Hệ thống thông tin GSM_Chương 2

Chia sẻ: Trần Huyền My | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong môi trường thành thị, liên lạc giữa trạm gốc và thuê bao di động, đường truyền tín hiệu trực tiếp (LOS) khó tồn tại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống thông tin GSM_Chương 2

Phaàn 2_Chöông 1 : Giôùi thieäu CHÖÔNG 1 GIÔÙI THIEÄU H eä thoáng thoâng tin di ñoäng yeâu caàu kyõ thuaät xöû lyù tín hieäu ñeå caûi thieän hoaït ñoäng lieân keát trong moâi tröôøng soùng di ñoäng. Keânh voâ tuyeán di ñoäng coù ñaëc tính ñoäng do nhieãu ña ñöôøng vaø traûi Doppler. Ñieàu naøy aûnh höôûng raát lôùn ñeán tæ leä loãi bit cuûa baát kyø kyõ thuaät ñieàu cheá naøo. Söï suy yeáu keânh voâ tuyeán di ñoäng laøm tín hieäu ôû maùy thu bò meùo hoaëc giaûm ñi ñaùng keå. Caân baèng, phaân taäp vaø maõ hoùa keânh laø ba kyõ thuaät coù theå söû duïng ñoäc laäp hoaëc keát hôïp laïi ñeå taêng chaát löôïng tín hieäu thu. Caân baèng (Equalization) seõ buø nhieãu lieân kí töï (intersymbol interference_ISI) do nhieãu ña ñöôøng trong keânh phaân taùn theo thôøi gian. Neáu baêng thoâng ñieàu cheá vöôït quaù baêng thoâng phuø hôïp cuûa keânh voâ tuyeán, ISI seõ xuaát hieän vaø xung ñieàu cheá ñöôïc traûi trong mieàn thôøi gian. Boä caân baèng trong moät maùy thu buø cho trò trung bình cuûa bieân ñoä keânh yeâu caàu vaø ñaëc tính treã. Caùc boä caân baèng phaûi töông thích vôùi taát caû caùc keânh vaø moïi thôøi ñieåm. Phaân taäp (Diversity) laø moät kyõ thuaät khaùc söû duïng ñeå buø fading, vaø thöôøng söû duïng bôûi hai hay nhieàu antenna thu. Nhö vôùi boä caân baèng, chaát löôïng cuûa keát noái thoâng tin di ñoäng caûi tieán maø khoâng laøm taêng coâng suaát maùy phaùt hoaëc baêng thoâng. Tuy nhieân, trong khi caân baèng söû duïng ñeå choáng laïi aûnh höôûng phaân taùn thôøi gian (ISI), phaân taäp thöôøng duøng ñeå giaûm ñoä saâu vaø chu kì suy giaûm ôû maùy thu trong moät daõy keânh fading (baêng thoâng heïp). Caùc kyõ thuaät phaân taäp coù theå aùp duïng cho caû traïm goác vaø maùy di ñoäng. Kyõ thuaät phaân taäp thoâng thöôøng nhaát goïi laø phaân taäp khoâng gian (spatial diversity), nhôø ñoù nhieàu antenna thu ñöôïc ñaët ôû caùc vò trí chieán löôïc vaø keát noái vôùi heä thoáng thu thoâng thöôøng. Khi moät antenna khoâng nhaän ñöôïc tín hieäu, moät trong caùc antenna coøn laïi coù theå seõ nhaän ñöôïc ñænh tín hieäu, vaø maùy thu taïi moät thôøi ñieåm seõ choïn antenna coù tín hieäu toát nhaát. Caùc kyõ thuaät phaân taäp khaùc laø phaân taäp phaân cöïc antenna, phaân taäp theo taàn soá, vaø phaân taäp theo thôøi gian. Caùc heä thoáng CDMA thöôøng söû duïng maùy thu RAKE cho pheùp taêng keát noái treân phaân taäp thôøi gian. Maõ hoùa ñöôøng truyeàn (Channel coding) gia taêng hoaït ñoäng lieân keát thoâng tin di ñoäng baèng caùch theâm caùc bit döõ lieäu thöøa vaøo thoâng ñieäp phaùt ñi. Taïi daûi taàn goác cuûa maùy phaùt, boä maõ hoùa keânh truyeàn chuyeån chuoãi thoâng ñieäp soá thaønh chuoãi maõ cuï theå coù nhieàu bit hôn thoâng ñieäp goác. Thoâng ñieäp maõ hoùa ñöôïc ñieàu cheá vaø phaùt ñi treân keânh voâ tuyeán. Maõ hoùa keânh truyeàn söû duïng ôû maùy thu ñeå phaùt hieän loãi hoaëc söûa loãi. Vì giaûi maõ ñöôïc thöïc hieän sau phaàn giaûi ñieàu cheá ôû maùy thu, giaûi maõ coù theå xem laø moät kyõ thuaät phaùt hieän thöïc hieän sau. Nhöõng bit maõ theâm vaøo laøm giaûm toác ñoä phaùt döõ lieäu thoâ treân keânh truyeàn (chieám nhieàu baêng thoâng ôû moät toác ñoä döõ lieäu cuï theå). Noùi chung coù hai loaïi maõ hoùa keânh truyeàn : maõ hoùa khoái (block codes) vaø maõ hoùa xoaén (convolution codes). Maõ hoùa keânh truyeàn noùi chung ñöôïc xem laø ñoäc Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 36 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 1 : Giôùi thieäu laäp vôùi loaïi ñieàu cheá, maëc duø ñieàu naøy gaàn ñaây ñaõ thay ñoåi laø söû duïng kieåu ñieàu cheá maõ cheùo (trellis coded modulation schemes), keát hôïp ñieàu cheá vaø maõ hoùa ñeå ñaït ñöôïc ñoä lôïi maõ hoùa lôùn maø khoâng laøm môû roäng baêng thoâng. Ba kyõ thuaät laø caân baèng, phaân taäp vaø maõ hoùa keânh truyeàn ñöôïc söû duïng ñeå taêng hoaït ñoäng keát noái voâ tuyeán (nghóa laø laøm nhoû nhaát tæ leä loãi bit töùc thôøi) nhöng vieäc tieáp caän, giaù caû, ñoä phöùc taïp vaø hieäu quaû cuûa moãi loaïi kyõ thuaät laø khaùc nhau trong caùc heä thoáng thoâng tin di ñoäng thöïc tieãn. Trong giôùi haïn cuûa ñeà taøi naøy, chuùng em chæ xem xeùt caùc kyõ thuaät caân baèng. Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 37 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin CHÖÔNG 2 NHIEÃU TRONG HEÄ THOÁNG THOÂNG TIN T rong moâi tröôøng thaønh thò, lieân laïc giöõa traïm goác vaø thueâ bao di ñoäng, ñöôøng truyeàn tín hieäu tröïc tieáp (LOS) khoù toàn taïi. Söû duïng taàn soá 900Mhz vaø 1.8GHz (cho heä thoáng teá baøo soá nhö GSM) vaø 1900MHz (cho PCS nhö PCS-1900), tín hieäu bò nhieãu xaï vaø phaân taùn do caùc cao oác, caây coái, ñoài nuùi hoaëc do xe coä di chuyeån. Bôûi vì khoâng coù ñöôøng truyeàn tín hieäu tröïc tieáp, tín hieäu phaùt coù theå ñi baèng nhieàu ñöôøng vôùi ñoä treã thôøi gian, ñoä dòch pha, suy giaûm bieân ñoä vaø goùc pha khaùc nhau ñeán maùy thu. So saùnh vôùi tín hieäu treân ñöôøng truyeàn töï do, tín hieäu ña ñöôøng bò thay ñoåi raát lôùn. Ñoái vôùi ñöôøng truyeàn töï do, coâng suaát thu khoâng bò suy giaûm do khoâng bò ñoái töôïng naøo haáp thu hay phaûn xaï soùng. Coâng thöùc coâng suaát thu treân ñöôøng truyeàn töï do phuï thuoäc bình phöông nghòch ñaûo khoaûng caùch ñöôøng truyeàn : λ 2 Pr = Pt ( ) gt gr (1) 4πd vôùi Pr : coâng suaát thu Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 38 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin Pt : coâng suaát phaùt λ : böôùc soùng gr : ñoä lôïi coâng suaát antenna thu gt : ñoä lôïi coâng suaát antenna phaùt do ñoù coâng suaát böùc xaï thu giaûm 6dB moãi gaáp ñoâi khoaûng caùch. Nhöng ñöôøng truyeàn tröïc tieáp töï do khoâng toàn taïi trong thöïc teá. Vì vaäy tín hieäu ñeán antenna thu theo nhieàu ñöôøng khaùc nhau cuûa moät tín hieäu phaùt. Khi ñoù tín hieäu bò phaûn xaï treân maët ñaát nhö ôû hình döôùi, goïi laø tín hieäu ña ñöôøng thaúng ñöùng. Tín hieäu naøy gaây nhieàu suy giaûm treân ñöôøng truyeàn. Khi ñoù coâng suaát thu chæ coøn : 2  h .h  Pr = Pt  t 2 r  g t g r (2)  d  vôùi ht , hr laø ñoä cao antenna phaùt, thu. Thay vì suy giaûm 6dB treân ñöôøng truyeàn trong moâi tröôøng lyù töôûng thì coâng suaát ôû maùy thu luùc naøy giaûm 12dB moãi gaáp ñoâi khoaûng caùch ñöôøng truyeàn. Thöïc teá suy giaûm theo luõy thöøa 4,5. Do ñoù kyõ thuaät truyeàn yeâu caàu phaûi bieát ñoä maát maùt coâng suaát do taùn xaï keânh truyeàn ñeå phaân tích lieân keát budget, kích thöôùc cell, ñoä lôïi antenna, caáu hình nhieãu vaø khueách ñaïi coâng suaát. Töông töï nhö ña ñöôøng theo phöông thaúng ñöùng, ña ñöôøng theo phöông ngang cuõng bò phaûn xaï vaø taùn xaï do caùc cao oác, ñoài nuùi laøm aûnh höôûng ñeán tín hieäu thu. Trong caùc aûnh höôûng cuûa nhieãu, fading ña ñöôøng vaø nhieãu giao thoa kí töï ISI laø hai hieän töôïng quan troïng nhaát. Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 39 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin 1. FADING Khi tín hieäu taùn xaï bò phaûn xaï vaø phaân taùn treân moät beà maët lôùn nhö cao oác, ñoài nuùi, tín hieäu thu laø söï keát hôïp cuûa nhieàu soùng ngang ñeán vôùi bieân ñoä, pha vaø goùc ngaãu nhieân. Do baêng thoâng cuûa heä thoáng höõu haïn, maùy thu khoâng theå xöû lyù nhieàu nhoùm tín hieäu ña ñöôøng ñeán cuøng luùc. Do ñoù, toång quaùt chuùng ta xem xeùt caùc nhoùm ña ñöôøng khoâng theå giaûi quyeát treân nhö laø moät soùng ña ñöôøng ñôn. Caùc nhaø nghieân cöùu ñaõ noã löïc moâ taû ñaëc tính caùc tín hieäu ña ñöôøng thu ñöôïc vôùi nhöõng thí nghieäm ño löôøng vaø moâ hình vaät lyù cuûa keânh truyeàn. Toång quaùt chuùng ta moâ phoûng bieân ñoä tín hieäu thu ñöôïc theo phaân boá Rayleigh khi khoâng coù tín hieäu tröïc tieáp hoaëc theo phaân boá Ricean khi coù tín hieäu truyeàn tröïc tieáp, vaø pha phaân boá thoáng nhaát giöõa 0 vaø 2π. Khi coù nhieàu cao oác chaén ñöôøng tín hieäu, bieân ñoä tín hieäu coù phaân boá logarit chuaån. Moâ hình toaùn hoïc cho moãi phaân boá ñöôïc moâ taû nhö sau : • Phaân boá fading Rayleigh : coøn ñöôïc goïi laø fading nhanh. Söû duïng moâ hình töông ñöông baêng goác, chuùng ta coù theå moâ taû theo toaùn hoïc ñoä lôïi cuûa moãi ña ñöôøng laø bieán ngaãu nhieân Gaussian phöùc : h = hx + jh y (3) vôùi hx , hy laø caùc bieán ngaãu nhieân gaussian N (0,σ2) vôùi : e − h x / 2σ 1 2 2 p( h x ) = 2πσ 2 (4) 1 − h 2 / 2σ 2 p( h y ) = e y 2πσ 2 Do ñoù, bieân ñoä r vaø pha θ cuûa h = rej θ laø : r = h = hx2 + h y 2 (5)  hx  θ = tan −1    (6) hy    vôùi haøm maät ñoä xaùc xuaát Rayleigh cuûa r laø:  r − r 2 / 2σ 2  e r≥0 p ( r ) = σ 2 (7)   0 r
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin • Phaân boá fading Ricean Phaân boá Ricean söû duïng moâ taû fading ña ñöôøng khi toàn taïi tín hieäu tröïc tieáp. Töông töï, chuùng ta coù theå moâ taû toaùn hoïc ñoä lôïi cuûa moãi ña ñöôøng laø toång cuûa moät haèng soá vôùi moät bieán phöùc ngaãu nhieân Gaussian: h = A + hx + jh y (9) Vôùi A laø haèng soá hx, hy laø bieán ngaãu nhieân Gaussian N(0,σ2) vôùi : 2 hx − p(hx ) = 1 e 2σ 2 2πσ 2 2 (10) hy − ( ) p hy = 1 e 2σ 2 2πσ 2 Bieân ñoä r cuûa h nhö sau: r= h = ( A + hx )2 + h 2 y (11) Vôùi haøm maät ñoä xaùc suaát Ricean :  r − ( A +2r )  Ar  2 2  2σ I0  2  r≥0 p(r ) = σ 2 e σ  (12) 0 r≤0  Vôùi I0 laø haøm Bessel boå sung baäc 0. Ta thöôøng hay duøng tæ soá K ñeå bieåu dieãn tæ soá coâng suaát giöõa tín hieäu tröïc tieáp vaø ña ñöôøng. Α2 Κ= (13) 2σ 2 Khi K >>1, coâng suaát tín hieäu tröïc tieáp raát troäi hôn ña ñöôøng neân keânh truyeàn trôû thaønh keânh AWGN. Khi K
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin  (log(r ) − µ )2  1 − p(r ) =  e 2σ 2 r≥0 (14)  π σr  0 r
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin toát. Tuy nhieân, giaûm kích thöôùc cell daãn ñeán taêng soá traïm goác, haäu quaû phaûi chòu giaù caû maéc hôn ñoái vôùi nhaø cung caáp dòch vuï teá baøo. Do ñoù, hai kyõ thuaät treân ñöôïc ñieàu chænh ñeå giaûi quyeát vaán ñeà fading ña ñöôøng. Maët khaùc, phaân taäp laø moät phöông phaùp hieäu quaû choáng laïi fading ña ñöôøng. Bieân ñoä tín hieäu thu coù fading Rayleigh 2. NHIEÃU LIEÂN KYÙ TÖÏ VAØ NHIEÃU ÑOÀNG KEÂNH Nhieãu lieân kyù töï vaø nhieãu ñoàng keânh laø hai vaán ñeà chính trong heä thoáng voâ tuyeán. Nhieãu coù theå gaây taùc ñoäng ñaùng keå ñeán hieäu suaát cuûa maùy thu voâ tuyeán. Nhieãu ñoàng keânh xuaát hieän töø nhöõng cell laân caän söû duïng cuøng phoå taàn soá nhö tín hieäu mong muoán trong moät maïng TDMA. Kích thöôùc nhieãu ñoàng keânh xaùc ñònh yeáu toá laëp laïi taàn soá vaø coâng suaát phoå cuûa maïng. Keânh truyeàn ña ñöôøng taïo ra nhieãu lieân kí töï gaây aûnh höôûng cho hieäu suaát maùy thu. Thieát keá thaønh coâng moät heä thoáng voâ tuyeán töùc laø yeâu caàu phaûi giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà treân. Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 43 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin 2.1 Nhieãu lieân kí töï (ISI) Keânh truyeàn phaân taùn gaây traûi treã cho tín hieäu ñi qua, nhöõng kyù töï keá caän nhau seõ choàng leân nhau gaây giao thoa giöõa chuùng. Moät giaûn ñoà theo maét ñöôïc cho treân hình döôùi bieåu thò roõ raøng aûnh höôûng nghieâm troïng cuûa nhieãu lieân kí töï. Khi khoâng coù ISI, bieåu ñoà maét môû roäng vaø deã daøng nhaän bieát tín hieäu soá laø 0 hoaëc 1. Tuy nhieân khi coù traûi treã, caùc kí töï keá caän dính vaøo nhau vaø keát quaû laø sô ñoà maét ñoùng. Moâ hình maét môû vaø nöûa ñoùng 2.2 Nhieãu ñoàng keânh ( CCI ) Nhieãu ñoàng keânh toång quaùt goàm hai hay nhieàu tín hieäu ñoäc laäp ñöôïc phaùt cuøng moät luùc treân cuøng daûi taàn soá. Taàn soá taùi söû duïng coù theå gaây ra CCI laøm giôùi haïn hieäu suaát heä thoáng. Ví duï trong hình sau, baêng taàn töø A ñeán G söû duïng laïi trong moät moâ hình cell taùi söû duïng. Tæ soá coâng suaát soùng mang trung bình mong muoán (C) cuûa traïm goác gaàn nhaát treân coâng suaát nhieãu trung bình (I) cuûa traïm goác xa laø C/I. Heä soá giaûm nhieãu ñoàng keânh a ñònh nghóa nhö sau: D a= (15) R Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 44 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin vôùi D laø khoaûng caùch giöõa caùc traïm goác phaùt treân cuøng taàn soá. R laø ñöôøng kính phuû soùng cuûa maùy phaùt trong moät cell. Heä soá a caøng cao thì C/I caøng lôùn. Ñeå thu ñöôïc giaù trò C/I lôùn, heä soá taùi söû duïng cell phaûi taêng vaø dung löôïng giaûm bôùt. Vì theá, ñeå taêng dung löôïng cell, caàn duøng caùc thuaät toaùn giaûm nhieãu ñeå giaûm nhieãu ñoàng keânh sao cho heä soá taùi söû duïng taàn soá nhoû hôn. Minh hoïa heä soá taùi söû duïng taàn soá 3. DOPPLER Xem xeùt moät maùy di ñoäng di chuyeån vôùi vaän toác khoâng ñoåi v, doïc theo moät ñoaïn coù chieàu daøi d giöõa hai ñieåm X vaø Y, trong khi nhaän tín hieäu töø nguoàn S raát xa, ñöôïc minh hoïa ôû hình döôùi. Söï khaùc bieät trong chieàu daøi ñöôøng ñi cuûa soùng töø nguoàn S ñeán thueâ bao di ñoäng giöõa hai ñieåm X vaø Y laø ∆l = dcosυ = v∆tcosυ, trong ñoù ∆t laø thôøi gian yeâu caàu cho maùy di ñoäng di chuyeån töø X ñeán Y, vaø υ khoâng ñoåi taïi X vaø Y vôùi giaû söû laø nguoàn ôû raát xa. Pha tín hieäu thu thay ñoåi do söï khaùc bieät chieàu daøi ñöôøng ñi : 2π∆l 2πv∆t ∆φ = = cos θ (16) λ λ vaø söï thay ñoåi taàn soá, hoaëc ñoä dôøi Doppler cho bôûi fd : 1 ∆φ v fd = = = cos θ (17) 2π ∆t λ Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 45 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin S ∆l θ θ X d Y v MINH HOÏA HIEÄU ÖÙNG DOPPLER Coâng thöùc (17) cho thaáy ñoä dôøi Doppler lieân quan vôùi vaän toác maùy di ñoäng vaø goùc khoâng gian giöõa söï ñònh höôùng chuyeån ñoäng cuûa maùy di ñoäng vaø soùng tôùi. Coù theå thaáy töø phöông trình (17), neáu thueâ bao di ñoäng höôùng tôùi treân phöông cuûa soùng tôùi, ñoä dôøi Doppler laø döông (nghóa laø taàn soá soùng thu taêng), vaø neáu thueâ bao di ñoäng chuyeån ñoäng ra xa höôùng cuûa soùng tôùi, ñoä dôøi Doppler aâm (nghóa laø taàn soá soùng thu giaûm). Caùc thaønh phaàn ña ñöôøng töø tín hieäu lieân tuïc ñeán ôû nhöõng höôùng khaùc nhau goùp phaàn vaøo vieäc traûi Doppler cuûa tín hieäu thu, do ñoù laøm taêng baêng thoâng tín hieäu. Vaán ñeà quan troïng cuûa thoâng tin di ñoäng teá baøo laø lieân laïc giöõa maùy thu vôùi traïm goác trong khi di chuyeån. Toác ñoä cuûa maùy thu di ñoäng sinh ra ñoä dôøi taàn soá Doppler vaø do ñoù laøm traûi taàn soá soùng mang. Ñoä dôøi taàn soá Doppler lôùn nhaát, fD : v f D = (rad) (18) λ vôùi v : vaän toác (m/s) λ : böôùc soùng (m) Khi moät xe di chuyeån vôùi vaän toác v phaùt soùng lieân tuïc vôùi soùng mang fc, phoå Doppler laø:  σ2  f − fc ≤ fD W ( f ) = π f D − ( f − f c ) 2 2 (19) 0 f − fc > f D  vôùi σ2 laø coâng suaát tín hieäu trung bình. Hình sau minh hoïa phoå Doppler cuûa tín hieäu sin ñôn (soùng mang chöa ñieàu cheá). Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 46 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin Coâng suaát phoå fading tín hieäu sin, vôùi taàn soá Doppler cöïc ñaïi. Ñoä dôøi taàn soá fD khoâng chæ aûnh höôûng phoå Doppler nhö trong hình treân, maø coøn xaùc ñònh ñaëc tính cuûa fading. Trong heä thoáng truyeàn voâ tuyeán di ñoäng soá toác ñoä cao, ñaëc tính cuûa fading ña ñöôøng gaây ra burst sai soá. Burst sai soá xuaát hieän khi ñöôøng bao tín hieäu suy giaûm xuoáng döôùi moät giaù trò ngöôõng cuï theå, tæ leä möùc giao nhau coù theå söû duïng nhö moät pheùp ño rieâng ñeå tính tyû leä xuaát hieän burst sai soá. Töø chu kyø suy giaûm coù theå öôùc tính chieàu daøi burst sai soá. Tyû leä möùc giao ñònh nghóa laø tyû leä kyø voïng cuûa ñöôøng bao R giao vôùi möùc RS cho tröôùc ôû chieàu döông : 2 RS RS − 2σ 2 N RS = π f D e (20) σ vôùi σ2 laø coâng suaát tín hieäu trung bình. Thôøi gian fading laø :  Rs 2    Tf = 1  e 2σ 2 − 1 (21) R   π s fD   σ   Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 47 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin Haøm töï töông quan cuûa bieân ñoä fading Rayleigh coù toác ñoä di chuyeån 100 km/h vaø taàn soá soùng mang laø 900 MHz Do ñoù, khi toác ñoä di ñoäng taêng leân, tæ leä möùc giao Rs trôû neân lôùn hôn vaø thôøi gian fading seõ nhoû hôn. Noùi caùch khaùc fading ña ñöôøng thay ñoåi nhanh hôn. Moät caùch moâ taû thöïc teá hôn ñoái vôùi söï thay ñoåi ña ñöôøng laø haøm töï töông quan cuûa bieân ñoä fading Rayleigh. Giaû söû r(t) laø quaù trình ngaãu nhieân fading Rayleigh ña ñöôøng, haøm töï töông quan cuûa r(t) ñöôïc bieåu dieãn laø: R(τ ) = E (r (t )r (t + τ )) 2 v (22) = J 0  2π   λ vôùi J0 laø haøm Bessel loaïi 1 baäc 0. Hình treân moâ taû haøm töï töông quan cuûa keânh fading Rayleigh vôùi toác ñoä di ñoäng 100km/h ôû taàn soá soùng mang 900MHz. Deã daøng thaáy raèng haøm töï töông quan giöõa hai maãu fading Rayleigh nhoû hôn 0.5 khi τ > 3ms. Thôøi gian phuø hôïp (CT) Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 48 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin thöôøng ñònh nghóa laø khoaûng thôøi gian caàn ñeå ñaït ñöôïc töông quan ñöôøng bao laø nhoû hôn hoaëc baèng 0.9. CT tính theo taàn soá Doppler toái ña laø: 1 CT = (23) fD Thôøi gian phuø hôïp cho pheùp chuùng ta khaûo saùt ñoä thay ñoåi nhanh cuûa fading ña ñöôøng. Khi chuùng ta laáy hai maãu tín hieäu ña ñöôøng trong khoaûng thôøi gian lôùn hôn CT thì hai maãu naøy gaàn töông quan nhau. Do ñoù, thôøi gian phuø hôïp caøng nhoû thì ñoä thay ñoåi keânh truyeàn caøng nhanh. 4. MOÂ HÌNH KEÂNH VOÂ TUYEÁN 4.1 Moâ hình keânh truyeàn FIR Neáu chuùng ta öôùc tính chính xaùc caùc thoâng soá cuûa keânh voâ tuyeán nhö soá ña ñöôøng, ñoä treã cuûa moãi ñöôøng thì chuùng ta coù theå moâ taû chính xaùc keânh voâ tuyeán. Tuy nhieân trong thöïc teá khoâng cho pheùp chuùng ta söû duïng kyõ thuaät naøy. Ví duï nhö soá ña ñöôøng vaø ñoä treã cuûa moãi ñöôøng raát khoù öôùc tính, hoaëc öôùc tính raát phöùc taïp. Hôn nöõa, vaán ñeà chính laø moâ hình keânh maø chuùng ta söû duïng caùc thoâng soá öôùc tính ñoù coù giaù trò hay khoâng. Do ñoù, moâ hình keânh FIR thöôøng hay duøng ñeå moâ taû keânh truyeàn. Moät lyù do khaùc söû duïng keânh FIR laø nhôø pheùp xöû lyù tín hieäu soá / thôøi gian rôøi raïc hieän taïi. Tín hieäu thu qua boä loïc, roài qua boä laáy maãu. Do taát caû tín hieäu baây giôø ñaõ rôøi raïc trong mieàn thôøi gian vôùi khoaûng laáy maãu baèng nhau, neân coù theå söû duïng moâ hình keânh truyeàn FIR. Giaû thieát T laø chu kyø kyù töï, x(t) laø soùng ñieàu cheá soá, vaø c(t) laø ñaùp öùng xung keânh truyeàn vôùi ñoä môû roäng thôøi gian uT. Chuùng ta coù theå moâ phoûng tín hieäu thu baêng goác laø : y (t ) = c(t ) x(t ) + n(t ) +∞ (24) = ∫ c(τ ) x(t − τ )dτ + n(t ) −∞ vôùi n(t) laø nhieãu traéng Gaussian. Trong haàu heát caùc loaïi ñieàu cheá soá hieän nay, kyù töï ñieàu cheá soá x(t) laø chaäp cuûa moät taäp caùc tín hieäu soá Sn vôùi haøm xung g(t – vT ) ∞ x (t ) = ∑S n = −∞ n g (t − nT ) (25) thay vaøo phöông trình (24) ta coù : Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 49 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin y (t ) = c(t ) x (t ) + n(t )  ∞  = c(t ) ∑ s n g (t − nT ) + n(t )  n=−∞    +∞  +∞  (26) = ∫ c (τ )  ∑ s n g (t − τ − nT dτ + n(t ) −∞ n=−∞    T uN  i   ∞   ≈ ∑ c T   ∑ s n g  t − T − nT   + n(t ) i N i=0  N   n=−∞   N  vôùi N laø toång caùc maãu. Vì theá, caùc maãu y(t) laø : y k = y (kT ) T uN  i   ∞    ∑ c N T  ∑ s n g   k − N − n T  + n(kT ) i ≈   N i=0    n=−∞      (27) = c T Gs + n(kT ) = h T s + n(kT )   1   N −1   c(0)c N ....c N T ....c(uT ) T vôùi c T = 1x(uN+1) (28) N        pT 0 0 ... 0 0   0 Q ... ... 0  ... ... ... ... ... ...  G= T  (uN+1)x(v+u+1) (29) 0 0 ... p ... 0 0 0 0 ... Q 0   0  0 ... ... 0 pT  p T = [g (0 )g (T )...g (vT )] (30) s T = [s k s k −1 ... s k −v ... s k −v −u ] (31) Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 50 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin   1   1   1    g  1 − T  g   2 − T  .... g   v − T      N       N    N      2   2   2   Q =  g  1 − N T  g   2 − T  .... g   v − T           N     N    (32)  M M M M    N −1   N −1   N − 1    g  1 − N T  g   2 − N T  ... g   v − N T                   Do ñoù, chuùng ta coù theå bieåu dieãn ñaùp öùng keânh truyeàn, bao goàm keânh truyeàn vaø haøm xung, baèng moâ hình khoaûng caùch kyù töï h. Hình döôùi moâ taû keânh truyeàn FIR töông ñöông vôùi khoái troïng soá [h0 h1 ……hu+v+1]. Kyõ thuaät thoâng thöôøng öôùc tính toaøn boä ñaùp öùng xung keânh truyeàn laø phöông phaùp bình phöông nhoû nhaát, söû duïng caùc kyù töï huaán luyeän bieát tröôùc sk vaø tín hieäu thu yk. Tuy nhieân, theo phöông trình (27), ñaùp öùng xung toaøn boä keânh truyeàn h goàm coù moät ma traän xung bieát tröôùc ñaày ñuû G taïi caùc thôøi ñieåm laáy maãu. 4.2 Moâ hình ñaùp öùng xung keânh ña ñöôøng Bieán ñoåi quy moâ nhoû cuûa moät tín hieäu voâ tuyeán di ñoäng coù theå lieân quan tröïc tieáp vôùi ñaùp öùng xung cuûa keânh voâ tuyeán di ñoäng. Ñaùp öùng xung laø moät ñaëc tính baêng thoâng cuûa keânh truyeàn vaø chöùa taát caû nhöõng thoâng tin caàn thieát cho vieäc xöû lyù soùng voâ tuyeán phaùt ñi qua keânh. Ñieàu naøy xuaát phaùt töø vieäc moät keânh voâ tuyeán di ñoäng coù theå hoaït ñoäng nhö boä loïc tuyeán tính vôùi ñaùp öùng xung thay ñoåi thôøi gian, trong ñoù bieán ñoåi theo thôøi gian laø do maùy thu chuyeån ñoäng trong khoâng gian. Baûn chaát boä loïc cuûa keânh gaây ra bôûi toång bieân ñoä vaø ñoä treã cuûa nhieàu soùng tôùi taïi baát kyø thôøi ñieåm naøo. Ñaùp öùng xung laø moät ñaëc tính höõu duïng cuûa keânh truyeàn, do noù Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 51 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin coù theå döï ñoaùn vaø so saùnh hoaït ñoäng cuûa nhieàu heä thoáng thoâng tin di ñoäng khaùc nhau vaø baêng thoâng phaùt ñoái vôùi moät keânh di ñoäng cuï theå. Keânh voâ tuyeán di ñoäng coù theå moâ hình nhö boä loïc tuyeán tính vôùi ñaùp öùng xung thay ñoåi theo thôøi gian, xem xeùt tröôøng hôïp thay ñoåi theo thôøi gian chính xaùc do chuyeån ñoäng cuûa maùy thu trong khoâng gian. Nhö minh hoïa ôû hình döôùi. v KEÂNH TRUYEÀN VOÂ TUYEÁN DI ÑOÄNG LAØ HAØM CUÛA THÔØI GIAN VAØ KHOAÛNG CAÙCH Trong hình treân, maùy thu di chuyeån treân maët ñaát vôùi vaän toác khoâng ñoåi v. ÔÛ vò trí coá ñònh d, keânh truyeàn giöõa maùy phaùt vaø maùy thu coù theå moâ hình nhö heä thoáng thôøi gian baát bieán tuyeán tính. Tuy nhieân, do nhöõng soùng ña ñöôøng khaùc nhau maø coù thôøi gian truyeàn treã treân nhöõng vò trí khoâng gian khaùc nhau cuûa maùy thu, ñaùp öùng xung cuûa keânh thôøi gian baát bieán tuyeán tính laø moät haøm vò trí cuûa maùy thu. Nghóa laø, keânh ñaùp öùng xung coù theå bieåu dieãn laø h(d,t). Ñaët x(t) laø tín hieäu phaùt, tín hieäu nhaän ñöôïc laø y(d,t) ôû vò trí d coù theå dieãn taû laø pheùp chaäp cuûa x(t) vôùi h(d,t). ∞ y (d , t ) = x(t ) ⊗ h(d , t ) = ∫ x(τ)h(d , t − τ)dτ (33) −∞ Ñoái vôùi heä thoáng nhaân quaû, h(d,t) = 0 vôùi t
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin Do giaû söû v khoâng ñoåi trong khoaûng chu kì ngaén (hoaëc khoaûng caùch ngaén), chuùng ta ñaët x(t) laø soùng phaùt ñi, y(t) laø soùng thu, vaø h(t,τ) laø ñaùp öùng xung thay ñoåi theo thôøi gian cuûa keânh voâ tuyeán ña ñöôøng. Ñaùp öùng xung h(t, τ) hoaøn toaøn bieåu thò ñaëc ñieåm cuûa keânh vaø laø moät haøm cuûa t vaø τ. Bieán thôøi gian bieåu dieãn söï thay ñoåi thôøi gian do chuyeån ñoäng, traùi laïi τ bieåu dieãn cho ñoä treã keânh ña ñöôøng vôùi moät giaù trò cuûa t. Tín hieäu thu ñöôïc y(t) coù theå bieåu dieãn laø tích chaäp cuûa tín hieäu phaùt x(t) vôùi ñaùp öùng xung cuûa keânh (xem hình). ∞ y (t ) = ∫ x (τ)h(t , τ)dτ = x(t ) ⊗ h(t , τ) (38) −∞ x(t) { h(t ,τ ) = Re hb (t ,τ )e jϖ c t } y(t) { y (t ) = Re r (t )e jω c t } y (t ) = x(t ) ⊗ h(t ) Moâ hình ñaùp öùng xung keânh truyeàn baêng thoâng Giaû söû keânh ña ñöôøng laø moät keânh baêng thoâng giôùi haïn hôïp lyù, thì h(t, τ) coù theå ñöôïc moâ taû töông ñöông nhö moät ñaùp öùng xung baêng thoâng phöùc hb(t, τ) vôùi ngoõ vaøo vaø ngoõ ra bieåu dieãn cho tín hieäu phaùt vaø thu (xem hình). Nghóa laø : 1 r (t ) = c(t ) ⊗ hb (t , τ) (39) 2 hb (t ,τ ) 1 c(t) r(t) 2 r (t ) = c (t ) ⊗ hb (t ) 1 1 1 2 2 2 Moâ hình ñaùp öùng xung keânh truyeàn töông ñöông baêng goác vôùi c(t) vaø r(t) laø ñöôøng bao phöùc cuûa x(t) vaø y(t), ñònh nghóa nhö sau : x(t) = Re{c(t) exp(j2πfct)} (40) y(t) = Re{r(t)exp(j2πfct)} (41) Heä soá ½ trong phöông trình (39) laø do tính chaát cuûa ñöôøng bao phöùc, ñeå bieåu dieãn baêng thoâng heä thoáng voâ tuyeán taïi daûi neàn. Ñaëc tính baêng taàn thaáp loaïi boû söï thay ñoåi taàn soá cao do soùng mang, laøm tín hieäu phaân tích deã hôn. Coâng suaát trung bình cuûa moät tín hieäu baêng daûi x2(t) laø ½|c(t)|2. Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 53 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin Ñeå deã söû duïng chuùng ta rôøi raïc hoùa truïc treã ña ñöôøng τ cuûa ñaùp öùng xung thaønh töøng ñoaïn treã thôøi gian goïi laø excess delay bins, moãi bin coù ñoä roäng thôøi gian treã laø τi+1 - τi, vôùi τ0 = 0 bieåu dieãn tín hieäu ñeán ñaàu tieân taïi maùy thu. Ñaët i = 0, deã daøng thaáy raèng τ1-τ0=∆τ laø ñoä roäng thôøi gian treã bin. Vôùi ñieàu kieän, τ0=0, τ1=∆τ vaø τi=i∆τ, cho i=0÷N-1, vôùi N laø toång soá coù theå coù caùc thaønh phaàn ña ñöôøng khoaûng caùch baèng nhau, bao goàm caû thaønh phaàn ñeán ñaàu tieân. Baát kyø moät tín hieäu ña ñöôøng nhaän ñöôïc trong bin thöù i ñöôïc bieåu dieãn bôûi moät thaønh phaàn ña ñöôøng coù theå phaân tích ñôn leû coù ñoä treã τi. Kyõ thuaät löôïng töû hoùa caùc ñoä treã bin xaùc ñònh ñoä phaân giaûi thôøi gian treã cuûa moâ hình keânh, khoaûng caùch taàn soá höõu duïng cuûa moâ hình coù theå laø 1/(2∆τ). Nghóa laø, moâ hình coù theå phaân tích tín hieäu phaùt coù baêng thoâng nhoû hôn 1/(2∆τ). Löu yù τ0 = 0 laø thôøi gian ñeán cuûa thaønh phaàn ña ñöôøng ñeán ñaàu tieân, vaø khoâng chuù yù thôøi gian truyeàn treã giöõa maùy phaùt vaø maùy thu. Excess delay laø ñoä treã töông ñoái cuûa thaønh phaàn ña ñöôøng thöù i so saùnh vôùi thaønh phaàn ñeán ñaàu tieân cho bôûi τi. Giaù trò excess delay lôùn nhaát cuûa keânh laø N∆τ. Do tín hieäu nhaän treân moät keânh ña ñöôøng chöùa moät chuoãi tín hieäu ñaõ phaùt bò yeáu ñi, ñoä treã thôøi gian, dòch pha, ñaùp öùng xung baêng goác cuûa moät keânh ña ñöôøng ñöôïc bieåu dieãn nhö sau : N −1 hb (t , τ) = ∑ ai (t , τ ) exp[ j (2πf c τi (t ) + φi (t , τ))]δ(τ − τi (t )) (42) i =0 Vôùi ai(t, τ) vaø τi(t) töông öùng laø bieân ñoä thöïc vaø bieân ñoä treã quaù cuûa thaønh phaàn ña ñöôøng thöù i ôû thôøi ñieåm t. Pha 2πfcτi(t) + φi(t, τ) trong (42) bieåu dieãn ñoä leäch pha do söï lan truyeàn khoâng gian töï do cuûa thaønh phaàn ña ñöôøng thöù i, coäng vôùi baát kyø ñoä dòch pha baét gaëp treân ñöôøng truyeàn. Toång quaùt, khaùi nieäm pha ñôn giaûn bieåu dieãn bôûi bieán ñôn θi(t, τ), bieán ñôn naøy gom laïi taát caû caùc kyõ thuaät ñeå dôøi pha cuûa thaønh phaàn ña ñöôøng trong excess delay bin thöù i. Löu yù raèng vaøi excess delay bin coù theå khoâng ña ñöôøng ôû vaøi thôøi ñieåm t vaø treã τi, do ai(t,τ) coù theå baèng 0. Trong phöông trình (42), N laø toång soá coù theå coù cuûa thaønh phaàn ña ñöôøng (bins), vaø δ(∗) laø haøm xung ñôn vò ñöôïc ñònh nghóa laø bin ña ñöôøng ñaëc bieät coù thaønh phaàn ôû thôøi gian t vaø ñoä treã quaù τi. Hình sau minh hoïa moät ví duï hb(t,τ), ôû nhöõng thôøi ñieåm khaùc nhau vôùi nhöõng bin treã thôøi gian ñöôïc löôïng töû hoùa ñoä lôùn ∆τ. Neáu ñaùp öùng xung keânh truyeàn giaû söû laø baát bieán theo thôøi gian, hoaëc ít nhaát laø tónh theo dieän roäng treân moät khoaûng caùch ngaén hoaëc thôøi gian tæ leä nhoû, thì ñaùp öùng xung keânh truyeàn ñôn giaûn nhö sau : N −1 hb (τ ) = ∑ ai exp (− jθi )δ(τ − τi ) (43) i =0 t t3 τ(t3) Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 54 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán t2 τ(t2) t1
Phaàn 2_Chöông 2 : Nhieãu trong heä thoáng thoâng tin Khi ño hoaëc döï ñoaùn hb(τ), moät xung doø p(t) söû duïng ôû maùy phaùt xaáp xæ laø moät haøm delta. Nghóa laø : p(t) ≈ δ(t-τ) (44) söû duïng thaêm doø keânh truyeàn ñeå xaùc ñònh hb(τ). Ñoái vôùi kieåu keânh truyeàn quy moâ nhoû, profile treã coâng suaát (power delay profile) cuûa keânh truyeàn ñöôïc tìm baèng caùch laáy trung bình khoâng gian cuûa |hb(t;τ)|2 treân vuøng cuïc boä. Baèng caùch thöïc hieän nhieàu pheùp ño treân vuøng cuïc boä |hb(t;τ)|2 ôû nhieàu vò trí khaùc nhau, chuùng ta coù theå xaây döïng toaøn boä profile treã coâng suaát, moãi profile coù theå bieåu dieãn cho moät traïng thaùi keânh truyeàn ña ñöôøng quy moâ nhoû. Neáu p(t) coù thôøi gian xung leân nhoû hôn raát nhieàu so vôùi ñaùp öùng xung keânh truyeàn ña ñöôøng, p(t) khoâng caàn giaûi chaäp vôùi tín hieäu thu r(t) ñeå xaùc ñònh cöôøng ñoä tín hieäu ña ñöôøng töông quan. Profile treã coâng suaát nhaän ñöôïc trong vuøng cuïc boä cho nhö sau : P(t;τ) ≈ k |hb(t;τ)|2 (45) vaø nhieàu ghi nhaän töùc thôøi cuûa |hb(t;τ)|2 thöôøng laáy trung bình treân vuøng cuïc boä cung caáp moät profile ñôn leû treã coâng suaát ña ñöôøng khoâng ñoåi theo thôøi gian P(τ). Ñoä lôïi k trong phöông trình (45) lieân quan ñeán coâng suaát phaùt xung doø p(t) vôùi toång coâng suaát nhaän ñöôïc trong moät profile treã ña ñöôøng. Leâ Thanh Nhaät-Tröông AÙnh Thu 55 GVHD : Ths Hoaøng Ñình Chieán