HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA VIỄN THÔNG 1
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
--------o0o--------- --------o0o---------
ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên : Dương Minh Khiêm
Lớp : D2001-VT
Khoá : 2001 – 2006
Ngành : Điện tử – Viễn thông
TÊN ĐỀ TÀI : "MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH ỨNG TRONG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN"
NỘI DUNG ĐỒ ÁN :
Phần I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến
Phần II: Nguyên lý hoạt động của OFDM và AOFDM
Phần V: Chương trình mô phỏng
Ngày giao đề tài: 27/07/2005
Ngày nộp đồ án: 27/10/2005
Hà Nội, ngày tháng năm 2005
Giáo viên hướng dẫn
Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Điểm: (Bằng chữ: )
Ngày tháng năm 2005
Giáo viên phản biện
Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học
Lời nói đầu
Thấy rõ, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chắt lọc tinh hoa văn minh nhân loại, tốc độ phát
triển khoa học kỹ thuật, cơ hội rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu,
cũng như cơ hội tìm kiếm đầu tư của các nhà đầu tư.... đã và đang được khẳng định nhờ
vào việc trao đổi thông tin. Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập,
cạnh tranh thì xã hội hoá thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm. Điều này thể hiện rất
rõ qua các chương trình: thương mại điện tử, chính phủ điện tử....Trong xã hội thông tin
đó nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm
dẻo, di động, tiện lợi của nó. Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động
ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia
tăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài
nguyên vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài
nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết... dẫn đến
làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ
viễn thông. Trước mẫu thuẫn này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngành công
nghiệp có liên quan phải giải quyết. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến,
lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công
truyền. Theo đó đồ án được tổ chức thành 6 chương như sau.
Chương 1: Giới thiệu chung
Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểm của
chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM.
Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động
Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến,
phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô
tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các
thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng
chương 5.
Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM
Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ
thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các
nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền
dẫn OFDM và giải pháp khắc phục. Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần
của bộ lọc băng thông.
Chương 4: Ước tính chất lượng và cân bằng kênh
Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ
đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích ứng.
Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những bất
lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE,
đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác. Qua đó, đưa ra
giải pháp ước tính kênh bằng PSAM.
Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng
Trình bày nguyên lý điều chế thích ứng, vai trò của điều chế thích ứng, xây
dựng giải thuật thích ứng cho truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin
vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích ứng, trên cơ sở đó
lựa chọn hai cơ chế thích ứng: thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và
thích ứng chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật
toán thích ứng cho cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang.
1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành ............................................................................... 3
1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM .............................................................. 4
Chương 2 .......................................................................................................................... 5
Đặc tính kênh vô tuyến di động ..................................................................................... 5
2.1. Mở đầu .................................................................................................................................. 5
2.2. Miền không gian ................................................................................................................... 6
2.3. Miền tần số ............................................................................................................................ 7
2.3.1. Điều chế tần số ..................................................................................................... 7
2.3.2. Chọn lọc tần số ..................................................................................................... 7
2.4. Miền thời gian ....................................................................................................................... 8
2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương .......................................................................... 8
2.4.2. Trễ trội cực đại ...................................................................................................... 9
2.4.3. Thời gian nhất quán .............................................................................................. 9
2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau .......................................................... 9
2.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương ................................... 9
2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler ................................................................... 10
2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp ........................................................................................... 10
2.7. Phân bố Rayleigh và Rice ................................................................................................... 11
2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh ................................................................................. 11
2.7.2. Phân bố Pha đinh Rice ........................................................................................ 13
2.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian .................................................................... 14
2.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số ......................................................................... 16
2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số
.................................................................................................................................................... 17
2.10. Kết luận ............................................................................................................................. 20
Chương 3 ....................................................................................................................... 22
Nguyên lý hoạt động của OFDM ................................................................................. 22
3.1. Mở đầu ................................................................................................................................ 22
3.2. Tính trực giao ...................................................................................................................... 22
3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM ................................................................................. 25
4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE ............................... 58
4.4 Kết luận ................................................................................................................................ 60
Chương 5 ........................................................................................................................ 61
Điều chế OFDM thích ứng ............................................................................................ 61
5.1 Giới thiệu ............................................................................................................................. 61
5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng ............................................................... 62
5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng ............................................................. 62
5.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng ............................................... 63
5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng ......................................................... 64
5.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ....................... 64
5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con ........................... 65
5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế ...................................................... 66
5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang ................................. 68
5.6 Kết luận ................................................................................................................................ 74
Chương 6 ....................................................................................................................... 75
Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ............................ 75
6.1 Giới thiệu ............................................................................................................................. 75
6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ............................................... 75
6.2.1 Mô hình mô phỏng .............................................................................................. 75
6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng ......................................................... 78
6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng ....................................................... 85
6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng ....................................................................... 85
6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng .................................................................. 89
6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng ............................................. 89
6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế ................................. 91
6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang ...................... 94
6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và
chọn lọc sóng mang ...................................................................................................... 96
6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng .................... 99
6.5 Kết luận .............................................................................................................................. 107
=
σ
.........................................13
Hình 2.6. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình......................................................................15
Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100,
kích thước FFT = 300...................................................................................................................17
Hình 2.8. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS.....................18
Hình 2.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số.............................................18
Hình 2.10. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau.......................19
Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số.............................23
Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của
OFDM so với FDM.....................................................................................................................23
Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con.............24
Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................26
Hình 3.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô
tuyến, SNR = 18 dB................................................................................................................27
Hình 3.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM....................................................................................28
Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương
tự..................................................................................................................................................28
Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số.................29
Hình 3.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian.........................................................29
Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, f
off
tần số dịch từ DC, f
c
là tần số
trung tâm......................................................................................................................................30
Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM.............................................................................................30
Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con................................32
Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.........................................................35
(b)...................................................................................................................45
Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với
50=
β
........46
Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc.......................47
Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC..................................................................................47
Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC
chồng lấn......................................................................................................................................48
Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài khoảng
bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49
Hình 3.33 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dài
khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49
Hình 3.34 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dài
khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49
Hình 4.1 Khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn các ký hiệu hoa tiêu.....................51
Hình 4.2 Giải thuật FFT...............................................................................................................52
Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn.............................................................................................53
Hình 4.4 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính............................................56
Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ đi ều chế thích ứng.........................................60
Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng............................................................................61
Hình 5.3 Kiến trúc của các hệ thống điều chê thích ứng..............................................................61
Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế..........................65
Hình 5.5 Mô hình thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn
OFDM..........................................................................................................................................69
Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định..........................................................................70
Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của khối điều khiển chèn.................................................................71
Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng..........................................75
Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang.....................................77
Hình 6.3 Tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang.....................................................78
BPS
Bit per symbol
Số bit trên một ký hiệu
CCI
Co-channel interference
Nhiễu đồng kênh
CF
Crest Factor
Tham số Crest
CINR
Carrier to interference plus Noise
ratio
Tỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp
âm
CIR
Channel impulse response
Đáp ứng xung kim kênh
COFDM
Coding Orthogonal Frequency
Divistion Multiplex
Mã hoá ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
DAB
Digital Audio Broadcast system
Hệ thống phát thanh số
DAC
Digital Analog Converter
Bộ chuyển đổi số sang tương tự
DC
Direct Current
Đáp ứng xung kim hữu hạn
HDTV
Hight Difinition Television
Truyền hình độ nét cao
HiperLAN2
High Performance Radio Local Area
Network, WLAN standard (Europe)
based on OFDM, with maximum
data rate of 54 Mbps
Chuẩn WLAN của Châu Âu cho
OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là
54 Mbps
ICI
Inter-Carrier Interference
Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang
IEEE802.11a
WLAN standard (U.S) based on
OFDM, with a maximum data rate
of 54 Mbps.
Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với
tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps
IEEE802.11b
WLAN standard (U.S) based on
DSSS, with maximum data rate of
11 Mbps
Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS
với tốc độ dữ liệu tối đa là 11 Mbps
IFFT
Inverse Fast Fourier
Transformation
MPEG
Moving Picture Experts Group
(Video compress standard)
Định dạng file ảnh động ở chế độ
nén
M-PSK
M-Phase Shift Keying
Khoá dịch pha M trạng thái
MSE
Mean Square Error
Trung bình lỗi bình phương
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
PAPR
Peak to Average Power Ratio
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình
PSD
Power Spectrum Density
Hàm mật độ phổ công suất
PSAM
Pilot Symbol Assisted Modulation
Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu
hoa tiêu
QAM
Quadrature Amplitude Modualtion
Điều chế biên độ cầu phương
Multi-Access
Đa truy nhập phân chia theo mã băng
tần rộng
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng không dây nội vùng
ZF
Zero Forcing equalizer
Bộ cân bằng cưỡng bức không
1
Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học
Giới thiệu chung
Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lại hiệu
quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Vì thế nhu cầu sử
dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày
càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở
nhiều hình thức khác nhau. Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩy tăng
trưởng kinh tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh. Theo đó, ngày càng xuất hiện
nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác triệt để tài
nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô tuyến, ví dụ như
mạng không dây nội hạt (WLAN). Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũ của
Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn. Hệ
thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) và
CDMA2000 [1] hiện đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt
được những thành công đáng kể. Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ mà UMTS
hỗ trợ:
Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTS
Dịch vụ Tốc độ dữ liệu yêu cầu Chất lượng dịch
vụ yêu cầu
Yêu cầu tính
ứng được. Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả phổ tần và tốc độ
truyền dữ liệu của các hệ thống di động. Hiện nay các hệ thống WLAN, HiperLAN/2,
Dương Minh Khiêm, D2001-VT 2
Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học
IEEE 802.11a, IEEE 802.11b đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu
rất cao. Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở công nghệ OFDM. Bảng 1.2
dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thống này:
Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM
Tham số hệ thống DAB DVB-T IEEE 802.11 HiperLAN/2
Tần số sóng mang VHF VHF và UHF 5 GHz 5 GHz
Băng thông 1.54 MHz 7-8 MHz 20 MHz 20 MHz
Tốc độ truyền dữ liệu
tối đa
1.7 Mbps 31.7 Mbps 54 Mbps 54 Mbps
Số lượng sóng mang
con
192-1536 1705-6817 52 52
Kích thước FFT 256-2048 2048-8196 64 64
Ta thấy ưu thế nổi bật của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM là thông lượng lớn,
hiệu quả sử dụng phổ tần cao và đối phó hiệu quả những nhược điểm của môi trường vô
tuyến (sẽ được đề cập ở phần sau).
1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành
Kỹ thuật đơn sóng mang
Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả
năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được
chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ
là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian
thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ
• Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả.
• Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ công suất
• OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh pha đinh chọn
lọc tần số chuyển thành kênh pha đinh phẳng. Vì vậy, OFDM là giải pháp đối với
tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh. Thuận lợi này của OFDM cho phép cân
bằng kênh dễ dàng.
• Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm
(do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn
toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo.
• Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và
công nghệ vi mạch VLSI.
Nhược điểm
• OFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội
phát và thu. Do tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm với kênh truyền
có dịch Doppler lớn.
• Vấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký
hiệu FFT.
Dương Minh Khiêm, D2001-VT 4
Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 2
Đặc tính kênh vô tuyến di động
2.1. Mở đầu
Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng
rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Trong các
hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính
chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng
trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động
thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn
thậm chí tức thời của kênh.
Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến.
Các yếu tố này là:
• Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm
chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số.
Trong chương này đồ án sẽ phân tích các đặc tính của kênh để sử dụng chúng trong các
giải thuật điều chế thích ứng của mình.
2.2. Miền không gian
Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian.
Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc
loại pha đinh phạm vi hẹp. Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu
trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát, được gọi là đánh giá tổn hao
đường truyền. Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thể hiện rõ
các đặc tính ngẫu nhiên. Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập
không gian).
Tổn hao đường truyền
Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu là một
hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác. Một số mô hình xét chi tiết về địa
hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số chỉ xét tần số và khoảng cách.
Chiều cao anten là một thông số quan trọng. Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân
theo quy luật hàm mũ.
PL∝ d
-n
(2.1)
trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trường trong nhà,
a>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát.
Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm so với
khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa tại mọi
khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên
và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách).
Dương Minh Khiêm, D2001-VT
Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và
miền thời gian
(a) (b) (c)
là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cách
phát thu d; X
σ
là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với lệch
chuẩn
σ
(cũng đo bằng dB), d
0
là khoảng cách tham chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là
mũ tổn hao đường truyền.
Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian
cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối với một độ rộng băng tần cho
trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí khác nhau. Nói một cách khác, pha
đinh chỉ đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian).
Từ phương trình 2.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá thống kê phạm vi
rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên. Ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra do pha đinh phạm vi
hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian). Ảnh
hưởng của chọn lọc không gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten.
MIMO (Multiple Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho
phép lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dung lượng hệ
thống.
2.3. Miền tần số
Trong miền tần số, kênh bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và chọn lọc tần số.
2.3.1. Điều chế tần số
Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra, khi có sự chuyển động tương đối giữa máy
thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển động tương đối
giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa đường bị dịch tần số. Dịch tần số trong tần số
thu do chuyển động tương đối này được gọi là dịch tần số Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ
chuyển động, phương chuyển động của MS so với phương sóng tới của thành phần sóng
đa đường. Dịch Doppler B
thông số điều chế. Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ (xem phần 2.5). Pha đinh
chọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng. Trong cùng một kênh pha đinh phẳng, tất cả
các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng của pha đinh.
Ngược lại pha đinh chọn lọc tần số (còn gọi là pha đinh vi sai), một số đoạn phổ của tín
hiệu qua kênh pha đinh bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc
tần số của kênh này. Nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín
hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc
( phân tập tần số). Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu.
2.4. Miền thời gian
Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến thay đổi theo
thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian. Có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động
như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh
truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời
gian. Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng
xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,τ)
là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu
là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
τ∗=ττ=
∫
∞
∞−
,thtxd,thtxty
(2.4)
Trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định, ‘*’ là
ký hiệu tích chập.
Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân tán thời gian
hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời), hay trải trễ xẩy ra khi một tín hiệu được truyền
từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài khác nhau. Một mặt tín
hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ khác nhau
P
P
(2.6)
( )
( )
∑
∑
τ
ττ
=τ
k
k
k
2
kk
____
2
P
P
(2.7)
trong đó P(τ
k
) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm τ
k
.
2.4.2. Trễ trội cực đại
Trễ trội cực đại (XdB) của lý lịch trễ công suất được định nghĩa là trễ thời gian mà ở đó
năng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại.
2.4.3. Thời gian nhất quán
Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán. Thời gian nhất quán xác
τ
σ
≈
50
1
B
C
(2.8)
Dương Minh Khiêm, D2001-VT 9
Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học
Cho thấy hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, nên chỉ cần xét một thông số trong
quá trình thiết kế hệ thống.
2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler
Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, là thông số kênh trong
miền thời gian và có tính đối ngẫu với trải Doppler. Trải Doppler và thời gian nhất quán
là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau. Nghĩa là:
D
C
B
1
T ≈
(2.9)
Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thông số nói trên là đủ.
2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp
Tuỳ vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,…) và các
thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler, …), mà xác định loại pha
đinh phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: Trải trễ đa đường và pha đinh chọn lọc tần số.
Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi đó việc kênh là pha đinh
phẳng hay chọn lọc tần số lại xét trong miền tần số. Vì thế thông số miền thời gian, trải
trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số. Trải Doppler dẫn đến tán
; B
S
>>B
D
Các ký hiệu được sử dụng trong bảng 2.1 như sau: B
S
ký hiệu cho độ rộng băng tần tín
hiệu, B
C
ký hiệu cho băng thông nhất quán, B
D
ký hiệu cho trải Doppler, T ký hiệu cho
chu kỳ ký hiệu và σ
τ
trải trễ trung bình quân phương.
Nếu băng tần nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín
hiệu thu sẽ bị pha đinh phẳng. Khi này chu kỳ ký hiệu lớn hơn nhiều so với trải trễ đa
đường của kênh. Ngược lại, nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần tín
hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh chọn lọc tần số, khi này chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải
trễ đa đường kênh. Khi đó, tín hiệu thu bị méo dạng dẫn đến nhiễu giao thoa giữa các ký
hiệu (ISI). Ngoài ra việc lập mô hình các kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp hơn
nhiều so với lập mô hình kênh pha đinh phẳng, vì để lập mô hình cho kênh pha đinh chọn
lọc tần số phải sử dụng bộ lọc tuyến tính. Vì thế ta cần cố gắng chuyển vào kênh pha đinh
Dương Minh Khiêm, D2001-VT 10
Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học
phẳng cho tín hiệu truyền dẫn. Tuy nhiên do không thể thay đổi trải trễ đa đường hay
băng thông nhất quán, nên chỉ có thể thiết kế chu kỳ ký hiệu và độ rộng băng tần tín hiệu
để đạt được kênh pha đinh phẳng. Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải thiện hiệu năng
truyền dẫn, cần chọn giá trị chu kỳ ký hiệu trong giải thuật điều chế thích ứng để đạt được
kênh pha đinh phẳng thay vì kênh pha đinh chọn lọc.
−
0r,0
r0,e
r
rp
2
2
2
r
2
(2.10)
Trong đó r là điện áp đường bao tín hiệu thu, σ là giá trị trung bình quân phương của tín
hiệu thu của từng thành phần Gauss, σ là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu
thu của từng thành phần Gauss.
Giá trị trung bình, r
tb
, của phân bố Rayleigh trở thành:
[ ]
( )
σ=
π
σ===
∫
∞
253,1
2
drrrprEr
0
tb
(2.11)
∞
(2.12)
Dương Minh Khiêm, D2001-VT 11
Copyright: Tài liệu đại học ©