Tải bản đầy đủ - 81 (trang)
1 Kỹ thuật phân tập

1 Kỹ thuật phân tập

Tải bản đầy đủ - 81trang

17



2.1.1 Các loại phân tập



Có nhiều cách để đạt được phân tập. Phân tập thời gian có thể thu được

qua mã hóa (Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính

của kênh truyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten

phát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn.

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể ứng dụng trong miền không gian,

sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian.





Phân tập không gian: Còn gọi là phân tập anten. Phân tập không



gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân

tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc dãy (array) được sắp xếp trong không

gian tại phía phát và/ hoặc phía thu. Các anten được phân chia ở những khoảng

cách đủ lớn sao cho các tín hiệu không tương quan với nhau. Yêu cầu về khoảng

cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần

số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu

không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín

hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian.

Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm

giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông

không dây tốc độ cao trong tương lai. Phân tập phân cực (Polarization diversity)

và phân tập góc (Angle diversity) là hai khía cạnh của phân tập không gian.

- Phân tập phân cực:

Tín hiệu có phân cực đứng và phân cực ngang được phát bởi các anten có

hai phân cực khác nhau và thu bởi các anten có phân cực khác nhau. Sự phân

cực khác nhau đảm bảo rằng hai tín không tương quan với nhau mà không phải

đặt 2 anten cách nhau quá xa. Khi yêu cầu về khoảng cách anten cho phân tập

anten không khả thi, phân tập phân cực được sử dụng. Cùng một anten có thể sử



18



dụng ở các chế độ phân cực khác nhau. Tuy nhiên, nó không thể có nhiều hơn 2

chế độ phân cực.

- Phân tập góc:

Thường được áp dụng khi truyền tín hiệu có tần số sóng mang lớn hơn

10GHz. Trong trường hợp này, tín hiệu phát bị tán xạ rất nhiều trong không gian,

tín hiệu thu được từ những hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau (không tương

quan). Vì thế, các anten có thể đặt ở những hướng khác nhau tại nơi thu để cung

cấp sự không tương quan của các tín hiệu phát.



Phân tập

Anten thu



Phân tập

Anten

phát



Phân tập

anten phát và

thu



Hình 2.1.1 Sự phân tập của anten

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà

người ta chia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát (hệ thống

MISO), phân tập anten thu (hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ

thống MIMO). Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để

nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín

hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm

giảm bớt fading đa đường. Trong phân tập anten phát, nhiều anten được sử dụng

tại nơi phát. Dữ liệu được xử lý tại nơi phát, kế đến dữ liệu được đưa dến các

anten phát.



19



Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, kết

hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiều

chiều (multi-dimensional diversity).





Phân tập tần số: Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần



số khác nhau để phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm

bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải

lớn hơn vài lần băng thông kết hợp để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác

nhau là không tương quan với nhau. Băng thông kết hợp khác nhau với điều kiện

môi trường lan truyền khác nhau. Trong truyền thông di động, các phiên bản của

tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần

số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như là trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng

mang và nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông kết hợp của

kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông kết hợp của kênh truyền lớn hơn

băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của ký tự thì trải phổ là

không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao

hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số.





Phân tập thời gian: Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã



hóa và xen kênh. Sau đây ta sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và

dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ (deep fade)

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau

qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương

quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian kết hợp của

kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading



1

c

. Mã điều khiển lỗi



f d v. f c



thường được sử dung trong hệ thống truyền thông số để cung cấp độ lợi mã

(coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di động, mã

kiểm soát lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong

trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa



20



trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát

được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập tại lối vào của

bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trễ việc giải mã, kỹ thuật

này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian kết hợp của

kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền fading chậm, nếu xen kênh quá nhiều thì

có thể dẫn đến trễ đáng kể.





Mã hoá không gian thời gian STBC



Khi số anten là cố định, độ phức tạp mã hóa của STTC (là số trạng thái

cuối ở bộ giải mã) tăng theo hàm mũ của mức phân tập và tốc độ truyền dẫn,

Alamouti đã tìm ra sơ đồ mã hóa khối không gian – thời gian cho truyền dẫn với

2 anten. Sơ đồ này sử dụng phát hiện maximum_likelihood (ML) dựa trên xử lý

tuyến tính ở bộ thu.

Cấu trúc đơn giản và xử lý tuyến tính của cấu trúc Alamouti đã được sử

dụng ở trong các chuẩn W_CDMA và CDMA_2000.

Hình 2.1.2 là sơ đồ cho STBC Alamouti ở dải cơ sở với 2 anten ở máy

phát.

Tín hiệu 2

Nguồn

thông tin



Mã hóa khối ST



Ánh xạ

chòm sao



• • •





• • •















































C C   C



1



2



 C 2



*

C1 



*



1



C 2



Tín hiệu 1



Hình 2.1.2: Phân tập máy phát sử dụng mã khối không gian_ thời gian



21



Quyết định mềm cho C1

H1



Quyết định ML

C1 • • • • • • •

••••







r1



Bộ kết hợp

tuyến tính



r1



*

* r 

r  H 1 H 2 r 1



• • • ••••

• • • ••••







C1







r2







2



Quyết định ML

C2 • • • • • • •

••••







r2



• • • ••••

• • • ••••



H2







C2



Quyết định mềm cho C1



Hình 2.1.3: Bộ nhận sử dụng mã khối không gian_thời gian

Các tín hiệu đầu vào được đưa đến bộ mã hóa không gian – thời gian để chia

thành 2 nhóm ký hiệu, trong thời khoảng 1 ký hiệu, 2 ký hiệu trong nhóm {C 1, C2}

được truyền đồng thời từ 2 anten. Tín hiệu được truyền từ anten 1 gọi là C 1 và tín

hiệu truyền từ anten 2 là C2. Trong chu kỳ tiếp theo tín hiệu - C2* được truyền từ

anten 1 và tín hiệu C1* được truyền từ anten 2. Gọi h1 và h2 là hệ số kênh truyền từ

anten phát 1 và 2 đến anten thu. Giả sử rằng h1 và h2 là vô hướng và không đổi

trong 2 chu kỳ ký hiệu liên tiếp.

hi (2nT)  hi ((2n+1)T), i = 1, 2

Giả sử rằng chỉ có một máy thu và tín hiệu nhận được ở 2 chu kỳ liên tiếp là:

r1 = h1c1 + h2c2 + n1



(2.1.1)



r2 = -h1c2* + h2c1* + n2



(2.1.2)



Trong đó n1 và n2 là những biến ngẫu nhiên Gauss phân phối đồng nhất, độc

lập với giá trị trung bình bằng 0 và mật độ phổ công suất là N 0/2.

Chúng ta gọi vectơ tín hiệu nhận được là r = [r1r2*]T, vectơ ký hiệu mã hóa là

c = [c1c2]T, vectơ nhiễu n = [n1n2*]T

Phương trình (2.1.1) và (2.1.2) được viết lại dưới dạng ma trận là:

r = H.C + n



(2.1.3)



22



Trong đó ma trận kênh H được định nghĩa là:

 h1

H  *

h2





h2

*

h1 





(2.1.4)



H là ma trận kênh MIMO ảo với chiều không gian (tương ứng với cột) và

chiều thời gian (tương ứng với hàng). Vectơ n là vectơ ngẫu nhiên phức Gauss có

giá trị trung bình bằng 0 và hiệp phương sai là N0.I2.

Gọi l là một tập tất cả những khả năng của cặp C = {C 1, C2}. Giả sử rằng các

khả năng xảy ra như nhau và nhiễu n là Gauss trắng, ta có thể thấy bộ giải mã ML

tối ưu cho kết quả là:









C  arg min





r  H .C



2



(2.1.5)



cC



Quy tắc giải mã ML đơn giản hơn nếu ma trận kênh H trực giao, H*.H =α .I2

trong đó α = |h1|2 + |h2|2.





Gọi r là:









r  H .r   .C  n

*



(2.1.6)







Trong đó n = Hk.n từ đó (2.1.5) trở thành:

2







ˆ

c  arg min



ˆ

r  .c



(2.1.7)



ˆ

cC







Do H trực giao, ta dễ dàng nhận thấy n cũng có trung bình bằng 0 và hiệp

phương sai = 2N0.I2. Công thức (2.1.7) đã làm việc giải mã C1 và C2 trở nên đơn

giản. Ví dụ trong sơ đồ STBC 2x1 chỉ cần 2 phép nhân phức và 1 phép cộng phức

để giải mã đối với mỗi ký hiệu. Tương tự như vậy, giả sử rằng chúng ta dùng chòm



23

b



sao với 2 điểm, cách kết hợp tuyến tính nêu trên sẽ giảm số ma trận giải mã phải

tính toán từ 22b xuống 2x2b, từ đó SNR cho C1 và C2 được tính là:

SNR 



 Es



N0



(2.1.8)



2.1.2 Các phƣơng pháp kết hợp phân tập phía thu:

Đặc điểm then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất để tất cả

các phiên bản của tín hiệu bị nhiều fading (deep fading) là rất thấp. Tổng quát,

BER của hệ thống dùng kỹ thuật phân tập phụ thuộc vào cách mà các phiên bản

của tín hiệu kết hợp lại tại nơi thu để làm tăng SNR. Vì thế, các dạng phân tập có

thể phân loại theo phương pháp kết hợp được sử dụng tại nơi thu. Tùy thuộc vào

độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh truyền CSI yêu cầu bởi phương

pháp kết hợp tại nơi thu, có 4 loại chính như sau: tổ hợp lựa chọn (Selection

combining), tổ hợp chuyển nhánh SC (Switching combining), tổ hợp theo cùng

độ lợi EGC (Equal Gain Combining) và tổ hợp theo tỷ lệ lớn nhất MRC

(Maximum Ratio Combining)





Tổ hợp lựa chọn: là phương pháp tổ hợp phân tập đơn giản. Xét một



hệ thống phân tập anten thu với nR anten. Trong hệ thống này, tín hiệu tức thời

có SNR lớn nhất trong mỗi chu kỳ của ký tự được chọn là lối ra sao cho SNR ở

lối ra bằng với tín hiệu đến tốt nhất. Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất

của tín hiệu và công suất nhiễu (S+N) lớn nhất sẽ được chọn, vì rất khó để xác

định SNR



24

Rx

Rx 1 1



Rx 2



Rx

nR



r1



r2



rnR



RF

Front End



RF

Front End



RF

Front End







Bộ lựa chọn logic



Đầu ra



Hình 2.1.4: Phương pháp tổ hợp lựa chọn





Kết hợp chuyển nhánh theo ngƣỡng:



Bộ thu sẽ quét tất cả các nhánh và chọn một nhánh cụ thể có SNR lớn hơn

mức ngưỡng xác định trước. Tín hiệu được chọn xem như là lối ra cho đến khi

SNR của nó giảm xuống dưới mức ngưỡng. Khi điều này xảy ra, bộ thu bắt đầu

quét lại và chuyển sang chọn nhánh khác thỏa mãn yêu cầu. Phương pháp này còn

được gọi là sự phân tập quét (scanning diversity).

Rx

Rx 1 1



Rx

nR



Rx 2



r1



r2



rnR



RF

Front End



RF

Front End



RF

Front End







Bộ quét và chuyển mạch



Đầu ra



Hình 2.1.5: Phương pháp tổ hợp chuyển nhánh



25



So với phương pháp phân tập lựa chọn thì phân tập chuyển mạch kém hơn

vì nó không nhận tín hiệu tốt nhất một cách tức thời. Tuy nhiên, nó đơn giản hơn

trong thực hiện vì nó không yêu cầu giám sát đồng thời và liên tục trên tất cả các

nhánh.

Trong cả hai phương pháp trên, tín hiệu lối ra bằng với một trong tất cả

các nhánh. Hơn nữa, chúng không yêu cầu bất kỳ thông tin kênh truyền nào

(CSI). Vì thế, hai sơ đồ này có thể sử dụng cả với bộ điều chế kết hợp và không

kết hợp.





Tổ hợp theo tỷ lệ lớn nhất:



Là phương pháp tổ hợp tuyến tính. Các tín hiệu lối vào khác nhau được

đặt các trọng số riêng và cộng với nhau để được tín hiệu lối ra. Lối ra của bộ tổ

hợp tuyến tính có trọng số của các tín hiệu nhận được:

nR



r    i .ri



(2.1.9)



i 1



Với ri là tín hiệu nhận được tại anten thứ i và i là trọng số cho anten thứ i.

Trong phương pháp MRC, các trọng số trên mỗi anten thu được chọn tỷ lệ với tỷ

số điện áp tín hiệu và công suất nhiễu của nó. Đặt Ai và  i là biên độ và pha của

tín hiệu nhận được ri. Giả sử rằng mỗi anten thu có cùng mức công suất nhiễu,

trọng số I được biểu diễn như sau:

i = Ai e



i



(2.1.10)



Phương pháp này gọi là tổ hợp tối ưu vì nó có thể làm tối đa SNR lối ra.

Người ta chứng minh rằng SNR lối ra cực đại bằng tổng tức thời SNR của từng

tín hiệu.



26

Rx 1 1

Rx



Rx 2



Rx

nR



r1



r2



r3



RF

From End



RF

From End



RF

From End



1



x



2





3



x



x



+

Detector

Đầu ra



Hình 2.1.6 : Phương pháp theo tỷ lệ lớn nhất MRC

Trong sơ đồ này, mỗi tín hiệu riêng phải đồng pha, trong số hóa biên độ của

nó và cộng lại với nhau. Sơ đồ này yêu cầu biết được biên độ của thông số kênh

truyền và pha của tín hiệu. Vì thế, nó có thể được sử dụng cùng với tách sóng kết

hợp nhưng không kết hợp được với tách sóng không kết hợp.





Kết hợp theo cùng độ lợi:



Là phương pháp kết hợp tuyến tính đơn giản nhưng chưa tối ưu. Nó không

yêu cầu ước lượng biên độ fading trên mỗi nhánh. Thay vì bộ thu sẽ cho biên độ

của trọng số là 1.

i = e



i



(2.1.11)



Bằng cách này, tất cả tín hiệu nhận được phải đồng pha và cộng lại với

nhau với độ lợi bằng nhau. BER của hệ thống EGC chỉ đạt giới hạn dưới của

MRC. Độ phức tạp của EGC thì giảm đáng kể so với MRC.



27



2.2 Hệ thống MIMO



Hệ thống MIMO sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền: nhiều

anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát. Các hệ thống MIMO cho phép

đồng thời khả năng điều khiển trực tiếp tín hiệu phát hoặc thu trên một dãy bộ

chuyển đổi tạo chùm tia và truyền cùng lúc nhiều tín hiệu, cũng như khả năng

triệt nhiễu.



TX



0

0

0



H



0

0

0



RX



Hình 2.2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO

Như ta thấy dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến được tăng lên

đáng kể khi sử dụng nhiều anten thu và phát. Với một hệ thống gồm nhiều dãy

anten thu-phát và bên thu biết được đặc tính của kênh truyền là fading phẳng độc

lập thì dung lượng hệ thống sẽ tăng tỷ lệ với số anten, ta sẽ xét chi tiết:



2.2.1 Truyền thông qua kênh truyền MIMO.



Truyền dữ liệu và tách sóng qua kênh truyền MIMO được mô tả như sau:



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

1 Kỹ thuật phân tập

Tải bản đầy đủ ngay(81 tr)

×