệu gốc. Kết quả tại bộ thu, tín hiệu có biên độ và pha khác rất nhiều so với tín hiệu gốc. Nếu các tín hiệu cùng pha với nhau, fading làm tăng cường độ tín hiệu tại nơi thu, ngược lại, nó sẽ triệt tiêu tín hiệu tạo nên hiện tượng fading sâu.
Đường trễ L L (t ) L (t ) Đường trễ 1 1 (t ) 1 (t ) Máy phát Tx Máy thu Rx Hình 2.3 Hiệu ứng đa đường 2.2 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler hình thành do sự dịch tần khi có sự di chuyển của bộ phát và bộ thu. Bên cạnh đó, các vật di chuyển trong môi trường vô tuyến cũng tạo nên hiện tượng này. Ta xem xét một thuê bao đang di chuyển với một vận tốc không đổi 𝑣 trên một đoạn đường chiều dài 𝑑 giữa 2 điểm X và Y, trong khi đó, nó nhận tín hiệu từ một nguồn S 6 do an Hình 2.4 Hiệu ứng Doppler Độ lệch về chiều dài đường truyền khi sóng từ nguồn S đến các điểm X và Y là 𝛥𝑙 = 𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑣𝛥𝑡𝑐𝑜𝑠𝜃 (2.7) Trong đó , Δt là khoảng thời gian thuê bao di chuyển từ X đến Y, góc θ có thể xem như không đổi khi giả sử nguồn ở khoảng cách xa, khi đó độ dịch pha ở tín hiệu thu do các đường truyền khác nhau là 2𝜋𝛥𝑙 2𝜋𝑣𝛥𝑡 𝛥𝜙 = = 𝑐𝑜𝑠𝜃 (2.8) 𝜆 𝜆 Như vậy, độ thay đổi tần số hay dịch Doppler là 1 𝛥𝜙 𝑣 𝑓𝑑 = = 𝑐𝑜𝑠𝜃 (2.9) 2𝜋 𝛥𝑡 𝜆 Ta thấy độ dịch Doppler càng lớn khi tốc độ di chuyển của vật càng nhanh. Dịch Doppler cực đại khi |𝑐𝑜𝑠𝜃 | = 1 và bằng 𝑓𝑚 = 𝑣𝑓𝑐 ⁄𝑐 với 𝑓𝑐 là tần số sóng mang.
Khi một sóng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất tại bộ thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ 𝑓𝑐 − 𝑓𝑚 đến 𝑓𝑐 + 𝑓𝑚 được gọi là phổ Doppler. Sử dụng mô hình 2 chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ một phân bố đồng nhất từ 0 đến 2π, phổ tại bộ thu được xác định như sau: 2𝑠 𝑌 (𝑓 ) = , |𝑓 − 𝑓𝑐 | ≤ 𝑓𝑚 (2.10) 𝑓 − 𝑓𝑐 2 𝜔𝑚 √1 − ( ) 𝑓𝑚 7 do an Trong đó 𝑠 là công suất nhận trung bình. Nếu 𝑓𝑚 rất nhỏ, phổ nhận được sẽ rất hẹp và trãi Doppler ít có tác động lên tín hiệu nhận. Nếu băng thông tín hiệu lớn hơn nhiều băng thông Doppler 𝐵𝐷 = 2𝑓𝑚 thì tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của dịch Doppler.3 Các thông số của kênh truyền đa đường Thông số tán xạ thời gian (Time Dispersion) Để so sánh những kênh truyền đa đường khác nhau và để phát triển một vài thiết kế chung cho hệ thống vô tuyến, người ta dùng những thông số mang tính định lượng tổng như: độ trễ trung bình vượt mức (mean excess delay), trãi trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trãi trễ vượt mức (excess delay spread).
Đây là những thông số có thể xác định được từ một hàm Power Delay Profile. Tính chất phân tán thời gian của những kênh đa đường băng rộng thông thường nhất được xác định bởi độ trễ trung bình vượt mức (𝜏̅) và trãi trễ hiệu dụng (𝜎𝜏 ) của chúng. Trễ trung bình vượt mức là moment thứ nhất của hàm Power Delay Profile và được xác định như sau: ∑𝑘 𝑎𝑘2 𝜏𝑘 ∑𝑘 𝑃(𝜏𝑘 )𝜏𝑘 𝜏̅ = = (2.13) ∑𝑘 𝑎𝑘2 ∑𝑘 𝑃(𝜏𝑘 ) Những trễ này được đo đạc tương quan với tín hiệu đầu tiên phát hiện được tại bộ thu ở thời điểm 𝜏0 = 0. Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth) Băng thông kết hợp 𝐵𝑐 được định nghĩa từ trãi trễ hiệu dụng (rms delay spread), là khoảng tần số mà kênh truyền có thể được xem là “phẳng” (nghĩa là kênh truyền cho 8 do an qua tất cả các thành phần có phổ nằm trong khoảng tần số đó với độ lợi gần như nhau và pha gần như tuyến tính.
Băng thông kết hợp là dải tần số mà trong đó các kênh vẫn giữ biên độ có giá trị hằng số. Băng thông kết hợp 𝐵𝐶90 trong đó hàm tương quan giữa các tín hiệu có tần số nằm trong khoảng này trên mức 0.9 được xấp xỉ bằng: 1 𝐵𝐶90 ≈ (2.14) 50𝜎𝜏 Khi hàm tương quan tần số trên 0.5 thì băng thông kết hợp xấp xỉ là: 1 𝐵𝐶50 ≈ (2.15) 5𝜎𝜏 Cần lưu ý là không tồn tại mối quan hệ chính xác giữa băng thông kết hợp và trãi trễ hiệu dụng.5 Tương quan Power Delay Profile, trãi trễ hiệu dụng và băng thông kết hợp Trãi Doppler và thời gian kết hợp Khái niệm trãi Doppler và thời gian kết hợp là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền trong phạm vi hẹp. Trãi Doppler 𝐵𝐷 là thước đo sự mở rộng phổ gây nên bởi thay đổi về thời gian của kênh truyền vô tuyến và được định nghĩa là dải tần số mà trên đó, phổ Doppler nhận được khác không.