Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu các thuật toán xử lý không gian thời gian cho các hệ thống

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này đƣợc hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các
nguồn tài liệu đã học, sách báo chuyên nghành cũng nhƣ các thông tin trên Internet
mà theo tôi là hoàn toàn tin cậy. Tôi xin cam đoan luận văn này không giống với bất
kỳ công trình nghiên cứu hay luận văn nào trƣớc đây mà tôi biết.
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2013
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Lê Minh

HVTH: Nguyễn Lê Minh

1

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các nghành công nghệ nhƣ điện tử, tin học, công
nghê viễn thông trong những năm qua đã và đang phát triển rất mạnh mẽ, cung cấp
ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lƣợng cao đáp ứng
ngày càng tốt hơn các yêu cầu của ngƣời sử dụng.
Chúng ta đang sống ở những thập kỷ đầu tiên của thế kỳ 21 - thế kỷ đƣợc dự
báo sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động
đóng vai trò rất quan trọng. Công nghệ 3G mới đƣợc các nhà mạng Việt Nam áp
dụng trong mấy năm gần đây song đã có những bƣớc phát triển nhanh chóng. Việt
Nam đƣợc các chuyên gia viễn thông trên thế giới đánh giá là một trong những
nƣớc có bƣớc phát triển mạng viễn thông nhanh nhất thế giới. Việc có nhiều nhà
mạng cùng đƣợc cấp giấy phép 3G đã tạo một môi trƣờng cạnh tranh khốc liệt, dẫn
đến tốc độ phủ sóng 3G nhanh chóng và giá thành dịch vụ ngày càng rẻ hơn. Tuy
nhiên, Việt Nam vẫn chƣa tận dụng đƣợc hết các khả năng của hệ thống 3G mang
lại do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan nhƣ dịch vụ cung cấp chƣa đa
dạng, chƣa tận dụng đƣợc hết các khả năng của các thiết bị viễn thông, hay xảy ra
hiện tƣợng mất sóng, nghẽn mạng. Hiện tại, công nghệ 4G với tốc độ cao hơn đã
đƣợc áp dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới. Ở Việt Nam, theo đúng lộ trình mà Bộ
Thông tin - Truyền thông đƣa ra thì bắt đầu từ năm 2014 sẽ bắt đầu đấu thầu cung
cấp dịch vụ 4G. Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ 3G sang 4G sẽ mất một khoảng thời
gian dài do nguyên nhân là thiết bị hỗ trợ 4G hiện nay giá thành vẫn còn cao và có
số lƣợng rất ít. Do đó, việc nghiên cứu các phƣơng pháp nhằm nâng cao chất lƣợng
mạng 3G hiện tại, tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng hiện có vẫn hết sức cần thiết.
Từ những nguyên nhân trên, em đã lựa chọn đề tài luận văn: "Nghiên cứu
các thuật toán xử lý không gian thời gian cho các hệ thống WCDMA" để thực
hiện việc nghiên cứu. Luận văn sẽ thực hiện việc nghiên cứu các thuật toán xử lý
không gian thời gian, trong đó đi sâu vào nghiên cứu các thuật toán tạo búp sóng
đƣợc áp dụng cho hệ thống dàn anten nhằm hƣớng búp sóng bám theo nguồn tín
hiệu, kết hợp với máy thu phân tập thời gian Rake tạo thành một hệ thống xử lý
không gian - thời gian hoàn chỉnh nhằm tách tín hiệu từ nhiều ngƣời sử dụng và
nâng cao chất lƣợng của từng nguồn tín hiệu thu đƣợc.

HVTH: Nguyễn Lê Minh

2

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học


Luận văn gồm có chƣơng:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WCDMA
Giới thiệu tổng quan về các đặc điểm của hệ thống WCDMA và môi trƣờng
truyền dẫn giữa bên phát và bên thu.
Chƣơng 2: XỬ LÝ TÍN HIỆU KHÔNG GIAN THỜI GIAN
Giới thiệu về lý thuyết các tín hiệu không gian thời gian, phƣơng pháp xử lý
không gian thời gian và ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp.
Chƣơng 3: CÁC THUẬT TOÁN TẠO BÚP SÓNG
Tìm hiểu về các thuật toán tạo búp sóng cố định: MSIR, MMSE, ML, MV;
các thuật toán tạo búp sóng thích nghi: LMS, SMI, RLS, giải thuật mù CM. Nghiên
cứu kết hợp thuật toán CCM và RLS.
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG
Tiến hành mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab để kiểm tra các kết quả của các
thuật toán đã nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em
mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, các bạn để
luận văn hoàn thiện hơn và có ý nghĩa thực tế.
Qua đây, em cũng xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô trong Viện Điện tử Viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức
cơ bản, bạn bè và gia đình luôn động viên, hỗ trợ. Đặc biệt, em xin chân thành cám
ơn PGS.TS Nguyễn Thúy Anh đã quan tâm, giúp đỡ em hoàn thành công trình này.
Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2013
Học viên

Nguyễn Lê Minh

HVTH: Nguyễn Lê Minh

3

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................8
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG WCDMA..........................10
1.1. Giới thiệu các hệ thống thông tin di động ......................................................10
1.1.1. Mạng thông tin di động 1G ....................................................................10
1.1.2. Mạng thông tin di động 2G .....................................................................10
1.1.3. Mạng thông tin di động 2,5G ..................................................................12
1.1.4. Mạng thông tin di động 3G .....................................................................13
1.2. Tổng quan về mạng WCDMA .......................................................................15
1.2.1. Nguyên lý CDMA ...................................................................................15
1.2.2. Một số đặc trƣng của lớp vật lý trong hệ thống WCDMA .....................19
1.2.3. Phân tập đa đƣờng - Bộ thu Rake ...........................................................21
1.3. Kênh truyền ....................................................................................................22
1.3.1. Suy hao đƣờng truyền .............................................................................22
1.3.2. Hiệu ứng đa đƣờng - Hiện tƣợng Fading ................................................23
1.3.3. Hiệu ứng Doppler ....................................................................................24
1.3.4. Nhiễu AWGN..........................................................................................26
1.3.4. Các mô hình kênh cơ bản ........................................................................26
1.4. Kết luận chƣơng .............................................................................................29

HVTH: Nguyễn Lê Minh

4

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

CHƢƠNG 2 - XỬ LÝ KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN DI
ĐỘNG .......................................................................................................................30
2.1. Tín hiệu trong miền không gian thời gian......................................................30
2.1.1. Biểu diễn tín hiệu theo thời gian .............................................................30
2.1.2. Biểu diễn tín hiệu theo không gian - thời gian ........................................30
2.1.3. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu ......................................................................31
2.2. Xử lý không gian thời gian trong thông tin di động ......................................32
2.2.1. Mô hình hệ thống không gian thời gian ..................................................32
2.3. Mô hình và đánh giá kênh không gian thời gian............................................35
2.2.1. Mô hình kênh cơ bản...............................................................................36
2.2.2. Đánh giá đặc tính kênh không gian .........................................................37
2.2.3. Ƣu nhƣợc điểm của các kỹ thuật xử lý không gian thời gian .................38
CHƢƠNG 3 - CÁC THUẬT TOÁN TẠO BÚP SÓNG ..........................................40
3.1. Giới thiệu........................................................................................................40
3.2. Mảng anten dãy ..............................................................................................40
3.2. Thuật toán tạo búp sóng cố định ....................................................................44
3.2.1. Cực đại tỉ số tín hiệu trên nhiễu (Maximum Signal to Interference Ratio MSIR) ................................................................................................................44
3.2.2. Bình phƣơng sai số trung bình tối thiểu (Minimum Mean Square Error MMSE):.............................................................................................................46
3.2.3. Ƣớc lƣợng khả năng cực đại (Maximum Likelihood - ML): ..................49
3.2.4. Minimum Variance (Minimum Variance Distortionless Response MVDR) Cực tiểu hóa đáp ứng phƣơng sai không méo ....................................50
3.3. Các thuật toán tạo búp sóng thích nghi ..........................................................52
3.3.1. Trung bình bình phƣơng tối thiểu (Least Mean Square - LMS): ............52
3.3.2. Nghịch đảo ma trận mẫu (Sample Matrix Inversion - SMI) ...................54
3.3.3. Bình phƣơng tối thiểu đệ quy (Recursive Least Squares - RLS) ............56

HVTH: Nguyễn Lê Minh

5

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

3.3.4. Giải thuật hằng số theo khối (Constant Modulus - CM) .........................57
3.3.5. So sánh các phƣơng pháp tạo búp sóng thích ứng ..................................59
3.3.6. Thuật toán kết hợp giữa thuật toán hằng số theo khối có điều kiện ràng
buộc và bình phƣơng tối thiểu đệ quy (constrained constant modulus recursive least square CCM-RLS) ....................................................................60
CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG ......................................................................................63
4.1. Giới thiệu chƣơng trình ..................................................................................63
4.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng ..............................................................................63
4.2.1. Hệ thống DS-CDMA ..............................................................................63
4.2.2. Bộ tƣơng quan đơn giản ..........................................................................64
4.2.3. Máy thu 1D-RAKE .................................................................................64
4.2.4. Kết hợp tạo búp sóng của anten dãy với máy thu RAKE .......................65
4.3. Các thuật toán tạo búp sóng ...........................................................................66
4.3.1. Thuật toán MSIR .....................................................................................66
4.3.2. Thuật toán MMSE ...................................................................................67
4.3.3. Thuật toán ML.........................................................................................68
4.3.4. Thuật toán MV ........................................................................................68
4.3.5. Thuật toán LMS ......................................................................................69
4.3.6. Thuật toán SMI .......................................................................................69
4.3.7. Thuật toán RLS .......................................................................................70
4.3.8. Thuật toán CM ........................................................................................70
4.2. Xử lý không gian thời gian trong hệ thống WCDMA ...................................71
KẾT LUẬN ...............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................75

HVTH: Nguyễn Lê Minh

6

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Quá trình trải phổ và giải trải phổ ...........................................................17
Hình 1. 2 Các công nghệ đa truy nhập .....................................................................17
Hình 1. 3 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ.........................................................18
Hình 1. 4 Quá trình trải phổ và trộn .........................................................................19
Hình 1. 5 Hiệu ứng đa đường. ..................................................................................21
Hình 1. 6 Hàm truyền đạt của kênh ..........................................................................25
Hình 1. 7 Mật độ phổ của tín hiệu thu ......................................................................25
Hình 1. 8 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh.............................................27
Hình 1. 9 Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k   dB (Rayleigh) và
k  6 dB . Với k 1 , giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố
Gaussian ....................................................................................................................29

Hình 2. 1 Tín hiệu trong không gian .........................................................................31
Hình 2. 2 Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử thu trong
môi trường tán xạ. .....................................................................................................33

Hình 3. 1 Mảng anten ULA .......................................................................................42
Hình 3. 2 Mô hình mảng anten dãy ...........................................................................44
Hình 3. 3 Hệ thống MSE thích ứng ...........................................................................47
Hình 3. 4 Bề mặt toàn phương của MSE ..................................................................48
Hình 3. 5 Mảng anten................................................................................................49

Hình 4. 1 Máy thu 1D-RAKE ....................................................................................65
Hình 4. 2 Hệ thống WCDMA sử dụng cách kết hợp máy thu 2D-RAKE và thuật toán
tạo búp sóng CCM-RLS ............................................................................................66
Hình 4. 3 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán MSIR...................................67

HVTH: Nguyễn Lê Minh

7

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hình 4. 4 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán MMSE .................................67
Hình 4. 5 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán ML. .....................................68
Hình 4. 6 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán MV. .....................................68
Hình 4. 7 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán LMS ....................................69
Hình 4. 8 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán SMI. ....................................69
Hình 4. 9 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán RLS .....................................70
Hình 4. 10 Đồ thị bức xạ anten dãy áp dụng thuật toán CM. ...................................70
Hình 4. 11 So sánh hiệu suất của các máy thu sử dụng dãy anten 4 phần tử trong
kênh AWGN cho 2 người dùng. .................................................................................71
Hình 4. 12 So sánh hiệu suất của các máy thu sử dụng dãy anten 4 phần tử trong
kênh AWGN cho 3 người dùng. .................................................................................72
Hình 4. 13 So sánh hiệu suất các máy thu sử dụng dàn anten 4 phần tử trong kênh
AWGN 2 đường cho 2 người dùng. ...........................................................................73
Hình 4. 14 So sánh hiệu suất các máy thu sử dụng dàn anten 4 phần tử trong kênh
AWGN 2 đường cho 3 người dùng. ...........................................................................73

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Quan hệ giữa S/N và số chip cắt bớt ........................................................20

Bảng 3. 1 So sánh các thuật toán tạo búp sóng ........................................................59

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOA
AWGN

Angle of Arrival
Additive White Gaussian Noise

Góc đến tín hiệu
Cộng nhiễu trắng

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

HVTH: Nguyễn Lê Minh

8

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

BPSK
CDMA
CMA
CCM
dB
DMI
DPCCH
DPDCH
EGC
ISI
GE
LMS
ML
MLSE
MMSE
MRC
MVDR
PAM
PSK
QAM
QPSK

Điều chế pha PSK 2 mức
Đa truy cập phân chia theo mã
Giải thuật hằng số theo khối
Hằng số theo khối có ràng buộc

Binary Phase Shift Keying
Code Division Multiplex Access
Constant Modulus Algorithm
Constrained Constant Modulus
Decibel
Diercted Matric Invesion
Dedicated Physical Control Channel
Dedicated Physical Data Channel
Equal Gain Combine
Inter Symbol Interfere
Generalized Eigenvalue
Least Mean Square

Ma trận đảo trực tiếp
Kênh điều khiển vật lý
Kênh điều khiển dữ liệu
Tổ hợp cùng độ lợi
Nhiễu xuyên ký tự
Nhóm các giá trị riêng
Trung bình bình phƣơng tối
thiểu
Cực đại tối ƣu
Sequence Đánh giá chuổi cực đại tối ƣu

Maximum Likelihood
Maximum
Likelihood
Estimation
Minimum Mean Square Error
Maximum Ratio Combine
Minimum Variance Dirtortionless
Response
Pulse Amplitude Modulation
Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation

RF
RLS
SC
SE
SER
SINR

Quadrature Phase Shift Keying
Radio Frequence
Recursive Least Squares
Selected Combine
Simple Eigen
Symbol Error Rate
Signal to Interference plus-Noise Ratio

SISO
SNR
TCM
TDMA

Single Input Single Output
Signal to Noise Ratio
Trellis Code Modulation
Time Division Multiple Access

WLAN

Wireless Local Area Network

WCDMA Wideband
Access

HVTH: Nguyễn Lê Minh

Code

Division

9

Tối thiểu bình phƣơng sai lệnh
Bộ tổ hợp tỷ số tối đa
Cực tiểu đáp ứng phƣơng sai
không méo
Điều chế biên độ xung
Điều chế pha
Điều chế QAM
Điều chế
Sóng radio
Bình phƣơng tối thiểu đệ quy
Bộ tổ hợp chọn lọc
Giá trị riêng đơn giản
Tỷ lệ lỗi ký tự
Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao thoa
và nhiễu nhiệt
Vào đơn ra đơn
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Mã hoá lƣới TCM
Đa truy cập phân chia theo thời
gian
Mạng không dây

Multiplex Đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
MẠNG WCDMA
1.1. Giới thiệu các hệ thống thông tin di động
1.1.1. Mạng thông tin di động 1G
Hệ thống thông tin di động 1G hay còn gọi là sự khởi đầu giản đơn. 1G là
chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (1st Generation). Nó
là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog đƣợc giới thiệu lần đầu
tiên vào những năm đầu thập niên 80. Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn
ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý
thoại thông qua các module gắn trong máy di động.
Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhƣng
mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế
giới. Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone)
đƣợc sử dụng ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác
nhƣ AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến)
đƣợc sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống
giao tiếp truy cập tổng hợp) đƣợc sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và
Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia.

1.1.2. Mạng thông tin di động 2G
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng nhƣ khác hoàn
toàn so với thế hệ đầu tiên. Với công nghệ GSM , nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật
số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G và đƣợc áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan
bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm
1991. Mạng 2G mang tới cho ngƣời sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một
thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và
đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin
hiệu thoại khi đƣợc thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dƣới nhiều
dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại đƣợc lƣu chuyển trên cùng một

HVTH: Nguyễn Lê Minh

10

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền
nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lƣợng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip
thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn.
Những công nghệ 2G đƣợc chia làm hai dòng chuẩn : TDMA (Time –
Divison Mutiple Access : Đa truy cập phân chia theo thời gian), và CDMA ( Code
Divison Multple Access : Đa truy cập phân chia theo mã), tùy thuộc vào hình thức
ghép kênh đƣợc sử dụng
Các chuẩn công nghệ chủ yếu của 2G bao gồm:
- GSM (thuộc TDMA) có nguồn gốc từ châu Âu, nhƣng đã đƣợc sử dụng
trên tất cả các quốc gia ở 6 lục địa. Ngày nay, công nghệ GSM vẫn còn đƣợc sử
dụng với 80% điện thoại di động trên thế giới.
- IS-95 còn đƣợc gọi là aka cdmaOne (thuộc CDMA, thƣờng đƣợc gọi ngắn
gọn là CDMA tại Mỹ) đƣợc sử dụng chủ yếu là 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 nƣớc Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc có rất nhiều nhà cung cấp
mạng CDMA chuyển sang cung cấp mạng GSM.
- PDC (thuộc TDMA) là mạng tƣ nhân, tại Japan.
- IS-136 aka D-AMPS (thuộc TDMA thƣờng đƣợc gọi tắt là TDMA tại Mỹ)
đã từng là mạng lớn nhất trên thị trƣờng Mỹ nay đã chuyển sang GSM.
- iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus Mobility
tại Canada.
Đặc tính của mạng
Ở công nghệ 2G tín hiệu kĩ thuật số đƣợc sử dụng để trao đổi giữa điện thoại
và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phƣơng diện chính :
- Thứ nhất, dữ liệu số của giọng nói có thể đƣợc nén và ghép kênh hiệu quả
hơn so với mã hóa Analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều
cuộc gọi cùng đƣợc mã hóa trên một dải băng tần.
- Thứ hai, hệ thống kĩ thuật số đƣợc thiết kế giảm bớt năng lƣợng sóng radio
phát từ điện thoại. Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn; đồng thời
giảm chi phí đầu tƣ những tháp phát sóng.

HVTH: Nguyễn Lê Minh

11

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hơn nữa, mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai
một số dịch vụ dữ liệu nhƣ Email và SMS. Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân
cũng cao hơn so với 1G.
Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhƣợc điểm, ví dụ, ở những
nơi dân cƣ thƣa thớt, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới đƣợc các tháp phát sóng.
Tại những địa điểm nhƣ vậy, chất lƣợng truyền sóng cũng nhƣ chất lƣợng cuộc gọi
sẽ bị giảm đáng kể.

1.1.3. Mạng thông tin di động 2,5G
Công nghệ sử dụng
2,5G chính là bƣớc đệm giữa 2G với 3G trong công nghệ điện thoại không
dây. Chữ số 2.5G chính là biểu tƣợng cho việc mạng 2G đƣợc trang bị hệ thống
chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống. Nó
không đƣợc định nghĩa chính thức bởi bất kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ
mang mục đích duy nhất là tiếp thị công nghệ mới theo mạng 2G.
Đặc tính của mạng
Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tƣơng tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở
hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA. Và tiến bộ
duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lƣu chuyển dữ liệu đƣợc
dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM. Bên cạnh đó, một vài giao
thức, chẳng hạn nhƣ EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể
đạt đƣợc chất lƣợng gần nhƣ các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ
truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhƣng vẫn đƣợc xem nhƣ là dịch vụ 2.5G (hoặc
là nghe có vẻ phức tạp hơn là 2.75G) bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G
thực sự.
* EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), hay còn gọi là EGPRS,
là một công nghệ di động đƣợc nâng cấp từ GPRS - cho phép truyền dự liệu với tốc
độ có thể lên đến 384 kbit/s dành cho ngƣời dùng cố định hoặc di chuyển chậm,
144kbit/s cho ngƣời dùng di chuyển với tốc độ cao. Trên đƣờng tiến đến 3G, EDGE
đƣợc biết đến nhƣ là công nghệ 2.75G. Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE
dùng phƣơng thức điều chế 8-PSK để tăng tốc độ dữ liệu truyền. Chính vì thế, để

HVTH: Nguyễn Lê Minh

12

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

triển khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng
nhƣ là thiết bị di động so với mạng GPRS.

1.1.4. Mạng thông tin di động 3G
Công nghệ sử dụng
Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trƣớc đó.
Nó cho phép ngƣời dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại
(tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips...). ,…). Hệ
thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện
nay. Trong các dịch vụ của 3G, cuộc gọi video thƣờng đƣợc mô tả nhƣ một dịch vụ
trọng tâm của sự phát triển.
Công nghệ 3G cũng đƣợc nhắc đến nhƣ là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức
Viễn thông Thế giới (ITU). Ban đầu 3G đƣợc dự kiến là một chuẩn thống nhất trên
thế giới, nhƣng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt:
- UMTS (W-CDMA)
* UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công
nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà
khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dụng GSM, tập trung chủ
yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam). UMTS đƣợc tiêu chuẩn
hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho
GSM, GPRS và EDGE.
* FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm
2001, đƣợc coi nhƣ là một dịch vụ thƣơng mại 3G đầu tiên. Tuy là dựa trên công
nghệ W-CDMA, nhƣng công nghệ này vẫn không tƣơng thích với UMTS (mặc dù
có các bƣớc tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này).
- CDMA 2000
* Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất của
CDMA2000 đƣợc đƣa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ,
Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 đƣợc quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc
lập với 3GPP. Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau đƣợc sử dụng
trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV.

HVTH: Nguyễn Lê Minh

13

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

* CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s. Chuẩn
này đã đƣợc chấp nhận bởi ITU.
* Ngƣời ta cho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 là tại
KDDI của Nhận Bản, dƣới thƣơng hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G. Kể từ
năm 2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA20001xEV-DO với tốc độ dữ liệu tới 2.4 Mbit/s. Năm 2006, AU nâng cấp mạng lên tốc
độ 3.6 Mbit/s. SK Telecom của Hàn Quốc đã đƣa ra dịch vụ CDMA2000-1x đầu
tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm 2002.
- TD-SCDMA
Chuẩn đƣợc ít đƣợc biết đến hơn là TD-SCDMA, đƣợc phát triển riêng tại
Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens.
- Wideband CDMA
Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s. Giao thức này đƣợc dùng trong một mạng
diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s. Khi nó dùng trong một mạng cục bộ
LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s. Chuẩn này cũng đƣợc công nhận bởi ITU.
Đặc tính của mạng
Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video thƣờng đƣợc miêu tả nhƣ là lá
cờ đầu. Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nƣớc, nơi mà các cuộc bán
đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản
quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trƣớc khi các thu nhập từ mạng
3G đem lại, nên một khối lƣợng vốn đầu tƣ khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng
3G. Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều
này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nƣớc ngoại trừ Nhật Bản và
Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số đƣợc bỏ qua do phát triển hạ tâng cơ sở
IT quốc gia đƣợc đặt lên làm vấn đề ƣu tiên nhất. Và cũng chính Nhật Bản là nƣớc
đầu tiên đƣa 3G vào khai thác thƣơng mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà
mạng NTT DoCoMo. Tính đến năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là
thuê bao 3G, và mạng 2G đang dần dần đi vào lãng quên trong tiềm thức công nghệ
tại Nhật Bản.

HVTH: Nguyễn Lê Minh

14

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

1.2. Tổng quan về mạng WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công nghệ truy
nhập vô tuyến đƣợc phát triển mạnh ở Châu Âu. Hệ thống này hoạt động ở chế độ
FDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct Sequence
Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz. Băng tần rộng
hơn và tốc độ trải phổ cao làm tăng độ lợi xử lý và một giải pháp thu đa đƣờng tốt
hơn, đó là đặc điểm quyết định để chuẩn bị cho IMT-2000.
WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói
tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói
hoạt động ở mức hiệu quả cao nhất. Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số
liệu khác nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ.
WCDMA là công nghệ truyền dẫn vô tuyến mới với mạng truy nhập vô
tuyến mới, đƣợc gọi là UTRAN, bao gồm các phần tử mạng mới nhƣ RNC (Radio
Network Controller) và NodeB (tên gọi trạm gốc mới trong UMTS).
Tuy nhiên mạng lõi GPRS/EDGE có thể đƣợc sử dụng lại và các thiết bị đầu
cuối hoạt động ở nhiều chế độ có khả năng hỗ trợ GSM/GPRS/EDGE và cả
WCDMA.

1.2.1. Nguyên lý CDMA
Nguyên lý trải phổ CDMA
Các hệ thống số đƣợc thiết kế để tận dụng dung lƣợng một cách tối đa. Theo
nguyên lý dung lƣợng kênh truyền của Shannon đƣợc mô tả trong (1.1), rõ ràng
dung lƣợng kênh truyền có thể đƣợc tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền.
C = B. log2(1+S/N)

(1.1)

Trong đó B là băng thông (Hz), C là dung lƣợng kênh (bit/s), S là công suất
tín hiệu và N là công suất tạp âm.
Vì vậy, Đối với một tỉ số S/N cụ thể (SNR), dung lƣợng tăng lên nếu băng
thông sử dụng để truyền tăng. CDMA là công nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành
tín hiệu băng rộng trƣớc khi truyền đi. CDMA thƣờng đƣợc gọi là Kỹ thuật đa truy

HVTH: Nguyễn Lê Minh

15

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

nhập trải phổ (SSMA).Tỷ số độ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của
thông tin cần truyền đƣợc gọi là độ lợi xử lý (GP ) hoặc là hệ số trải phổ.
GP = Bt / Bi hoặc GP = B/R

(1.2)

Trong đó Bt :là độ rộng băng tần truyền thực tế
Bi : độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin
B : là độ rộng băng tần RF
R : là tốc độ thông tin
Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số Eb/I0, trong đó Eb là năng lƣợng trên một
bit, và I0 là mật độ phổ năng lƣợng tạp âm, thể hiện trong công thức sau :

S Eb  R Eb 1



N I0  B
I0 Gp

(1.3)

Vì thế, với một yêu cầu Eb/I0 xác định, độ lợi xử lý càng cao, thì tỷ số S/N
yêu cầu càng thấp. Trong hệ thống CDMA đầu tiên, IS-95, băng thông truyền dẫn
là 1.25MHz. Trong hệ thống WCDMA, băng thông truyền khoảng 5MHz.
Trong CDMA, mỗi ngƣời sử dụng đƣợc gán một chuỗi mã duy nhất (mã trải
phổ) để trải tín hiệu thông tin thành một tín hiệu băng rộng trƣớc khi truyền đi. Bên
thu biết đƣợc chuỗi mã của ngƣời sử dụng đó và giải mã để khôi phục tín hiệu gốc.
Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ
Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống DSCDMA. Dữ liệu ngƣời sử dụng ngụ ý là chuỗi bit đƣợc điều chế BPSK có tốc độ là
R. Hoạt động trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu ngƣời sử dụng với một chuỗi n
bit mã, đƣợc gọi là các chip. Ở đây, ta lấy n=8 thì hệ số trải phổ là 8, nghĩa là thực
hiện điều chế trải phổ BPSK. Kết quả tốc độ dữ liệu là 8xR và có dạng xuất hiện
ngẫu nhiên (giả nhiễu) nhƣ là mã trải phổ. Việc tăng tốc độ dữ liệu lên 8 lần đáp
ứng việc mở rộng (với hệ số là 8) phổ của tín hiệu dữ liệu ngƣời sử dụng đƣợc trải
ra. Tín hiệu băng rộng này sẽ đƣợc truyền qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu.

HVTH: Nguyễn Lê Minh

16

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hình 1. 1 Quá trình trải phổ và giải trải phổ

Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip/dữ liệu ngƣời sử dụng trải phổ
đƣợc nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã đƣợc sử dụng trong quá trình trải phổ.
Nhƣ trên hình vẽ tín hiệu ngƣời sử dụng ban đầu đƣợc khôi phục hoàn toàn.
Kỹ thuật đa truy nhập CDMA
Một mạng thông tin di động là một hệ thống nhiều ngƣời sử dụng, trong đó
một số lƣợng lớn ngƣời sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung để truyền và
nhận thông tin. Dung lƣợng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của hệ
thống. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu cần truyền đem lại khả năng thực hiện đa truy nhập
cho các hệ thống CDMA. Trong lịch sử thông tin di động đã tồn tại các công nghệ
đa truy nhập khác nhau : TDMA, FDMA và CDMA. Sự khác nhau giữa chúng đƣợc
chỉ ra trong Hình 1.2.

Hình 1. 2 Các công nghệ đa truy nhập

HVTH: Nguyễn Lê Minh

17

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Trong hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu cho các ngƣời
sử dụng khác nhau đƣợc truyền trong các kênh khác nhau với các tần số điều chế
khác nhau. Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, các tín
hiệu của ngƣời sử dụng khác nhau đƣợc truyền đi trong các khe thời gian khác
nhau. Với các công nghệ khác nhau, số ngƣời sử dụng lớn nhất có thể chia sẻ đồng
thời các kênh vật lý là cố định. Tuy nhiên trong hệ thống CDMA, các tín hiệu cho
ngƣời sử dụng khác nhau đƣợc truyền đi trong cùng một băng tần tại cùng một thời
điểm. Mỗi tín hiệu ngƣời sử dụng đóng vai trò nhƣ là nhiễu đối với tín hiệu của
ngƣời sử dụng khác, do đó dung lƣợng của hệ thống CDMA gần nhƣ là mức nhiễu,
và không có con số lớn nhất cố định, nên dung lƣợng của hệ thống CDMA đƣợc
gọi là dung lƣợng mềm.
Hình 1.3 chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 ngƣời sử dụng có thể truy nhập đồng
thời trong một hệ thống CDMA.

Hình 1. 3 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ

Tại bên thu, ngƣời sử dụng 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại
tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tín hiệu của bất cứ ngƣời nào khác. Bởi vì sự
tƣơng quan chéo giữa mã của ngƣời sử dụng mong muốn và các mã của ngƣời sử
dụng khác là rất nhỏ : việc tách sóng kết hợp sẽ chỉ cấp năng lƣợng cho tín hiệu
mong muốn và một phần nhỏ cho tín hiệu của ngƣời sử dụng khác và băng tần
thông tin.
Độ lợi xử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xử lý đem lại nhiều lợi ích
cho các hệ thống CDMA, nhƣ hiệu suất phổ cao và dung lƣợng mềm. Tuy nhiên, tất

HVTH: Nguyễn Lê Minh

18

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

cả những lợi ích đó yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất nghiêm ngặt
và chuyển giao mềm, để tránh cho tín hiệu của ngƣời sử dụng này che thông tin của
ngƣời sử dụng khác.

1.2.2. Một số đặc trƣng của lớp vật lý trong hệ thống WCDMA
Các mã trải phổ
Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, các bit dữ liệu đƣợc mã hoá
với một chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PN). Mạng vô tuyến UMTS mạng sử dụng một
tốc độ chip cố định là 3.84Mcps đem lại một băng thông sóng mang xấp xỉ 5MHz.
Dữ liệu đƣợc gửi qua giao diện vô tuyến WCDMA đƣợc mã hoá 2 lần trƣớc khi
đƣợc điều chế và truyền đi. Quá trình này đƣợc mô tả trong hình vẽ sau:

Hình 1. 4 Quá trình trải phổ và trộn

Nhƣ vậy trong quá trình trên có hai loại mã đƣợc sử dụng là mã trộn và mã
định kênh.
 Mã định kênh: là các mã hệ số trải phổ biến đổi trực giao OVSF giữ tính
trực giao giữa các kênh có các tốc độ và hệ số trải phổ khác nhau. Các mã lựa chọn
đƣợc xác định bởi hệ số trải phổ. Cần phải chú ý rằng: Một mã có thể đƣợc sử dụng
trong cell khi và chỉ khi không có mã nào khác trên đƣờng dẫn từ một mã cụ thể đến
gốc của cây mã hoặc là trên một cây con phía dƣới mã đó đƣợc sử dụng trong cùng
một cell. Có thể nói tất cả các mã đƣợc chọn lựa sử dụng hoàn toàn theo quy luật
trực giao.
 Mã trộn. Mã trộn đƣợc sử dụng trên đƣờng xuống là tập hợp chuỗi mã
Gold. Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n. Chức năng của nó dùng để phân
biệt các trạm gốc khác nhau. Thông qua mô phỏng, n đƣợc xác định là tỉ số giữa tự

HVTH: Nguyễn Lê Minh

19

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

tƣơng quan và tƣơng quan chéo khi thay đổi số chip bị cắt bớt do thay đổi tỉ số S/N.
Kết quả đƣợc chỉ ra trong Bảng 1.1.

Bảng 1. 1 Quan hệ giữa S/N và số chip cắt bớt

Có hai loại mã trộn trên đƣờng lên , chúng dùng để duy trì sự phân biệt giữa
các máy di động khác nhau. Cả hai loại đều là mã phức. Mã thứ nhất là mã hoá
Kasami rất rộng. Loại thứ hai là mã trộn dài đƣờng lên thƣờng đƣợc sử dụng trong
cell không phát hiện thấy nhiều ngƣời sử dụngtrong một trạm gốc. Đó là chuỗi mã
Gold có chiều dài là 241-1.
Phương thức song công
Hai phƣơng thức song công đƣợc sử dụng trong kiến trúc WCDMA: Song
công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).
Phƣơng pháp FDD cần hai băng tần cho đƣờng lên và đƣờng xuống. Phƣơng thức
TDD chỉ cần một băng tần. Thông thƣờng phổ tần số đƣợc bán cho các nhà khai
thác theo các dải có thể bằng 2x10MHz, hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển.
Mặc dù có một số đặc điểm khác nhau nhƣng cả hai phƣơng thức đều có tổng hiệu
suất gần giống nhau. Chế độ TDD không cho phép giữa máy di động và trạm gốc có
trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát. Vì vậy
mà chế độ IDD phù hợp với các môi trƣờng có trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD
vận hành ở các pico cell. Một ƣu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đƣờng lên và
đƣờng xuống có thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp cho các ứng dụng có đặc tính
bất đối xứng giữa đƣờng lên và đƣờng xuống , chẳng hạn nhƣ Web browsing. Trong
quá trình hoạch định mạng, các ƣu điểm và nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp này
có thể bù trừ.
Dung lượng mạng
Kết quả của việc sử dụng công nghệ đa truy nhập trải phổ CDMA là dung
lƣợng của các hệ thống UMTS không bị giới hạn cứng, có nghĩa là một ngƣời sử
dụng có thể bổ sung mà không gây ra nghẽn bởi số lƣợng phần cứng hạn chế. Hệ
thống GSM có số lƣợng các liên kết và các kênh cố định chỉ cho phép mật độ lƣu

HVTH: Nguyễn Lê Minh

20

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

lƣợng lớn nhất đã đƣợc tính toán và hoạch định trƣớc nhờ sử dụng các mô hình
thống kê. Trong hệ thống UMTS bất cứ ngƣời sử dụng mới nào sẽ gây ra một lƣợng
nhiễu bổ sung cho những ngƣời sử dụng đang có mặt trong hệ thống, ảnh hƣởng
đến tải của hệ thống. Nếu có đủ số mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới
hạn dung lƣợng chính trong mạng. Việc các cell bị co hẹp lại do tải cao và việc
tăng dung lƣợng của các cell mà các cell lân cận nó có mức nhiễu thấp là các hiệu
ứng thể hiện đặc điểm dung lƣợng xác định nhiễu trong các mạng CDMA. Chính vì
thế mà trong các mạng CDMA có đặc điểm “dung lƣợng mềm”. Đặc biệt, khi quan
tâm đến chuyển giao mềm thì các cơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trở nên
phức tạp.

1.2.3. Phân tập đa đƣờng - Bộ thu Rake
Truyền sóng vô tuyến trong kênh di động mặt đất đƣợc đặc trƣng bởi các sự
phản xạ, sự suy hao khác nhau của năng lƣợng tín hiệu. Các hiện tƣợng này gây ra
do các vật cản tự nhiên nhƣ toà nhà, các quả đồi…dẫn đến hiệu ứng truyền sóng đa
đƣờng.

Hình 1. 5 Hiệu ứng đa đường.

Hiệu ứng đa đƣờng thƣờng gây ra nhiều khó khăn cho các hệ thống truyền
dẫn vô tuyến. Một trong những ƣu điểm của các hệ thống DSSS là tín hiệu thu qua
các nhánh đa đƣờng với trễ truyền khác nhau và cƣờng độ tín hiệu khác nhau lại có
thể cải thiện hiệu suất của hệ thống. Để kết hợp các thành phần từ các nhánh đa
đƣờng một cách nhất quán, cần thiết phải tách đúng các thành phần đó. Trong các
hệ thống WCDMA, bộ thu RAKE đƣợc sử dụng để thực hiện chức năng này. Một
bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu đƣợc gọi là “finger”. Bộ thu RAKE sử dụng
các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chia năng lƣợng của các thành phần tín hiệu

HVTH: Nguyễn Lê Minh

21

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

khác nhau có pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơ đồ chòm sao. Sau khi điều
chỉnh trễ thời gian và cƣờng độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đó đƣợc kết hợp
thành một tín hiệu với chất lƣợng cao hơn. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình kết
hợp theo tỉ số lớn nhất (MRC), và chỉ có các tín hiệu với độ trễ tƣơng đối cao hơn
độ rộng thời gian của một chip mới đƣợc kết hợp. Quá trình kết hợp theo tỉ số lớn
nhất sử dụng tốc độ chip là 3.84Mcps tƣơng ứng với 0.26µs hoặc là chênh lệch về
độ dài đƣờng dẫn là 78m. Phƣơng pháp này giảm đáng kể hiệu ứng fading bởi vì
khi các kênh có đặc điểm khác nhau đƣợc kết hợp thì ảnh hƣởng của fading nhanh
đƣợc tính bình quân. Độ lợi thu đƣợc từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa
đƣờng tƣơng tự với độ lợi của chuyển giao mềm có đƣợc bằng cách kết hợp hai hay
nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao.

1.3. Kênh truyền
Kênh truyền tín hiệu là môi trƣờng truyền sóng giữa máy phát và máy thu.
Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền. Không
giống nhƣ kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán đƣợc, kênh truyền vô
tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không dễ dàng để phân tích. Nghiên cứu các đặc
tính của kênh truyền là rất quan trọng vị chất lƣợng của hệ thống truyền tin vô tuyến
phụ thuộc vào các yếu tố này.

1.3.1. Suy hao đƣờng truyền
Tín hiệu thu đƣợc luôn luôn bị suy hao so với tín hiệu bên phát do các hiện
tƣợng nhƣ: sự hấp thụ, sự phản xạ bởi các vật cản, sự nở rộng về mọi hƣớng của tín
hiệu… Ngay cả khi dùng anten định hƣớng sóng vẫn đƣợc mở rộng theo hình cầu
(dù là mật độ năng lƣợng tập trung theo một hƣớng). Suy hao truyền dẫn trung bình
phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm. Cƣờng độ sóng giảm tỉ lệ với bình
phƣơng khoảng cách theo công thức sau:

PT  4 R  1 1  4  2 2 1 1

  R f

PR    GT GR  c 
GT GR
2

2

(1.4)

L pt ( dB )  PT ( dB )  PR (dB )

 10lg GT  10lg GT  20lg R  47.6(dB)

HVTH: Nguyễn Lê Minh

22

(1.5)

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

với PR : công suất nhận(W)
PT : Công suất phát (W)
GR : độ anten thu
GT : độ lợi anten phát
f: tần số phát (Hz)
R: khoảng cách máy thu – máy phát (km)
Lpt : hệ số suy hao trong không gian tự do (dB)

1.3.2. Hiệu ứng đa đƣờng - Hiện tƣợng Fading
Trong đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ
các vật cản nhƣ đồi núi, nhà cửa, xe cộ…bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ… các hiện
tƣợng này gọi chung là fading. Kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên
bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của hệ
thống vô tuyến.
Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể phân thành hai loại:
-

Fading tầm rộng (Large Scale Fading)

Large Scale Fading 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 tƣợng này
chịu ảnh hƣởng bởi sự cao lên của địa hình (núi, rừng, các khu nhà cao tầng…) giữa
máy phát và máy thu. Các thống kê về hiện tƣợng large scale fading cho phép ta
ƣớc lƣợng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.
-

Fading tầm hẹp (Small Scale Fading)

Small Scale fading diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu.
Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bƣớc
sóng) giữa phía phát và phía thu. Small scale fading có hai nguyên lý:
o Time-speading của tín hiệu
o Đặc tính thay đổi theo thời gian (time variant) của kênh truyền.
Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di
chuyển của phía phát và phía thu dẫn tới sự thay đổi đƣờng truyền sóng.

HVTH: Nguyễn Lê Minh

23

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Có 3 cơ chế chính ảnh hƣởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di
động:
+ Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thƣớc rất lớn so với bƣớc sóng tín hiệu RF.
+ Nhiễu xạ xảy ra khi đƣờng truyền sóng từ phía phát từ phía thu bị cản trở
bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thƣớc lớn so với bƣớc sóng. Nhiễu xạ
là hiện tƣợng giải thích cho nguyên nhân năng lƣợng RF đƣợc truyền từ phía phát
tới phía thu mà không cần đƣờng truyền thẳng. Nó thƣờng đƣợc gọi là hiệu ứng
shadowing vì trƣờng tán xạ có thể đến đƣợc bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản
không thể truyền xuyên qua.
+ Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề
làm cho năng lƣợng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hƣớng. Trong
môi trƣờng thành phố, các vật thể thƣờng gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán
lá…

1.3.3. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và
máy thu nhƣ trình bày ở Hình (1.6). Bản chất của hiện tƣợng này là phổ của tín hiệu
thu đƣợc bị xê dịch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hƣớng chuyển động của máy thu là αn,
khi đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:

v
f D n  f 0 cosα n 
c

(1.6)

Trong đó f0, v, c lần lƣợt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tƣơng đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần
số Doppler lớn nhất sẽ là:

v
f D,max  f 0 
c

HVTH: Nguyễn Lê Minh

(1.7)

24

Lớp: 11BKTTT.KH


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hình 1. 6 Hàm truyền đạt của kênh

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cƣờng độ
ngang hàng nhau ở khắp mọi hƣớng., khi đó phổ của tín hiệu tƣơng ứng với tần số
Doppler đƣợc biểu diễn nhƣ sau.
Phổ của tín hiệu đƣợc biểu diễn ở Hình (1.7)

Hình 1. 7 Mật độ phổ của tín hiệu thu

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hƣởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra
năm 1974. Và đƣợc gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này đƣợc giải thích
nhƣ sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu đƣợc sẽ
không nhận đƣợc ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía

HVTH: Nguyễn Lê Minh

25

Lớp: 11BKTTT.KH


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×