Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Tải bản đầy đủ - 0trang

thành số (ADC). Tín hiệu số này có thể được giải điều chế và giải mã bởi một mạch

số tích hợp để có thể khơi phục lại dạng bit như bên phát.



1.3



Phân loại mơ hình hệ thống vơ tuyến

Các mơ hình hệ thống thơng tin vơ tuyến có thể được phân loại thành bốn hệ



thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO như hình sau

Mơ hình hệ thống SISO



1.3.1



s1



RX1



TX1



x1



Hình 1.2: Mơ hình hệ thống SISO

Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thông chỉ sử dụng

một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần, một

bộ điều chế và giải điều chế. Hế thống SISO thường dùng trong phát thanh, truyền

hình và các kỹ thuật truyền dẫn vơ tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung

lượng của hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo cơng

thức Shanon:

C = log2(1+SNR) (bps/Hz)



1.3.2



(1.1)



Mơ hình hệ thống SIMO



RX1



s1



TX1



RX2



x1



x2





RX Nr

Hình 1.3: Mơ hình hệ thống SIMO

4



xNr



Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn

lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi

là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín

hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật

beamforming hoặc MMRC(Maximal Ratio Receive Combinning). Khi máy thu biết

thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu,

có thể xấp xỉ theo công thức sau

C = log2(1+ N.SNR) (bps/Hz)



(1.2)



Với N là số anten tại phía thu

Mơ hình hệ thống MISO



1.3.3



s1



s2



TX1



RX1



TX1



x1







sNt



TX Nt

Hình 1.4: Mơ hình hệ thống MISO



Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống

MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thơng qua kỹ thuật Alamouti từ

đó cải thiện lượng tín hiệu được sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và

vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống

tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công

thức sau

C = log2(1+ N.SNR) (bps/Hz)

Với N là số anten tại phía phát



5



(1.3)



Mơ hình hệ thốngMIMO



1.3.4



1.3.4.1 Mơ hình hệ thống



Một hệ thống thơng tin điểm đa anten băng hẹp gồm có NT anten phát và Nr

anten thu có thể được biểu diễn bởi mơ hình rời rạc thời gian như sau [1] :



 y1   h11

y  

 2   h21

 .   .





.



  .

 .   .



 

 y N R   hN R 1



s1



s2



sNt



h12



.



.



.



h22



.



.



.



.



.



.



.



.

hN R 2



.

.



.



.



h1NT   x1   n1 



h2 NT   x2   n2 

.  .   . 

  

.  .   . 



.  .   . 

   

hN R NT   xNT   nNT 



(1.4)



TX1



RX1



TX1



RX2











TX Nt



RX Nr



x1



x2



xNr



H

Hình 1.5: Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng N t anten phát và N r anten thu

Mơ hình được biểu diễn đơn giản dưới dạng

y = Hx + n



(1.5)



Với y  C NR biểu diễn tín hiệu nhận từ NR chiều (NR anten). x  C NT biểu

diễn tín hiệu nhận từ NT chiều (NT anten ). n  C NR kí hiệu nhiễu Gauss trắng

N (0, 2 ). H  C NR Nt là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thước



NR×NT, hij có biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi của

kênh truyền từ anten phát j đến anten thu i.



6



1.3.4.2 Dung lượng hệ thống MIMO



Giả sử rằng chúng ta có N kênh truyền 1 chiều song song bị các nguồn nhiễu

Gauss có phương sai 12 ,..., N2 có tác động như hình 1.6. Dung lượng mỗi kênh đơn

được tính theo định lý Shanon, dung lượng của hệ các kênh song song là tổng dung

lượng của các kênh đơn [1]:

(1.6)



Với  là hệ số nhân Lagrange được chọn sao cho tổng công suất phát là

N



P   Pn

n 1



N (0, 1 )

2



x



y1



1



N (0, 



2

N



)



xN



yN



Hình 1.6: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song

Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và được xem là

bất biến suốt thời gian và tổng cơng suất phát tín hiệu từ NT anten phát phía thu

được giữ khơng đổi là P.

Dung lượng của kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H và có thể được tính

thơng qua việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song, theo phân

bố Gauss, độc lập và vô hướng .

H=UDVH



Với



U  C NR NR và



V  C NT NT



(1.7)







các



ma



trận



unitary



(U .U H  I NR ,V .V H  I NT ) , D  R NR NT là ma trận đường chéo, với các hệ số thực



không âm d1  d2  ...  d N chính là các giá trị đơn (single value ) của ma trận H với



7



N = min(NT,NR), hạng của H bằng với số trị đơn khác khơng. Bình phương các trị

đơn chính là các trị riêng n của ma trận H.HH hay HHH .

d n  n



(1.8)



Các trị riêng  n của ma trận HHH hay HHH được định nghĩa là vector thỏa

mãn:

( HH   n I NR ) y  0 với y  0 là vector (NR x 1)



(1.9a)



( H  H  n I NT ) y  0 với y  0 là vector (NT x 1)



(1.9b)



Để đơn giản, các trị riêng có thể được xác định theo biểu thức sau



(W  n I N ) y  0

Với



với y  0 là vector (N×1)



 HH H , N R  NT

W  H

 H H , N R  NT



(1.10)



(1.11)



Biểu thức kênh truyền sẽ được viết lại như sau

y  Hx  n  UDV H x  n



(1.12)



Nhân hai vế của biểu thức với UH ta được biểu thức

U H y  U HUDV H x  U H n



(1.13)



Đặt y  U H y, x  V H x, n  U H n, ta có biểu thức :

y  Dx  n



(1.14)



Nếu NT>NR: chỉ có NR tín hiệu đầu tiên thuộc x tách ra được. Nếu NT
:chỉ có NT tín hiệu đầu tiên thuộc x có ích, NR-NT cuối cùng khơng chứa thơng tin.

Ngồi ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép

kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hố khơng gian_thời gian V-BLAST. Khi thơng tin

kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân

tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp

phân tập cực đại có thể xác định theo:

8



C = log2(1+NT.NR.SNR)



(1.15)



Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định

theo:

C = min(NT,NR). log2(1+SNR)

1.3.5

1.3.5.1



(1.16)



Kỹ thuật phân tập



Phân tập tần số



Trong phân tập tần số, một vài tần số được dùng để phát cùng một tín hiệu.

Các tần số cần cách nhau một khoảng lớn hơn băng thông kết hợp để tạo pha-đing

độc lập. Băng thông kết hợp sẽ khác nhau với các môi trường khác nhau. Trong

những hệ truyền thông di động, những bản sao tín hiệu phát được đưa tới nơi thu

dưới dạng dư thừa trong miền tần số bằng tín hiệu trải phổ. Các kỹ thuật trải phổ sẽ

hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh là nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông kết

hợp của kênh lớn hơn dải thơng tin tín hiệu trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ so với

chu kỳ ký hiệu (kênh phẳng). Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hữu hiệu

trong việc phân tập tần số. Cũng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm

hiệu suất phổ có dư thừa trong miền tần số.

1.3.5.2



Phân tập thời gian



Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách phát những mẫu tín hiệu giống

nhau trong các khe thời gian khác nhau, kết quả là có được các tín hiệu pha-đing

khơng tương quan tại đầu thu. Yêu cầu của phương pháp này là khoảng thời gian

giữa các lần phát bản sao phải ít nhất bằng thời gian kết hợp của kênh. Trong truyền

thông di động, mã sửa sai được kết hợp với bộ xáo trộn để đạt được phân tập thời

gian. Trong trường hợp này, những bản sao của tín hiệu phát thường được đưa tới

bên thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian bằng bộ mã sửa sai. Khoảng thời

gian tách biệt giữa các bản sao của tín hiệu phát được tạo ra bằng bộ xáo trộn để thu

được pha-đing độc lập tại lối vào của bộ giải mã. Vì thời gian xáo trộn dẫn tới giải

mã trễ, kỹ thuật này thường rất hiệu quả với môi trường pha-đing nhanh( tốc độ di

chuyển lớn) khi mà thời gian kết hợp là nhỏ. Với kênh pha-đing chậm, một bộ xáo

trộn lớn có thể dẫn tới trễ rất lớn và khơng thể dùng cho những ứng dụng thời gian

thực như video, âm thanh… Chính vì vậy, phân tập thời gian khơng thể giúp giảm

9



được suy hao pha-đing. Một nhược điểm đó là mơ hình này tạo ra sự dư thừa miền

thời gian nghĩa là làm lãng phí băng thơng.

1.3.5.3 Phân tập khơng gian



Phân tập không gian là kỹ thuật phổ biến trong truyền thơng khơng dây và

còn gọi là phân tập anten. Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten hay những anten sắp

xếp cùng nhau trong khơng gian để truyền nhận tín hiệu. Những anten được đặt

cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu trên từng anten khơng tương quan.

Khoảng cách này thay đổi theo độ cao anten, môi trường lan truyền tần số. Thường

thì khoảng cách này bằng một vài bước song là đủ để có được những tín hiệu không

tương quan. Trong phân tập không gian, những bản sao tín hiệu phát thường được

gửi tới máy thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian. Không như phân tập thời

gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm suy giảm hay mất mát về

hiệu suất phổ. Tính chất này cho thấy đây là kỹ thuật thích hợp với sự phát triển

cơng nghệ truyền thơng vơ tuyến tốc độ dữ liệu cao trong tương lai.

Một ưu điểm lớn của phân tập không gian là khi các anten có khoảng cách

thích hợp thì hệ thống có thể tránh được phần lớn hiện tượng suy giảm sâu ( deep

fades). Lợi ích này có thể đạt được mà khơng cần sử dụng thêm băng thông hay

tăng công suất truyền. Ngồi ra, hệ thống MIMO còn có các ưu điểm khác:



1.3.5.4



-



Tăng độ tin cậy của hệ thống ( giảm lỗi bit, lỗi ký tự)



-



Tăng dung lượng hệ thống.



-



Mở rộng vùng phủ sóng.



-



Giảm cơng suất phát u cầu.



Phân tập khơng gian phía thu



Dạng phổ biến nhất của phân tập khơng gian chính là phân tập thu, và

thường sử dụng 2 anten thu. Có thể thấy được các ví dụ của dạng phân tập này như

là các anten của access point trong mạng wifi. Trong kỹ thuật phân tập thu, khơng

có một yêu cầu cụ thể nào cho phía phát, tuy nhiên ở phía thu u cầu một q trình

xử lý N r luồng dữ liệu nhận được và kết hợp chúng theo thuật toán nhất định.

Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét 2 thuật toán kết hợp: kết hợp lựa chọn

(SC) và tỷ lệ tối đa kết hợp (MRC). Mặc dù phân tập thu mang lại hiệu quả cao

10



trong cả môi trường fading phẳng và fading chọn lọc tần số, tuy nhiên chúng ta chỉ

xem xét trong môi trường fading phẳng, trong trường hợp này tín hiệu nhận được

bởi mỗi anten thu N r là khơng tương quan và có cùng cơng suất trung bình.





Kết hợp lựa chọn

Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Trong thuật toán



này tại mỗi thời điểm sẽ chỉ lựa chọn một luồng có tín hiệu lớn nhất trong N r luồng

tín hiệu nhận được.

h1

h2

Phát



x



Lựa

chọn

anten

có tín

hiệu tốt

nhất



hNt

y



Hình 1.7: Mơ hình kết hợp lựa chọn

Do bỏ qua những luồng tín hiệu còn lại, phương pháp kết hợp này chưa phải

là tối ưu. Tuy nhiên, do tính đơn giản, khơng u cầu cao về phần cứng, trong một

số trường hợp phương pháp này vẫn được lựa chọn.





Tỷ lệ tối đa kết hợp

Theo đúng như tên gọi, thuật tốn này hợp kết hợp thơng tin từ tất cả các



nhánh sao cho có được tỷ lệ thơng tin trên nhiễu là lớn nhất.

q1

h1

h2



q2

Phát



x



hNt



q Nt

y



Hình 1.8: Mơ hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp



11



MRC làm việc bằng cách đánh trọng số cho mỗi nhánh qi  qi e ji , tín hiệu

nhận được trên mỗi nhánh được biểu diễn dưới dạng x(t ).hi , với hi  hi e ji . Tín

hiệu tổng hợp được biểu diễn theo biểu thức[5]:

Nr



y (t )  x(t ) qi hi exp{ j (i  i )}

i 1



(1.17)



Nếu ta chọn pha trong trọng số nhánh là i  i , tỷ số tín hiệu trên nhiễu

sẽ là[5] :

Nr



 MRC 



 x ( qi hi ) 2

i 1



Nr



 2  qi



(1.18)



2



i 1



Trong đó :  x là năng lượng truyền tín hiệu

2



Biểu thức đạt giá trị lớn nhất khi thỏa mãn điều kiện : qi*  h1 /  2 . Khi đó ta có :

Nr



 MRC 



 x ( hi )2

i 1



2



Nr



  i

i 1



(1.19)



Như vậy, nếu như chọn được trọng số kết hợp hợp lý, giá trị SNR kết hợp sẽ bằng

tổng giá trị SNR của các nhánh .

1.3.5.5 Phân tập khơng gian phía phát



Phân tập phát là kỹ thuật sử dụng nhiều anten tại phía phát để truyền tín hiệu.

Vì tín hiệu được phát trên hệ thống anten có ảnh hưởng lẫn nhau, nên quá trình xử

lý tín hiệu phải được thực hiện tại cả phía phát, thu để đạt được sự phân tập và làm

giảm đi sự giao thoa tín hiệu trong khơng gian. Phân tập phát thực sự hấp dẫn đối

với các hệ thống phụ thuộc nhiều vào cơ sở hạ tầng, như Wimax, vì nó làm giảm

bớt gánh nặng cho hệ thống các anten phát (về mặt cơng suất cũng như kích thước).

Phân tập phát được chia làm 2 loại chính : vòng đóng và vòng mở. Trong hệ

thống vòng mở khơng u cầu phía phát phải có đầy đủ thơng tin về kênh truyền .



12



Ngược lại, trong hệ thống vòng đóng cần có một đường feedback để cung cấp thơng

tin về kênh truyền cho phía phát .





Phân tập phát vòng mở

Mơ hình thường gặp của phân tập phát vòng mở là mã hóa khơng gian- thời



gian (space time coding), trong đó một đoạn mã đã được biết trước tại phía thu sẽ

được thêm vào tại phía phát. Có rất nhiều dạng mã hóa , nhưng ở đây chúng ta chỉ

tập trung vào dạng mã khối không gian – thời gian (STBC). STBC có thể được sử

dụng một cách dễ dàng và được ứng dụng trong hệ thống Wimax.

Dạng đơn giản nhất của STBC là hệ thống bao gồm 2 anten phát và 1 anten

thu. Giả sử có 2 symbol được phát đi là s1 và s2 , mã Alamouti cũng được gửi kèm

đi theo 2 symbol theo thời gian[5]:



Antenna 1



2



s1



s2



 s2*



s1*



Time 0

1



Thay vì tăng trực tiếp tốc độ dữ liệu, mã hóa khơng gian – thời gian tận dụng

sự phân tập không gian của kênh truyền. Xét với kênh fading phẳng, h1 (t ) là đáp

ứng của kênh truyền từ anten 1 tới phía thu, h2 (t ) là đáp ứng của kênh truyền từ

anten 2 tới phía thu. Do kênh là cố định nên trong thời gian phát đi 2 symbol ta có:



h1 (t  0) = h1 (t  T ) = h1 . Tín hiệu thu được tại anten thu r(t)[5] :

r (0)  h1s1  h2 s2  n(0).

r (T )  h1s2*  h2 s1*  n(T ).



(1.20)



Trong đó : n(.) là nhiễu trắng Guassian . Tín hiệu ước lượng sau khi kết hợp phân

tập[5] :



y1  h1*r (0)  h2 r * (T ),

y2  h2*r (0)  h1r * (T ).



(1.21)



Thay (1.20) vào (1.21) ta được :

y1  h1* (h1s1  h2 s2  n(0))  h2 (h1*s2  h2*s1  n* (T )),

 ( h1  h2 ) s1  h1*n(0)  h2 n* (T ),

2



2



13



(1.22)



Và :



y2  ( h1  h2 )s2  h2*n(0)  h1n* (T ).

2



2



(1.23)



Tỷ lệ SNR được xác định theo công thức :



( h1  h2 ) 2  x

  2 2

2

h1   h2  2 2

2



2



2



h



( h  h )  x i 1

 1 22





2

2

2



2



i



2



(1.24)



x

2



Biểu thức (1.24) khá giống với biểu thức tính tỷ lệ SNR của MRC. Tuy nhiên

trong STBC công suất phát của mỗi anten giảm đi một nửa. Nguyên nhân là do mỗi

symbol được phát đi 2 lần nên tổng năng lượng để phát đi một symbol vẫn là  x

Như vậy với mã khối không gian–thời gian Alamouti, tốc độ dữ liệu không

bị suy giảm nhưng ta vẫn đạt được độ lợi phân tập tương đương với trường hợp 2

anten thu.

Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như

trên, sau đó sẽ được tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu).





Phân tập phát vòng đóng

Nếu hệ thống có một đường feedback, phía phát sẽ có được thơng tin về kênh



truyền.



h1

h2

Phía phát



Phía thu



hNt







Feedback , h1 , h2 ,.., hNt







Hình 1.9: Mơ hình phân tập phát vòng đóng



14



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×