MỤC LỤC KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN 3G+

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.. 1

1.1      Giới thiệu chương. 1

1.1.1      Thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). 1

1.1.2      Thông tin di động thế hệ thứ hai (2G). 1

1.1.3      Bước đệm 2,5G.. 2

1.1.4      Thông tin di đông thế hệ thứ ba (3G). 3

1.1.5      Công nghệ HSPA 3,5G.. 4

1.1.6      Cộng nghệ đa phương tiên di động của tương lại 4G.. 5

1.2      Tổng quan về HSPA.. 8

1.2.1      Giới thiệu. 8

1.2.2      Sự phát triển công nghệ HSPA.. 8

1.2.3      HSPA và HSPA+.. 9

1.2.3.1   HSPA (High Speed Packet Access). 9

1.2.3.2   HSPA+.. 10

1.3      Tổng quan về LTE (4G). 10

1.3.1      Giới thiệu. 10

1.3.2      Mục đích LTE.. 10

1.3.2.1   Tăng tốc độ truyền dữ liệu. 10

1.3.2.2   Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển. 11

1.3.2.3   Dải tần linh hoạt11

1.3.2.4   Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng. 11

1.3.2.5   Độ phủ sóng. 12

1.3.2.6   Tồn tại cùng với các chuẫn và hệ thống trước. 12

1.4      Kết luân chương. 12

CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÀ KĨ THUẬT OFDM... 13

2.1      Giới thiệu chương. 13

2.2      Kênh vô tuyến. 13

2.2.1      Các đặc tính của kênh vô tuyến. 14

2.2.1.1   Hiện tượng đa đường (Multipath). 14

2.2.1.2   Suy hao không gian tự do. 15

2.2.1.3   Hiệu ứng dopper. 15

2.2.1.4   Suy hao trên đường truyền. 16

2.2.1.5   Độ trải trễ. 16

2.2.2      Các dạng kênh truyền. 16

2.2.2.1   Kênh truyền chọc lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.16

2.2.2.2   Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian.18

2.3      Nhiễu trong hệ thống thu phát18

2.3.1      Nhiễu trắng cộng Gausian (AWGN). 18

2.3.2      Nhiễu xuyên kí tự ISI19

2.3.3      Nhiễu liên sóng mang ICI19

2.4      Kênh phân bố Rayleigh. 19

2.5      Kĩ thuật OFDM... 21

2.5.1      Khái niệm.. 21

2.5.2      Mô hình OFDM... 21

2.5.2.1   Điều chế tín hiệu OFDM... 21

2.5.2.2   Bộ chuyển đổi nối tiếp song song (S/P) và song song nối tiếp (P/S). 22

2.5.2.3   Bộ IFFT và FFT.. 22

2.5.2.4   Tiền tố lặp CP. 22

2.5.2.5   Ưu nhược điểm của OFDM... 22

2.6      Kết luận chương. 23

CHƯƠNG 3 : CÁC KĨ THUẬT PHÂN TẬP.. 24

3.1      Giới thiệu chương. 24

3.2      Các kĩ thuật phân tập. 24

3.2.1      Phân tập thời gian. 24

3.2.2      Phân tập tần số. 24

3.2.3      Phân tập không không gian. 25

3.2.3.1   Phân tập phát25

3.2.3.2   Phân tập thu. 26

3.3      Các kĩ thuật phân tập thu – phân tập không gian. 26

3.3.1      Phân tập thu kết hợp lựa chọn  (SC). 26

3.3.2      Phân tập thu kết hợp ngưỡng (TC). 26

3.3.3      Phân tập thu kết hợp theo tỉ số đa đối ( MRC). 27

3.3.4      Phân tập thu kết hợp cùng độ lợi (EGC). 29

3.4      Mã không gian thời gian STC.. 29

3.4.1      Mô hình Alamouti30

3.4.2      Mã hóa. 30

3.4.3      Giải mã. 31

3.5      Alamouti mở rộng với M anten. 33

3.6      Kết luận chương. 35

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG PHÂN TẬP ANTEN.. 36

4.1      Giới thiệu chương. 36

4.2      Lưu đồ thuật toán chương trình chính. 37

4.3      Sơ đồ chương trình con phát không phân tập. 38

4.4      Sơ đồ phát Alamouti38

4.5      Sơ đồ thu EGC.. 39

4.6      Sơ đồ thu Alamouti40

4.7      Sơ đồ thu MRC.. 41

4.8      Sơ đồ thu SC.. 42

4.9      Sơ đồ thu TC.. 43

4.9.1  Mô phỏng phân tập anten. 44

4.9.2      Mô phỏng kĩ thuật phân tập thu. 44

4.9.3      Mô phỏng kĩ thuật phân tập MRC.. 45

4.9.4      Mô phỏng kĩ thuật phân tập Alamouti46

4.9.5      Mô phỏng so sánh Alamouti và MRC.. 47

4.9.6  Kết luận chương. 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

 

Hình 1.1 : Mô hình mạng hỗn tạp 4G.. 5

Hình 1.2 : Lộ trình phát triển thông tin di động lên lên 4G[2]. 7

Hình 1.3 : Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP[2]. 7

Hình 1.4 : Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP[2]. 7

Hình 1.4 : Lộ trình của HSPA và HSPA+.. 9

Hình 2.1 : Phản xạ đa đường[1]. 15

Hình 2.2 Kênh truyền chọn lọc tần số (f₀ < W)[7]. 17

Hình 2.3 : Kênh truyền không chọn lọc tần số ( f₀ > W)[7]. 17

Hình 2.4 : Hàm mật độ phân bố xác xuất của phân bố Rayleigh[7]. 20

Hình 2.5 : Hệ thống phát và thu OFDM[1]. 21

Hình 2.6 : Biến đổi IFFT và chèn CP[1]. 22

Hình 3.1 : Phân tập không gian. 25

Hình 3.2 : Phân tập thu kết hợp lựa chọn (SC) [1]. 26

Hình 3.3 : Phân tập kết hợp ngưỡng (TC) [1]. 27

Hình 3.4 : Phân tập MRC [1]. 28

Hình 3.5 : Phân tập thu EGC [1]. 29

Hình 3.6 : Sơ đồ phát của mô hình Alamouti  [5]. 30

Hình 3.7 : Sơ đồ khối giải mã Alamouti sử dụng một anten thu [1]. 33

Hình 4.1 :Lưu đồ thuật toán chương trình. 37

Hình 4.2 : Sơ đồ chương trinh con phát không phân tập. 38

Hình 4.3 : Sơ đồ phát Alamouti38

Hình 4.4 : Sơ đồ thu EGC.. 39

Hình 4.5 : Sơ đồ thu Alamouti40

Hình 4.6 : Sơ đồ thu MRC.. 41

Hình 4.7 : Sơ đồ thu SC.. 42

Hình 4.8 : Sơ đồ thu TC.. 43

Hình 4.9 : Kết quả mô phỏng matlab phân tập thu. 44

Hình 4.10 : Phân tập MRC.. 45

Hình 4.11 : Kết quả kĩ thuật phân tập Alamouti46

Hình 4.11 : Kết quả so sánh Alamouti và MRC.. 47

 

 

CÁC TỪ VIẾT TẮT

 

FDMA	Frequency Division Multiple Access	Đa truy cập phân chia theo tần số
FSK	Frequency Shift Keying	Điều chế khóa dich tần số
CDMA	Code Division Multiple Access	Đa truy cập phân chia theo mã
TDMA	Time Division Multiple Access	Đa truy cập phân chia theo thời gian
GSM	Global System Mobile for communications	Hệ thống thông tin di động toàn cầu
EDGE	Enhanced Data rates for GSM Evolution and Enhanced Data rates for Global Channel	Tốc độ số liệu tăng cường để phát triền GPRS
GPRS	General Packet Radio Services	Dịch vụ vô tuyến gói chung
HSPA	High Speed Packet Access	Truy cập gói tốc độ cao
HSUPA	High Speed Uplink Packet Access	Truy cập gói tốc độ cao đường lên
HSDPA	High Speed Downlink Packet Access	Truy cập gói tốc độ cao đường xuống
LTE	Long Term Evolution	Phát triển dài hạn
3GPP	Three Generation Partnership Project	Nhóm cộng tác 3GPP
DVB	Digital Video Broadcasting	Hệ thống phát hình số
AWGN	Additive White Gaussian Noise	Tạp âm nhiễu trắng
OFDM	Orthogonal Frequency Division Multiplex	Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
BER	Bit Error Rate	Tỉ số lỗi bit
CP	Cyclic Prefix	Tiền tố lặp
ISI	Inter System Interfercence	Nhiễu xuyên kí tự
ICI	Inter Chanel Interfercene	Nhiễu xuyên kênh
FFT	Fast Fourier Tranform	Biến đổi Fourier nhanh
IFFT	Inverse Fast Fourier Transform	Biến đổi Fourier nhanh ngược
STBC	Space Time Block Code	Mã khối không gian thời gian
MIMO	Multiple Input Multiple Output	Đa anten phát – đa anten thu
SNR	Signal to Noise Ratio	Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

 

 

MỞ ĐẦU

 

Thông tin di động là một trong những lĩnh vực quan trọng. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, thông tin di động ngày càng phát triển và đặc biệt là những năm gần đây, thông tin di động thật sự bùng nổ không ngừng được cải thiện. Trải qua bao thế hệ thông tin di động, thế hệ thứ nhất - thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Thế hệ thứ hai, thông tin di động chuyển từ Analog sang Digital và sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA). Cho đến nay, 3G đang được sử dụng rộng rải với tốc độ cao gấp nhiều lần so với hai thế hệ trước. Tuy vậy, chưa dừng lại ở đó, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng nhiều và đa dạng. 3GPP đã nghiên cứu và cải tiến 3G thành HSPA cho tốc độ cao nhiều. Đồng thời, đang nghiên cứu và thử nghiệm công nghệ 4G ở các nước tiên tiến. Trong tương lai, công nghệ 4G  cũng sẽ được thương mại hóa. Việc cải tiến 3G thành HSPA và HSPA+ cũng như nghiên cứu 4G đòi hỏi áp dụng kĩ thuật phân tập.

Phân tập là một trong kĩ thuật giúp cải thiện chất lượng tín hiệu. Nhiều nghiên cứu, tổ chức đã quan tâm về vấn đề này. Đặc biệt là phân tập không gian được quan tâm nhiều hơn do tính hiệu quả và khả thi vượt trội hơn các kĩ thuật phân tập khác.

Nhằm tìm hiểu sâu hơn về kĩ thuật phân tập không gian trong hệ thống thông tin di động em đã chọn đề tài “Kĩ thuật phân tập anten trong hệ thống thông tin di động 3G+”.

Để thực hiện được nội dung trên đồ án được kết cấu gồm 4 chương :

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Chương này giới thiệu về các thế hệ di động đã trải qua và tìm hiểu thêm một vài nét về HSPA, 4G (các thế hệ di động gần đây). Biết được ưu điểm và sự cải tiến về chất lượng qua từng thế hệ di động.

Chương 2 : Đặt tính kênh truyền và kĩ thuật OFDM

Tìm hiểu về sự ảnh hưởng của kênh truyền trong quá trình truyền tín hiệu, chương này tập trung vào kênh vô tuyến. Để khắc phục được các vấn đề do kênh truyền gây ra đòi hỏi phải nắm được các đặc tính của kênh vô tuyến.

OFDM được áp dụng trong 4G và một trong kĩ thuật ghép kênh quan trọng và là  bước tiến mới trong công nghệ này. Ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý OFDM cũng như ưu nhược điểm như thế nào.

Chương 3 :Các kĩ thuật phân tập

Chương này trình bày khái quát về các kĩ thuật phân tập trong thông tin di động. Đi chi tiết vào kĩ thuật phân tập anten hay còn gọi phân tập không gian. Các kĩ thuật phân tập kết hợp thu anten và mã khối Alamouti được trình bày cụ thể bằng công thức toán học.

Chương 4 :Mô phỏng phân tập anten

Để có cái nhìn rõ hơn về kĩ thuật phân tập anten mà ta đã trình bày các chương trên. Chương này, tiến hành mô phỏng kĩ thuật phân tập anten bằng Matlab. Từ đó rút ra nhận xét và đánh giá.

Phương pháp nghiên cứu của đồ án là xây dựng lưu đồ thuật toán,  tính toán mô phỏng để minh họa bằng hình vẽ về các kĩ thuật phân tập so với công thức toán học.

Đồ án đã mô phỏng được các kĩ thuật phân tập anten bằng Matlab đưa ra được hình vẽ phù hợp với lý thuyết nghiên cứu.

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1   Giới thiệu chương

Côngnghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn ngục ở những năm gần đây. Khi mà mạng thông tin di động thế hệ thứ ba chưa đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình thì người ta bắt đầu nói đến công nghệ 4G. Có thể hiểu 4G một cách đơn giản là mạng thông tin di động không dây thế hệ thứ 4 có những cái tiến vượt trội so với với 3G về chất lượng dịch vụ.

1.1.1       Thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Dựa trên công nghệ FDMA (Frenquency Division Multiple Access) vào thập niên 80 thế kỷ XX. Tất cả các hệ thống 1G sử dụng điều chế FM cho đàm thoại, điều chế FSK (Frenquency Shift Keying) cho tín hiệu.

1.1.2       Thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Được phổ biến trong suốt thập niên 90. Đây là thời điểm chuyển giao giữa Analog và Digital. Các hệ thống sử dụng kĩ thuật TDMA (Time Division Multiple Access) và một vài nước đã sử dụng CDMA ( Coding Division Multiple Access).

Ưu điểm của 2G so với 1G :

-         Các cuộc gọi di động được mã hóa kĩ thuật số.

-         Hiệu quả các kết nối thiết bị tăng.

-         Bắt đầu thực hiện các dich vụ số liệu trên điện thoại di động, khởi đầu là tin nhắn SMS.

Công nghệ 2G được chia làm hai dòng chuẩn : TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Coding Division Multiple Access), tùy thuộc vào hình thức ghép kênh được sử dụng.

Các chuẩn cộng nghệ chủ yếu của 2G bao gồm :

- GSM (thuộc TDMA) có nguồn gốc từ châu Âu và được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Ngày nay, công nghệ này vẫn được sử dụng khá phổ biến với gần 80% thuê bao

trên thế giới.

- IS – 95 (CDMA) được sử dụng chủ yếu ở châu Mỹ và một số vùng ở châu Á.

- Ngày nay, những thuê bao sử dụng chuẩn này chiếm khoảng 17% trên toàn thế giới. Hiện tại, ở các nước Mexico, Ấn Độ, Hàn Quốc và Úc có rất nhiều nhà cung cấp mạng CDMA chuyển sang sử dụng GSM.

- PDC (TDMA) là mạng tư nhân được Nextel sử dụng tại Mỹ, và Telus Mobility triển khại tại Canada.

- IS – 136 (thuộc TDMA thường được gọi tắt là TDMA tại Mỹ) đã từng là mạng lớn nhất thị trường Mỹ nay đã chuyển sang GSM.

Thuật lợi và khó khăn của 2G :

Ở công nghệ 2G tín hiệu kĩ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại và các tháp sóng, làm tăng hiệu quả trên hai phương diện chính:

Thứ nhất, dữ liệu số của giọng nói được nén và ghép kênh hiệu quả cao hơn so với mã hóa Analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được mã hóa trên một dải tần.

Thứ hai, hệ thống kĩ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện thoại. Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn, đồng thời giảm chi phí đầu tư những trạm thu phát sóng.

Mạng 2G trở nên phổ biến hơn một phần do phát triển dịch vụ SMS. Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cũng cao hơn so với 1G.

Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhược điểm . Ở nơi thưa thớt dân cư, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới được các trạm thu phát sóng. Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị giảm đáng kể.

1.1.3       Bước đệm 2,5G

             2,5G chính là bước đệm giữa 2G và 3G trong công nghệ thông tin di động không

dây. Khái niệm 2,5G được sử dụng để miêu tả hệ thống di động 2G có trang thiết bị hệ thống chuyển mạch gói, bên cạnh hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống.

            Trong khi các khái niệm 2G, 3G được chính thức định nghĩa thì khái niệm 2,5G lại không được như vậy. Khái niệm này chỉ dùng cho mục đích tiếp thị. 2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ như chuyển mạch gói) và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA. Vài giao thức như EDGE cho GSM,và CDMA 2000 1x – RTT cho CDMA, có thể đạt chất lượng như các dịch vụ 3G (vì sử dụng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G bởi chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thật.

1.1.4       Thông tin di đông thế hệ thứ ba (3G)

Công nghệ 3G :

3G cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, mail, SMS, hình ảnh… ). Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với 2G hiện nay. Trong các dich vụ của 3G, cuộc gọi video thường được mô tả như một dịch vụ trọng tâm của sự phát triển.

Giá tần số cho cộng nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi các cuộc bán đấu giá tần số mạng lại hàng tỉ đô la cho các chính phủ. Do chi phí cho bản quyền các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi đạt tới các thu nhập do 3G đem lại, nên việc xây dựng mạng 3G đòi hỏi một khối lượng đầu tư khủng lồ. Cũng vì vậy nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính, càng khiến cho việc triển khai 3G tại nhiều nước bị chậm trễ, ngoại trừ ở Nhật Bản và Hàn Quốc – những nước tạm bỏ qua các yêu cầu về bản quyền tần số, mà đặt ưu tiên cao việc phát triển hạ tầng công nghệ thông tin – viễn thông quốc gia.

Nhật Bản là nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thường mại một cách rộng rãi. Năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật là thuê bao 3G, khiến cho mạng 2G dần biến mất tại nước này. Cũng vì vậy mà từng có dự báo rằng năm 2006, việc chuyển đổi từ 2G sang 3G hoàn tất tại Nhật, còn việc tiến lên 3,5 G tiếp theo (với tôc độ truyền dữ liệu lên tới 3MB/s) đang được thực hiện.

Sự thành công của 3G tại Nhật Bản chi ra rằng điện thoại video không phải là ứng dụng huỷ diệt. Trong thực tế, việc sử dụng điện thoại video thời gian thực chỉ chiếm một phần nhỏ trong dịch vụ 3G. Mặt khác, việc tải dữ liệu âm thanh hình ảnh … lại được nhiều người sử dụng nhất, đặc biệt là giới trẻ.

Thực trạng 3G :

Tính đến thời điểm hiện tại, thế giới đã có xắp xỉ 4 tỉ người sử dụng điện thoại di động, trong số đó thuê bao hạ tầng GSM chiếm gần 80% số còn lại chia đều trên các mạng CDMA và 3G. Theo hãng nghiên cứu thị trường Wireless Intelligence, kết nối băng thông rộng di động toàn cầu đã tăng 850% từ quý I/2007 đến quý I/2008, chủ yếu là nhờ sự phát triển của công nghệ 3G (EV – DO và HSPA). HSPA đã giúp thúc đẩy tăng trưởng doanh thu dữ liệu di động đến 46% và tăng trưởng doanh thu băng thông rộng di động 205% trong nữa đầu của “năm tài chinhs2007 - 2008”. Ông Hugh Bradlow, giám đốc công ty viễn thông Teltra (Úc) nhận xét.

             Ngày nay, thế giới có hơn 760 triệu thuê bao 3G. Tăng trưởng của thuê bao băng thông rộng 3G đang bùng nổ. Năm 2012, 3G chiếm 92% thị trường băng thông rộng di động, trong khi thị phần dành cho Wimax là 5%.

1.1.5       Công nghệ HSPA 3,5G

Cũng như 2,5G, công nghệ 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ 3G.

Một trong những đại diện tiêu biểu của 3,5G là HSPA (High Speed Package Access – công nghệ truy cập gói đường truyền xuống tốc độ cao). Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G WCDMA.

HSPA cho phép download dữ liệu về điện thoại với tốc độ tương đương với đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường.

HSPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 2 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như : dịch vụ cơ bản (tải dữ liệu, email…), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu) dịch vụ Streaming.

1.1.6       Cộng nghệ đa phương tiên di động của tương lại 4G

4G  là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 4, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lí tưởng tới 1-1,5Gb/s.

Mạng 4G là sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, Wimax ,Wifi, pre – 4G, IEEE 802.20 ,UWB…để cung cấp một kết nối vô tuyến đúng nghĩa rộng khắp, mọi lúc mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào, không kể người dùng đang sử dụng thiết bị di động nào. Người dùng trong tương lai sẽ thực sự sống trong môi trường tự do có thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dich vụ chất lượng cao và mang tính đặt thù của từng cá nhân.

Hình 1.1 : Mô hình mạng hỗn tạp 4G

Những công nghệ đình đám nổi tiến gần đây như Wimax 802.16m, Wibro, UMB, 3G LTE, DVB H ….dù đáp ứng tốc độ lớn, song chỉ được xem như là công nghệ tiền  4G(pre-4G).

Tên gọi 4G do IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineer) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa “3G và hơn thế nữa”.

Ở Nhật Bản, nhà cung cấp mạng NTT Docomo định nghĩa mạng 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng.

NTT Docomon xem 4G như sự mở rộng của mạng di động tế bào 3G. Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính”, trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tộc độ lên trên 100Mb/s. Với cách nhìn nhận này 4G sẽ chính là mạng 3G LTE, UMB hay Wimax 802.16m.

Bên cạnh đó, mặt dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G nhưng tương lai không hẳn chỉ giới hạn như mở rộng của mạng tế bào. Ví dụ ở châu Á, 4G được xem như khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, với khả năng kết nối nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau, và khả năng lựa chọn mạng vô tuyến thích hợp để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu.

Do đó, khái niêm “ABC – Always Best Connect – luôn luôn được kết nối tốt nhất” được xem là một đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G.

Định nghĩa này được nhiều công ty viễn thông lớn, nhiều nhà nghiên cứu nhà tư vấn viễn thông chấp nhận nhất hiện nay.

Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kì vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ tư 4G sẽ nổi lên như một mạng không dây băng thông rộng với tốc độ siêu cao.

Hình 1.2 : Lộ trình phát triển thông tin di động lên lên 4G[2]

 

Hình 1.3 : Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP[2]

 

Hình 1.4 : Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP[2]

1.2   Tổng quan về HSPA

1.2.1       Giới thiệu

Bước tiến đầu tiên của công nghệ truy cập vô tuyến WCDMA là đưa ra HSDPA trong phát hành R5 và HSUPA trong phát hành R6 gọi chung là HSPA. Mặt dù truyền dẫn dữ liệu gói đã từng được hỗ trợ trong phát hành đầu tiên của chuẩn WCDMA nhưng HSDPA đã đem lại những tiến bộ xa hơn trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu gói trong WCDMA, cả về mặt hệ thống lẫn hiệu năng người dùng. Việc làm tăng dữ liệu gói đường xuống của HSDPA được hoàn chỉnh bởi những cải tiến đường lên (Enhanced Uplink) được giới thiệu trong phát hành 6 của 3GPP/WCDMA . HSDPA và Enhanced uplink thường gọi là HSPA.

HSPA (High Speed Packet Access), gói đường truyền xuống tốc độ cao, là một sản phẩm của công nghệ 3G cho phép các mạng hoạt động trên hệ thống UTMS có khả năng truyền tải dữ liệu có tốc độ cao hơn hẳn. Công nghệ HSPA hiện nay cho phép tốc độ download đạt đến 1.8 , 3.6 , 7.2 , 14.4 Mb/s và trong tương lai gần tốc độ hiện nay có thể được nâng lên gấp nhiều lần. Khi đó, các mạng cung cấp có thể được nâng cấp thành Evolved HSPA, cho phép tốc độ download đạt đến 42Mb/s. Với nhưng ưu thế vược trội đó, HSPA đang trở thành một công nghệ được nhiều nhà cung cấp quan tâm phát triển.

1.2.2       Sự phát triển công nghệ HSPA

Chính thức được đưa vào hoạt động lần đầu tiên vào năm 2005, tính đến cuối năm 2006 đã có 19 nhà cung cấp 66 sản phẩm ứng dụng công nghệ HSPA ,trong đó 32 sản phẩm điện thoại di động.

Với những cải tiến mang tính đột phá, HSPA là một công nghệ đang được chú trọng phát triển. Trên thực tế, thị trường của HSPA phát triển mạnh mẽ nhất, đặt biệt là giai đoạn khỏi đầu, là những nước phát triển nơi có lượng khách hàng khủng lồ sử dụng sử dụng điện thoại di động thông minh.

Xét về lâu dài, tương lai và sự thành công của công nghệ HSPA vẫn còn khá mu mờ, bởi đây không phải là công nghệ download và truyền tải dữ liệu duy nhất được phát triển tại thời điểm hiện nay. Hơn nữa, những công nghệ truyền thống như CDMA2000 1xEV-DO và Wimax đang là những chuẩn có nhiều triển vọng hơn. Do đó một phiên bản nâng cấp của WCDMA, HSPA không có khả năng thành công tại những nơi WCDMA đã phát triển. Do đó, thành công cuối cùng của HSPA như là một sản phẩm cổng công nghệ 3.5G sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sự thành công của WCDMA với tư cách là một sản phẩm của công nghệ 3G.

1.2.3       HSPA và HSPA+

1.2.3.1 HSPA (High Speed Packet Access)

Do 3GPP phát hành, HSPA hổ trợ tốc độ tối đa 14,4Mb/s (R5) cho đường xuống (HSDPA) và 5.7Mb/s (R6) cho đường lên (HSUPA). Công nghệ này giúp tăng công nghệ mạng và giảm thời gian trễ đối với các dịch vụ tương tác. Tốc độ trung bình của HSPA gấp 20 lần so với GPRS.

HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) có tốc độ downlink :1.8Mb/s đến 14.4Mb/s.Uplink :384Kbp/s.

HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) được cái tiến để nâng cao tốc độ Uplink thành 5.7Mb/s và giữ nguyên tốc độ downlink.

Hình 1.4 : Lộ trình của HSPA và HSPA+

1.2.3.2  HSPA+

HSPA+ hay còn gọi HSPA Evolution (HSPA cải tiến) do 3GPP phát hành R7 và phát hành R8. Việc nâng cấp HSPA lên một cách dễ dàng do sử dụng sẵn có hạ tầng của HSPA nhưng đạt được tốc độ cao hơn nhiều.

HSPA+ phát hành ở R7 có tốc độ Downlink :28Mb/s, Uplink : 11Mb/s. Trong khi ở phát hành R8 tốc độ downlink được nâng lên đến 42Mb/s.

Điểm cải tiến của công nghệ này là sử dụng MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng hai anten phát và hai anten thu, sử dụng phương pháp điều chế 16QAM (thay vì QPSK ở HSPA) cho uplink và 64QAM (thay vì 16QAM ở HSPA) cho downlink nên tốc độ cao hơn nhiều so với HSPA.

1.3  Tổng quan về LTE (4G)

1.3.1       Giới thiệu

LTE (Long Term Evolution) là công nghệ được phát triển từ 3GPP, thuộc họ công nghệ GSM/UTMS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 – 4G. LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng 1,25MHz đến 20MHz. Tốc độ truyền dữ liệu (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 200Mb/s khi độ rộng băng tần là 20MHz. Các kĩ thuật ghép kênh OFDMA, SC – FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G.

1.3.2       Mục đích LTE

Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người dùng cao hơn trên cả đường lên và đường xuống, hiệu xuất sử dụng phổ tần cao và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác.

1.3.2.1 Tăng tốc độ truyền dữ liệu

Trong điều kiện lý tưởng dung lượng kênh truyền đường xuống có thể đạt 200Mb/s và 50Mb/s cho đường lên với băng tần 20MHz. Khi làm việc ở các băng tần khác nhau thì dung lượng truyền cũng tỉ lệ tương đương.

1.3.2.2 Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển

LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao, giảm đi một ít khi di chuyển từ 15km/h đến 120km/h. Đối với vận tốc trên 120km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào. Chức năng hỗ trợ từ 120km/h đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.

1.3.2.3 Dải tần linh hoạt

Dải tần vô tuyến của LTE có khả năng mở rộng từ 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 20MHz. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông. Mức thông số cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng đáp ứng, tránh được sự lãng phí tài nguyên tần số.

1.3.2.4 Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng

Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái kết nối mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền. Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms. Vì chính thời gian chuyển đổi này làm cho người dùng có thể cảm nhận được độ trễ khi truy cập một dịch vụ trên internet sau một khoảng thời gian không hoạt động. LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái kết nối khi hoạt động ở băng tần 5MHz. Trong mỗi băng tần rộng hơn 5MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ. Số lượng thiết bị đầu cuối ở trạng thái nghỉ trong cell không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể.

Nhược điểm của các mạng tổ ong (cell) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với mạng dây cố định. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …vì cần thời gian thực. Yêu cầu đối với LTE là độ trễ trên giao tiếp vô tuyến phải khoảng chừng 5ms để độ trễ từ thiết bị đầu cuối này đến thiết bị đầu cuối khác tương đương với độ trễ ở các mạng đường dây cố định.

 

1.3.2.5 Độ phủ sóng

Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về dung lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di chuyển. Phạm vi lên tới 30km thì có sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng.

1.3.2.6Tồn tại cùng với các chuẫn và hệ thống trước

Hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người sử dụng LTE có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE/UTMS. Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh.

1.4   Kết luân chương

Chương này trình bày tổng quát về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động. Tìm hiểu đôi nét cơ bản về HSPA và LTE (các thế hệ thông tin di động hiện tại và tương lai), một số ưu điểm của HSPA và LTE. Chương tiếp theo ta sẽ tìm hiểu về đặc tính truyền vô tuyến và kĩ thuật OFDM, một trong nhân tố quyết định đến chất lượng tín hiệu.

CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÀ KĨ THUẬT OFDM

2.1Giới thiệu chương

Kênh vô tuyến là kênh truyền không gian, giữa máy thu và phát có những vật cản không biết trước được. Đồng thời còn bị ảnh hưởng của thời tiết ….Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra các đặc tính kênh truyền trong không gian là hết sức cần thiết.

Kĩ thuật OFDM là ghép kênh đa truy cập phân chia theo tần số trực giao. Cho phép các sóng mang phụ chồng lẫn lên nhau. Để đảm bảo tính trực giao các sóng mang phụ chồng lẫn lên nhau mà vẫn đảm bảo tín hiệu, chương này ta sẽ tìm hiểu rõ về vần đề này.

2.2 Kênh vô tuyến

Chất lượng của các hệ thống thông  tin di động phụ thuộc vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát sang máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và rất khó để phân tích và ước lượng nó chính xác. Tín hiệu được phát đi qua kênh truyền vô tuyến bị cản trở bởi các tòa nhà, cây cối, núi …bị phản xạ,  nhiễu xạ, tán xạ …các hiện tượng này được gọi chung là fading. Bên thu ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau từ bên phát. Điều này ảnh hướng đến chất lượng của hệ thống . Vì vậy, việc nắm vững các đặc tính kênh trên là hết sức cần thiết để lựa chọn một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống,  kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống.

Hiện tượng fading trong một hệ thống tin di động là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ mặt đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu sự ảnh hưởng của việc cao lên của địa hình (đồi núi, rừng và các nhà cao tầng …) giữa máy thu và máy phát. Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.

Fading tầm hẹp thể hiện diễn biến sự thay đổi ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nữa bước sóng) giữa phía phát và thu. Fading tần hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biên độ theo thời gian vì sự di chuyển của phái phát và phái thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng .

2.2.1       Các đặc tính của kênh vô tuyến

2.2.1.1  Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp tới anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và thu luôn tồn tại các vật chắn cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vật tín hiệu nhận được là sự chồng chập của các sóng mang tín hiệu từ các hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các tòa nhà, cây cối các vật thể trên đường truyền. Hiện tượng này gọi là truyền sóng đa đường. Do hiện tượng đa đường tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau.Tùy thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo qua kênh truyền đa đường và nới nhận có đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tượng này gọi là phân tán các đáp ứng xung. Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.

        

Hình 2.1 : Phản xạ đa đường[1]

2.2.1.2 Suy hao không gian tự do

Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là không gian tự do. Mức suy hao của sóng vô tuyến phát đi từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỉ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng. Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do và được tính :

 

L_sp = 20lg(4Лd/λ) (dB )                       [3]                            (2.1)

Với :   d (m) : Khoảng cách truyền dẫn

λ (m) : Bước sóng của sóng vô tuyến

2.2.1.3  Hiệu ứng dopper

Hiện tượng dopper là hiện tượng trong đó tần số máy thu nhận được bị lệch so với với tần sô máy phát phát đi khi độ dài đường liên lạc vô tuyến thay đổi theo thời gian dẫn đến sự thay đổi về pha liên tục.

Sự thay đổi tần số được tính theo công thức :

 

δf =f₀ δv/ c                                   [7]                                (2.2)

Trong đó:

                   f₀     : tần số máy phát.

                    Δv   : vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát.

                   v    : Vân tốc ánh sáng.

2.2.1.4  Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng cách điều khiển công suất.

2.2.1.5  Độ trải trễ

Qua kênh truyền dẫn đa đường, các tín hiệu thu được từ một tín hiệu phát đi ở máy phát sẽ có độ suy hao và thời gian trễ khác nhau. Độ trải trễ là lượng thời gian trễ lớn nhất giữa tín hiệu trực tiếp (tín hiệu truyền thẳng) và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu máy thu. Với kiểu điều chế OFDM thì mỗi kí tự là tổng hợp của nhiều sóng mang con băng hẹp truyền dẫn song song. Nếu thời gian kí tự nhỏ hơn độ trễ thì tại đầu thu hai kí tự liên kề nhau sẽ chồng chập lên nhau, gây ra nhiễu xuyên kí tự ISI. Để đảm bảo nhiễu ISI ở mức cho phép, ta phải ước lượng độ trải trễ.

2.2.2       Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có các loại kênh truyền sau:

Kênh truyền chọn lọc tần số, kênh truyền không chọn lọc tần số.

Kênh truyền chọn lọc thời gian, kênh truyền không chọn lọc thời gian.

2.2.2.1 Kênh truyền chọc lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số .

Hình 2.2 Kênh truyền chọn lọc tần số (f₀ < W)[7]

Kênh truyền có f₀ nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần kênh truyền không có tín hiệu đi qua và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.    

Hình 2.3 : Kênh truyền không chọn lọc tần số ( f₀ > W)[7]

Kênh truyền có f₀ lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng.

2.2.2.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian.

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về vị trí vận tốc …luôn có những vật thể mới suất hiện và những vật thể cũ mất đi. Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ ,tán xạ… qua những vật thể nên hướng góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian.

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số gọi là coherent time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).

Khi ta truyền tín hiệu với chu kì ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền lựa chọn thời gian. Ngược lại khi ta truyền tín hiệu với chu kì ký hiệu rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian.

2.3 Nhiễu trong hệ thống thu phát

2.3.1       Nhiễu trắng cộng Gausian (AWGN)

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt (sinh do sự hoạt động nhiệt của các hạt tải điện), nhiễu điện tử các bộ khuếch đại bênh thu, do thời tiết …Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.

Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng do đó tín hiệu thu được có dạng :

R(t) = S(t) *h(t) + n(t)        (2.3)

Với :

S(t ) : Tín hiệu phát đi

h(t) :Đáp ứng xung kênh truyền

n(t) : Nhiễu Gaussian

R(t) : Tín hiệu thu được

2.3.2       Nhiễu xuyên kí tự ISI

Nhiễu xuyên kí tự ISI xảy ra do hiện tượng đa đường, làm cho tín hiệu được phát đi trước lại đến sau và chồng lẫn lên tín hiệu đang gửi vào thời điểm hiện tại. Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số OFDM hạn chế ảnh hưởng của nhiễu ISI bằng cách chèn thêm tiền tố lặp CP vào đầu mỗi ký tự.

2.3.3       Nhiễu liên sóng mang ICI

Trong hệ thống OFDM phổ của các sóng mang chồng lên nhau nhưng vẫn phải đảm bảo tính trực giao của chúng. Tính trực giao sẽ bị mất đi nếu biên độ của sóng mang khác không tại tần số trung tâm của sóng mang liên kề. Nhiễu liên sóng mang xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian kí tự OFDM. Dịch Dopper trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. Nhiễu liên sóng mang cũng xảy ra khi một kí tự OFDM bị nhiễu xuyên kí tự ISI. Các bộ tạo dao động tại máy phát và máy thu có thể lệch nhau nhất định về tần số, cũng là nguyên nhân gây ra nhiễu liên sóng mang ICI.

2.4 Kênh phân bố Rayleigh

Trong nhưng kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần da đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tồng hai tín hiệu nhiễu Gaussian trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác xuất .

                                         [7]               (2.4)

Với  σ là giá trị hiệu dụng của tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao,σ² là công suất trung bình theo thời gian.

Xác xuất để đường bao tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy :

                [7]              (2.5)

 

Giá trị trung bình r_mean  củaphân bố Rayleigh được cho bởi:

 

                     [7]             (2.6)

 

Với phương sai (công suất thành phần ac của đương bao tin hiệu) :

 

     [7]          (2.7)

 

Giá trị hiệu dụng của đương bao là  .Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình :

                             [7]           (2.8)

                         

Hình 2.4 : Hàm mật độ phân bố xác xuất của phân bố Rayleigh[7]

Vì vậy giá trị mean và madian chỉ khác nhau một lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading. Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào. Bằng các sử dụng các giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau.

2.5 Kĩ thuật OFDM

2.5.1       Khái niệm

Kĩ thuật OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh. Để tránh lãng phí băng tần, khắc phục nhược điểm của ghép kênh FDM, N sóng mang con cho phép chồng lên nhau nhưng đảm bảo tính trực giao. Điều kiện trực giao của mỗi sóng mang con là tần số của mỗi sóng mang phụ bằng tần số nguyên lần của chu kì T kí hiệu, đảm bảo tính trực giao là vấn đề quan trong trong OFDM.

2.5.2       Mô hình OFDM

Hình 2.5 : Hệ thống phát và thu OFDM[1]

2.5.2.1 Điều chế tín hiệu OFDM

Sau khi được mã hóa và xen rẽ, các dòng bít trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có N_bs (1,2,4,6) bít khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM.

2.5.2.2 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song (S/P) và song song nối tiếp (P/S)

Bộ chuyển đổi nối tiếp song song có nhiệm vụ đổi dòng dữ liệu tốc độ cao thành N dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng.

2.5.2.3 Bộ IFFT và FFT

Biến đổi IDFT cho phép điều chế tín hiệu OFDM bằng cách điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số sóng mang trực giao một cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi DFT cho phép ta khôi phục lại tín hiệu OFDM.

Hình 2.6 : Biến đổi IFFT và chèn CP[1]

2.5.2.4 Tiền tố lặp CP

Để giảm ảnh hưởng nhiễu xuyên kí tự ISI đến tín hiệu OFDM, ta chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi kí tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo về được chọn sao cho nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con và loại bỏ được nhiễu xuyên kí tự.

 

2.5.2.5 Ưu nhược điểm của OFDM

Ưu điểm :

OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính trực giao nên sóng mang phụ này có thể chồng lẫn lên nhau mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu, làm tăng hiệu quả trải phổ.

Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên kí tự ISI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP.

Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.

Nhược điểm :

Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn. Tín hiệu OFDM tổng hợp từ các tín hiệu các sóng mang phụ, nếu các sóng mang phụ đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ có đỉnh công suất rất cao. Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng các bộ khuếch đại cao tần.

Rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Doppler.

2.6 Kết luận chương

Chương này cho ta biết hệ thống kênh truyền vô tuyến trong thông tin di dộng. Cho biết mô hình phân bố Rayleigh. Đồng thời giới thiệu đôi nét về kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tân số trực giao (OFDM). Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu qua kênh truyền. Để thu được tín hiệu tốt khắc phục các hiện tượng trên ta cần áp dụng các kĩ thuật phân tập. Vấn đề này sẽ được tìm hiểu hiểu ở chương tiếp theo.

CHƯƠNG 3 : CÁC KĨ THUẬT PHÂN TẬP

3.1Giới thiệu chương

Để nâng cao dung lượng và truyền dữ liệu tốc độ cao, phân tập là một trong kĩ thuật được quan tâm và ứng dụng trong công  nghệ thông tin di động hiên nay. Chương này sẽ tìm hiểu các kĩ thuật phân tập, đặc biêt là phân tập không gian.

3.2Các kĩ thuật phân tập

3.2.1       Phân tập thời gian

Khi các bản sao tín hiệu được truyền trên những khe thời gian khác nhau, nó được gọi là phân tập thời gian, bên thu sẽ thu được các tín hiệu không tương quan về fading. Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất phát, nhưng có một nhược điểm lớn là sử dụng băng thông không hiệu quả do sự dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian.

Phân tập thời gian có thể thu được thông qua mã hóa (coding) và xen kênh (interleaving). Mã hóa điều khiển lỗi được sử dụng để giảm một lượng lớn độ dư thừa về mặt thời gian, cung cấp độ lợi mã cho tín hiệu truyền. Xen kênh sẽ tạo ra khoảng không gian phân cách giữa các bản sao của tín hiệu truyền, do đó sẽ tạo ra các tín hiệu độc lập về fading tại bộ giải mã.

Nếu kênh truyền là fading chậm, tức là khoảng thời gian kết hợp lớn, thời gian phân cách giữa các khe thời gian sử dụng cho phân tập thời gian sẽ lớn. Trong trường hợp này, máy thu sẽ chịu một khoảng trễ lớn trước khi nó có thể bắt đầu quá trình giải mã, không thể sử dụng được các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ. Do đó, xen kênh chỉ phù hợp với các môi trường có fading nhanh khi khoảng thời gian liên kết của kênh truyền nhỏ.

3.2.2       Phân tập tần số

Phân tập tần số sử dụng các tần số sóng mang khác nhau  để phát đi cùng một thông tin. Để đạt được sự phân tập, khoảng cách của các tần số sóng mang phải lớn hơn dải thông phù hợp của kênh truyền, lúc này các bảo sao tín hiệu sẽ độc lập fading với nhau. Phân tập tần số hiện nay cũng không hiệu quả khi tăng tần số ngày càng khan hiếm, đồng thời cần một công suất phát lớn để phát đi tín hiệu trên các tần số khác nhau.

3.2.3       Phân tập không không gian

Kĩ thuật phân tập không gian hay còn gọi là phân tập anten sử dụng nhiều anten phát hoặc nhiều anten thu hoặc cả hai để đạt được sự phân tập. Trong phân tập không gian các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian. Nếu các anten có khoảng các đủ lớn. Thường là lớn hơn một nữa lần bước sóng, tín hiệu tương ứng với mỗi anten sẽ không tương quan với nhau.

Phân tập không gian đảm bảo việc sử dụng hiệu quả băng thông tín hiệu nhờ sử dụng nhiều anten phát. Tuy nhiên, có một hạn chế lớn là không thể sử dụng nhiều anten thu ở các thiết bị cầm tay do giới hạn về kích thước cũng như công suất.

Hình 3.1 : Phân tập không gian

 

3.2.3.1  Phân tập phát

Là kĩ thuật sử dụng nhiều anten khác nhau ở bênh phát để phát một tín hiệu, công suất được chia cho các anten phát.

 

3.2.3.2  Phân tập thu

Là kĩ thuật sử dụng nhiều anten khác nhau ở bên thu. Các anten thu sẽ thu được nhiều bản sao khác nhau của tín hiệu rồi chọn lọc giải mã trở lại tín hiệu gốc.

3.3 Các kĩ thuật phân tập thu – phân tập không gian

3.3.1       Phân tập thu kết hợp lựa chọn  (SC)

Mỗi nhánh của anten thu đều có bộ đo SNR và hệ thống sẽ chọn ra tín hiệu có SNR lớn nhất.

Phân tập thu kết hợp lựa chọn có ưu điểm là không cần ước lượng kênh, đơn giản. Nhưng với kênh fading nhanh thì SNR thay dổi liên tục nên dùng phương pháp SC sẽ không phù hợp.

Hình 3.2 : Phân tập thu kết hợp lựa chọn (SC) [1]

3.3.2       Phân tập thu kết hợp ngưỡng (TC)

Đây là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Tín hiệu từ trạm đến các anten thu qua nhiều đường khác nhau. Chuyển mạch của bộ so sánh SNR (compareSNR) sẽ nhảy lần lượt, khi gặp tín hiệu có SNR lớn hơn mức ngưỡng γT thì sẽ đưa ra bộ giải điều chế.

Hình 3.3 : Phân tập kết hợp ngưỡng (TC) [1]

Đây là phương pháp đơn giản nhất trong bốn phương pháp phân tập thu, chỉ cần có một máy đo SNR, không cần phải ước lượng kênh truyền. Tuy nhiên, chất lượng tín hiệu kém hơn cả so với các phương pháp phân tập còn lại.

3.3.3       Phân tập thu kết hợp theo tỉ số đa đối ( MRC)

Trong kĩ thuật này đầu ra là tổng trọng số của tất cả các nhánh. Do pha của tín hiệu khác nhau trên các nhánh, vì vậy để kết hợp chính xác các tín hiệu đa đường cần phải đồng pha của tín hiệu này. Việc đồng pha được thực hiện bằng cách nhân mỗi nhánh với giá trị g_i = g_ie^-jθi . Trong  đó, g_ilà một số thực bất kì, θ_i là pha tín hiệu trên nhánh i.

Giả sử một hệ thống đa anten thu nhận được M bản sao tín hiệu qua M đường độc lập nhau. Tín hiệu thu đươc tại anten thu thứ i sẽ là :

 

y_i =h_i +n_i    i = 1,2,……M.              [1]                              (3.1)

Với h_i =a_ie^-jθi và n_i =CN(0,N₀) tại các anten thu tín hiệu được sẽ nhân với các trọng số  w_i =g_ie^-jθi. Tín hiệu kết hợp thu sẽ được :

Sau khi kết hợp tín hiệu, SNR thu được sẽ là :

Kết quả, ta sẽ có SNR sau khi kết hợp là :

Trong đó,  là SNR tại mỗi đầu thu của anten. Nói cách khác, SNR tại máy thu bằng tổng SNR của mỗi kênh truyền độc lập.

Ưu điểm: Phương pháp này cho tỷ số lỗi bit BER nhỏ nhất trong bốn phương pháp.

Nhược điểm: Phải ước lượng kênh truyền để biết pha trước khi bù và cần phải tìm hệ số α_i để tối đa hóa SNR.

Hình 3.4 : Phân tập MRC [1]

3.3.4       Phân tập thu kết hợp cùng độ lợi (EGC)

Phương pháp EGC cải thiện SNR bằng cách sử dụng tất cả các tín hiệu thu được nhân với hệ số e^-jθi để bù pha và lấy tổng của chúng.

Hình 3.5 : Phân tập thu EGC [1]

Ưu điểm: Có tỷ số lỗi bit BER tốt hơn phương pháp TC và SC, đơn giản hơn phương pháp MRC.

Nhược điểm: Phải ước lượng kênh truyền để biết pha trước khi bù.

3.4 Mã không gian thời gian STC

Mã hóa không gian thời gian STC (space-time coding) là một kỹ thuật mã hóa được áp dụng phổ biến trong các hệ thống MIMO hiện nay. Môi trường truyền tín hiệu thông thường luôn tồn tại hiện tượng đa đường, nếu khoảng cách giữa các anten đủ lớn, các tín hiệu truyền trên các đường truyền khác nhau này sẽ độc lập nhau. Mã hóa không gian thời gian lợi dụng tính chất này để đạt được sự phân tập tối đa cho hệ thống MIMO, độ lợi mã cao cũng như dung lượng truyền dẫn lớn nhất. STC có thể sử dụng để tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập, tùy loại mã hóa được sử dụng. Có ba loại mã hóa không gian thời gian :

ü  Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Spcae-time block code).

ü  Mã hóa không gian thời gian lưới STTC (Space-time Trellis code).

ü  Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST (Bell-Labaratories layered space-time).

Trong đó, mã hóa không gian thời gian khối STBC ra đời đã mang lại những lợi ích thiết thực trong các hệ thống thông tin di động, nơi mà sự phức tạp trong giải mã là vấn đề rất được quan tâm. STBC dựa trên mô hình Alamouti, nó cung cấp độ lợi phân tập đầy đủ cho hệ thống đa anten cũng như giảm tối đa sự phức tạp tính toán tại các trạm thu. Đồ án sẽ tập trung vào nghiên cứu và mô phỏng hệ thống sử dụng STBC.

3.4.1       Mô hình Alamouti

Mô hình Alamouti được Siavash M.Alamouti đưa ra trong một bài báo năm 1998. Mô hình cũng cấp phương pháp đơn giản để đạt được phân tập phát với việc sử dụng hai anten phát và một anten thu.

3.4.2       Mã hóa

Ý tưởng của phương pháp này là hệ thống sẽ lấy hai symbol s1, s2 dài b bit trong chòm sao các sơ đồ điều chế  điểm, nhóm thành khối 2b bit để truyền trên hai anten trong hai khe thời gian. Khe thời gian thứ nhất, anten một phát symbol s1, anten hai phát symbol s2. Khe thời gian thứ hai, anten một phát symbol , anten hai phát symbol  .

Hình 3.6 : Sơ đồ phát của mô hình Alamouti  [5]

Ta có ma trận phát lúc này sẽ là   :                                           

Trong ma trận trên, cột đầu tiên tương ứng khe thời gian thứ nhất và cột thứ hai tương ứng với khe thời gian thứ hai. Hàng đầu tiên tương ứng với các symbol được phát ở anten một, hàng thứ hai tương ứng với các symbol được phát ở anten hai. Ma trận cho thấy tín hiệu được phát đi cả về không gian (trên hai anten) và thời gian (trong hai khe thời gian) nên nó được gọi là mã không gian -  thời gian.

         Tín hiệu truyền đi trên hai anten sẽ chịu ảnh hưởng bởi hai kênh truyền độc lập nhau. Giả sử h₁ và h₂ lần lượt là hai đáp ứng kênh tương ứng với hai tín hiệu phát trên hai anten. Với mô hình Alamouti, kênh truyền phải là tĩnh trong suốt hai khe thời gian truyền symbol:

 

Trong đó T là chu kỳ truyền của một symbol, và  lần lượt là độ lợi kênh truyền của đáp ứng kênh  và .

Gọi tín hiệu thu được trong khe thời gian thứ nhất và thứ hai lần lượt là y₁ và y₂, ta có :

     [1]         (3.8)

Trong đó n₁ và n₂ là các nhiễu trắng cộng Gaussian tương ứng với mỗi khe thời gian, có trung bình bằng 0 và phương sai N₀.

3.4.3       Giải mã

Tại máy thu, bộ giải mã sẽ sử dụng thông tin trạng thái kênh truyền được ước lượng để thực hiện quá trình giải mã.

               [1]      (3.9)

Gọi ma trận , ma trận này ta hoàn toàn biết được đã ước lượng ở phía thu. Ta nhân ma trận  với ma trận tín hiệu thu được trong hai khe thời gian :

    )     

Trong đó:

 [1]      (3.11)

Phương trình  có thể viết lại :

                       

Trong đó  và được xem như là các nhiễu đã được khuếch đại, nó là các biến Gaussian phức có trung bình bằng 0 và có phương sai :

 ,  và .

Mỗi thành phần của ma trận  tương ứng với một symbol đã phát đi :

                                                                                   

SNR tại máy thu tương ứng với mỗi  được cho bởi :

                                                                                        [1]               (3.14)

Trong đó hệ số 2 ở mẫu là do  được truyền chỉ sử dụng một nữa năng lượng của E_s. SNR tại máy thu bằng tổng SNR trên mỗi nhanh , tức là mô hình Alamouti đã đạt được độ lợi phân tập gấp đôi so với trường hợp dùng một anten phát.

Hình 3.7 : Sơ đồ khối giải mã Alamouti sử dụng một anten thu [1]

3.5 Alamouti mở rộng với M anten thu

Trong các ứng dụng cần có phân tập cao hơn và chia điều xử lý cho hai bên thu phát thì người ta sử dụng thêm phân tập thu cho các thuê bao di động. Hệ thống hai anten phát và M anten thu có thể cung cấp phân tập bậc 2M.

Tín hiệu từ hai anten phát đến các anten thu sẽ đi theo các đường khác nhau và chịu ảnh hưởng với các kênh truyền khác nhau. Gọi  là đáp ứng kênh

truyền từ anten phát thứ i (i = 1, 2) đến anten thu thứ j (j = 1, 2,…, M). Ta có tín hiệu thu được tại các anten thu tại anten thu thứ j thời điểm thời điểm t và t+T là :

                                             [5]                                    (3.19)

                                    (3.20)

 và  là nhiễu trên các đường truyền, là biến ngẫu nhiên Gaussian phức có trung bình bằng 0 và phương sai N₀.

Bộ kết hợp xử lý tín hiệu thu được trên mỗi anten thứ j :                                                                                              

Sau đó hệ thống sẽ kết hợp các tín hiệu đã xử lý với nhau :                                              

Với hệ số , ta thấy hệ thống đã đạt được phân tập bậc 2M như mong muốn.

Sau đó tín hiệu kết hợp được đưa đến bộ ML, ML tìm một cặp s₁, s₂­ trong chòm sao cho định thức sau nhỏ nhất :

(3.23)

Nếu điều chế PSK thì năng lượng các mẫu đều bằng nhau nên cuối cùng cặp s₁, s₂ sẽ là :

3.6 Kết luận chương

Chương này trình bày một cách cơ bản về hệ thống phân tập (đặc biệt phân tập không gian). Những ưu điểm của phân tập mang lại hiệu quả cao trong hệ thống thống tin di động hiện nay. Chương này cũng trình bày khá chi tiết về các kĩ thuật phân tập thu và mã khối không gian – thời gian Alamouti. Chương tiếp theo sẽ tiến hành mô phỏng kiểm chứng lại lý thuyết đã nghiên cứu trên.

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG PHÂN TẬP ANTEN

4.1 Giới thiệu chương

Chương này, ta sẽ có cái nhìn trực quan hơn thông qua mô phỏng bằng đồ thị trên kên truyền block fading và so sánh với lý thuyết được trình bày ở trên.

Sử dụng matlab để mô phỏng, rút ra nhận xét về chất lượng của từng loại phân tập không gian. Cụ thể chúng ta mô phỏng các kĩ thuật phân tập sau:

-         Các kĩ thuật phân tập thu  (SC, TC, EGC, MRC).

-         Kĩ thuật phân tập thu MRC (1Tx 2Rx), (1Tx 4Rx).

-         Kĩ thuật phân tập MIMO Alamouti ( 2Tx 2Rx), (2Tx 4Rx).

-         So sánh hai kĩ thuật phân tập thu và phát giữa MRC(1Tx 2Rx) và Alamouti (2Tx 1Rx).

Kênh truyền sử dụng mô phỏng là Rayleigh