LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
GIẢI PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIANTHỜI GIAN TRONG WCDMA


LỜI CẢM ƠN
Sau gần 4 tháng nghiên cứu em đã hồn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Tập
đồ án này là kết quả năm năm học tập tại trường Bách Khoa – Khoa Điện Tử Viễn
Thông và thay lời cảm ơn chân thành nhất của em đến tất cả các thầy cô giáo trong
khoa, những người đã tận tâm, nhiệt tình giảng dạy tất cả các mơn học để em có
kiến thức thực hiện tốt đề tài.
Qua đây em gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn, người đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt thời gian qua.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình, những người đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đở em cố
gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp.
Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, các anh chị trong suốt quá trình
hoch tập tại trường.

Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2006
Sinh viên
Cao Liêm


Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
***

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi : Hội đồng bảo vệ, khoa Điện Tử-Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa
Đà Nẵng.
Tôi tên là : Cao Liêm.

Lớp
: 01ĐT2
Tên đề tài tốt nghiệp:
“Giải pháp phân tập Không gian-Thời gian trong WCDMA“
Tơi xin cam đoan đồ án này khơng giống hồn tồn với đồ án hoặc cơng trình
đã có trước đó.
Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2006
Sinh viên thực hiện
CAO LIÊM


MỤC LỤC
Chương 1: Tổng Quan Hệ Thống W-CDMA.........................................................1
............................................................................................................Giới thiệu chung
.....................................................................................................................................1
1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1.....................................................................1
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2.....................................................................2
1.3. Hệ thống thơng tin di động thế hệ 3.....................................................................3
1.4. Lộ trình phát triển hệ thống di động thế hệ 2 (GSM) lên (WCDMA).................3
1.5. Tổng quan mạng WCDMA..................................................................................4
1.5.1. Các thơng số chính của mạng WCDMA...........................................................6
1.5.2. Những đặc điểm then chốt của mạng WCDMA...............................................7
1.5.3. Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống WCDMA...............................................7
1.5.4. Tính đa dạng phân tập trong hệ thống WCDMA..............................................8
Kết luận chương........................................................................................................10
Chương 2: Khái Niệm Phân Tập Không Gian-Thời Gian..................................11
2.1 Giới thiệu............................................................................................................11
2.2 Anten Mảng.........................................................................................................11
2.2.1 Mảng Anten dãy...............................................................................................12
2.3 Kỹ thuật Beamformer..........................................................................................14

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer trong mảng ULA....................................15
2.4 Nguyên tắc lấy mẫu trong xử lý khơng gian.......................................................17
2.5 Lợi ích của phân tập không gian.........................................................................18
2.6 Phân tập thời gian- Bộ thu Rake trong CDMA...................................................18
2.6.1 Các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu.............................................................................19
2.6.1.1 Bộ tổ hợp chọn lọc (SC)................................................................................19
2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỉ số tối đa (MRC)........................................................................20
2.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC)........................................................................20
2.7 Bộ thu Beamformer_Rake...................................................................................20
Kết luận chương........................................................................................................21
Chương 3: Các Kỹ Thuật Beamforming...............................................................22
3.1 Giới Thiệu...........................................................................................................22
3.2 MSNR Beamforming..........................................................................................22
3.2.1 Kỹ Thuật MSNR..............................................................................................22
3.2.2 Phương Thức cải tiến SE cho Beamforming....................................................24
3.2.3 Pha Tín Hiệu Trong Eigen-Beamforming........................................................25
3.3. Kỹ thuật MSINR Beamforming.........................................................................26


3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu(SINR)...........................................................27
3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỷ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) .....................28
3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming...........................................................................29
3.5 So sánh 2 kỹ thuật MSINR và MMSE trong trường hợp đơn giản.....................30
Kết luận chương........................................................................................................32
Chương 4: CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING......................................33
4.1 Đơn vị đánh giá độ phức tạp tính tốn................................................................33
4.2 Thuật tốn tính toán trong kỹ thuật MSNR.........................................................33
4.2.1 Phương pháp Power.........................................................................................34
4.2.2 Phương pháp bội số nhân Lagrange.................................................................35
4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient.......................................................................38

4.2.4 Đánh giá chung các phương pháp....................................................................43
4.2.5 Mơ hình bộ thu MSNR Beamformer-Rake trong WCDMA............................43
4.3 Giải pháp tính tốn cho kỹ thuật MSINR............................................................44
4.3.1 Giới thiệu.........................................................................................................44
4.3.2 MSINR trong hệ thống WCDMA....................................................................44
4.3.2.1 Giải pháp lọc số tiếp cận (CFA)....................................................................44
4.3.2.2 Giải pháp cải tiến CFA (M-CFA).................................................................45
4.3.2.3 Giải pháp mã hoa cổng (CGA)......................................................................46
4.3.3 Các giải thuật tính tốn bài tốn GE................................................................47
4.3.3.1 Phương pháp power......................................................................................48
4.3.3.2 Phương pháp hệ số nhân Largrange..............................................................48
4.3.3.3 Phương pháp đảo ma trận (AMI)..................................................................50
4.4 Giải pháp tính tốn cho kỹ thuật MMSE............................................................54
4.4.1 Giới thiệu.........................................................................................................54
4.4.2 Tiêu chí kỹ thuật của phương pháp MMSE.....................................................54
4.4.2.1 Phương pháp tính trực tiếp ma trận đảo (DMI).............................................55
4.4.2.2 Phương pháp tính từng bước.........................................................................56
4.4.2.3 Phương pháp LMS........................................................................................57
4.4.3 Mơ hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake.....................................................57
Kết luận chương........................................................................................................58
Chương 5
CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG
5.1 Giới thiệu chương mơ phỏng..............................................................................59
5.2 Các lưu đồ thuật tốn..........................................................................................60
5.3 Kết quả mơ phỏng...............................................................................................64
Kết luận chương........................................................................................................76


Kết luận và hướng phát triển đề tài...........................................................................77


CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOA
AWGN

Angle of Arrival
Additive White Gaussian Noise

Góc đến tín hiệu
Cộng nhiễu trắng

BER
BPSK
CDMA
CG
dB

Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Code Division Multiplex Access
Coding Gain

Tỷ lệ lỗi bít
Điều chế pha PSK 2 mức
Đa truy cập phân chia theo mã
Mã hoá cổng

DMI
DPCCH
DPDCH
EGC

ISI
GE
ML
MLSE
MMSE
MRC
OFDM
PAM
PSK
QAM
QPSK

Decibel
Diercted Matric Invesion
Dedicated Physical Control Channel
Dedicated Physical Data Channel
Equal Gain Combine
Inter Symbol Interfere
Generalized Eigenvalue
Maximum Likelihood
Maximum
Likelihood
Sequence
Estimation
Minimum Mean Square Error
Maximum Ratio Combine
Orthogonal
Frequency
Division
Multiplexing

Pulse Amplitude Modulation
Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation

RF
SC
SE
SER
SINR

Quadrature Phase Shift Keying
Radio Frequence
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

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
Cực đại tối ưu
Đánh giá chuổi cực đại tối ưu
Tối thiểu bình phương sai lệnh
Bộ tổ hợp tỷ số tối đa
Điều chế tần số trực giao
Điều chế biên độ xung
Điều chế pha
Điều chế QAM
Điều chế
Sóng radio
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 lưới TCM
Đa truy cập phân chia theo thời
gian


WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng không dây
WCDMA Wideband Code Division Multiplex Đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng

Access


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra
máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang
được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và
một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vơ tuyến đang tạo ra
nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử
dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng này
đang tiếp tục tăng trong những năm tới.
Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch vụ
thơng tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ được cung cấp cho thuê
bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và
multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu này
và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di động thế
hệ thứ 3 (3G). Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu chuẩn
thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng. Hệ thống di động số hiện
tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến
khả năng truyền thơng đa phương tiện. Hệ thống 3G điển hình hiện nay là
cdma2000 và WCDMA. WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng.
Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thuê bao
tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến
dung lượng của hệ thống. Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý
tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân
tập tín hiệu. Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời
gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của
nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thơng qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu
trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten dãy bằng cách điều khiển hướng búp sóng của

anten dãy về hướng đến của tín hiệu thu và hướng Null về hướng đến của tín hiệu
nhiễu giao thoa.
Nội dung đồ án gồm 5 chương :
- Chương 1:Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải
quyết cho những nhược điểm.
- Chương 2:Trình bày khái niệm phân tập khơng gian - thời gian. Phân tập
anten bằng bộ thu Beamformer-Rake.


- Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu
Beamformer. Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE.
- Chương 4 : Trình bày các thuật tốn tính tốn cho từng kỹ thuật
Beamformer.
- Chương 5: Chương trình mơ phỏng thực hiện bằng ngôn ngữ Matlap gồm
các phần sau:

Mô phỏng các giải pháp điều khiển búp sóng anten dãy.

Mơ phỏng giản đồ BER của hệ thống trải phổ có sử dụng kỹ thuật
Beamforming.

Mô phỏng chất lượng các bộ tổ hợp (SC, EGC, MRC) trong bộ thu
Rake (phân tập thời gian). Đánh giá bằng đồ thị BER.

Mơ phỏng hệ thống WCDMA có sử dụng kỹ thuật phân tập Không
gian - Thời gian.

Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2006



CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA
Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình
thay đổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ
đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).
 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
 Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và
ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phơng
tiện gói.
1.1 Hệ thống thơng tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng
phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng
được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ
đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì
nó dị sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận
được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người
dùng . Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một
số người bị chặn lại không được truy cập.
Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và
được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số được gán cho một
kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân
cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống.
Đặc điểm :
- Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông

tuyến.
- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.


Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile
Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.
Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả
dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả
dung lượng và tốc độ.
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Với sự phát triển nhanh chóng của th bao, hệ thống thơng tin di động thế hệ 2
được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công
nghệ số.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sử
dụng 2 phương pháp đa truy cập :
- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.
Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần
liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian
trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe
thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số .
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động
và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc
phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng
một lúc mà khơng có sự can nhiễu lẩn nhau.

- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiểu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động kỹ
thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS
tương tự có khả năng xử lý khơng q 10 6 lệnh trong 1 giây, cịn trong MS số
TDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không
sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ
mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng.


Đặc điểm
Dải tần tín hiệu rộng .
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường độ trường
rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị
truyền dẫn đơn giản và việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực
hiện rất linh hoạt .
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ
thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc
tiêu chính sau:
- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.
- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại
vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ

thống thơng tin di động.
- Tương thích với các hệ thống thơng tin di động hiện có để đảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di động.
3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps
cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Cơng nghệ
3G dùng sóng mang 5MHz chứ khơng phải là sóng mang 200KHz như của CDMA
nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ
thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống
WCDMA và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong
những năm gần đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho
phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.
1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thơng tin di động thế hệ 2 (GSM) lên
WCDMA

Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên
3G


Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thơng máy tính và hình
ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thơng tin di động thế hệ 2 sẽ được
chuyển đổi sang thế hệ 3. Q trình đó được tổng qt trên hình 1.1.
Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:
GSM

HSCSD

GPRS

WCDM
A


Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
Ký hiệu:
 GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di
động toàn cầu.
 HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh
tốc độ cao.
 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vơ tuyến chung.
 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân
chia theo mã băng rộng.
1.5 Tổng quan về mạng WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia
theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụng
công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truy
cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ
để phân tần tín hiệu vơ tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ CDMA,
nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự
tương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền
tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra
một dãy PN như đầu phát và khơi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược
các tín hiệu đồng bộ thu được. Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trong
nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động. Nó cũng được biết
như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy xuất. WCDMA là một giao
diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thơng tin di động. WCDMA có 2
chế độ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng làm việc được ở cả hai chế độ FDD và
TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
 FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song cơng trong đó
truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD đường



lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống được phân bố một
cặp băng tần riêng biệt
 TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song cơng trong đó đường
lên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những
khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý được chia
thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin đường xuống và đường lên được
truyền dẫn luân phiên.
1900 1920
1980 2020
2025
2110
2170 (MHz)
TDD
RX/TX

FDD

FDD
Downlink

TDD
RX/TX

Uplink
t

t
5MHz

5MHz


Đường
lên

Đường
xuống

FDD

Đường
xuống

Khoảng Bảo vệ
Đường
lên

f

TDD

f

Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD
Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ
tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:
 Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiển
mạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vơ tuyến.
 Mạng lõi có hai vai trị chính :
 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu

gửi đến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thông
tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.
 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy
nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet và
phân loại thơng tin tính cước và bảo mật.
 Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơ
bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.


1.5.1 Các thơng số chính của W-CDMA
 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải
phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trên
một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là
chip) nhận được trải phổ trong WCDMA.
 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thơng sóng mang xấp xỉ
tới 5MHz. Dải thơng sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữ
liệu của uesr cao và cịn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các nhà
quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thơng của sóng mang là 5MHz.
Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng
4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác
chính là dải thơng theo yêu cầu cũng được cung cấp. Mỗi user được cung cấp một
khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên không đổi. Tuy
nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.
 WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD. Trong
FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lên
và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùng
cho cả hướng lên và hướng xuống.
 WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó khơng
giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó khơng cần thời gian chuẩn trên tồn

cầu GPS.
 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các ký
hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng .
 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể
chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.
Phương thức đa truy xuất .

DS-CDMA.

Phương pháp ghép song công. FDD/TDD.
Đồng bộ trạm gốc.

Hoạt động bất đồng bộ.

Tốc độ chip.

3.84Mcps.

Độ dài khung .

10ms.

Ghép dịch vụ.

Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ
khác nhau được ghép trên một kết nối.

Đa tốc độ.

Hệ số trải phổ khả biến và đa mã.


Tách sóng.

Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa


tiêu.

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA
Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có
những đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những đặc điểm chủ yếu trong hệ
thống WCDMA là :
 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải
thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2
sang thế hệ thứ 3.
 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đại
trên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.
 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.
 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộ
giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều mơi trường. Hỗ trợ một cách
có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ơ có bậc. Sử dụng kỷ thuật tiến
bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mơ hình TDD được thiết kế để hoạt
động hiệu quả trong môi trường không kết hợp.
 Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất
vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô
tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là tính
năng khơng thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào. Điều khiển
công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hồn hảo, đặc biệt ở mơi trường
trong nhà và mơi trường ngồi trời có tốc độ thấp.
Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là một

trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA.
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA
Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp. Song, trong thực tế điều đó là khơng thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị
thay đổi trong suốt q trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thành
phần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…
WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó. Sau đây là
mơ hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa.


Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa
Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ
thuật xử lý đó là: mã hố kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong đồ án này ta sẽ
đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.
1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA
Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệ
thống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêm
trọng. Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMA
băng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập
.Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading
đa đường khơng thể loại trừ hồn tồn được vì với các hiện tượng fading xảy ra
một cách liên tục đó thì bộ điều chế khơng thể xử lí tín hiệu thu một cách độc lập
được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3 loại phân tập là theo
tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách .Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử
dụng việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất
cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Hệ thống



CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng
báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh
hưởng đến băng tần báo hiệu(200-300kHz). Nhưng với một băng tần rộng thì fading
ít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn .Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền thường
đạt được theo 3 phương pháp sau:
-Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động với
2 hoặc nhiều trạm gốc BTS.
-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét
thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.
-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng).
Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thống
TDMA và FDMA. Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ
thống số có tốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo tần
số có thể dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA.
Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.
Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có
bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theo
mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được. Fading có thể xuất
hiện ở các đường tín hiệu thu nhưng khơng có sự tương quan giữa các đường tín
hiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading đồng
thời giữa cá đường tín hiệu thu được.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống
thông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di
động.
Các kỹ thuật phân tập:
 Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những
khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu,
như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều
thời điểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời gian
trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất.

 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và
sóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận.
Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền cùng
một tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khác
nhau.


 Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng
ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để
truyền hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băng
thông của hệ thống.
Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệ
thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di động. Cuối chương là
phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến.
Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và
thời gian.


CHƯƠNG 2
PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN
2.1 Giới thiệu
Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính đó là nhiễu
fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ thu 2
chiều (2-D) có thể giảm được các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu được trên
cả hai miền khơng gian và thời gian. Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền khơng gian là
tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, cịn xử lý tín hiệu trên miền thời
gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian. Việc kết hợp 2 kỹ
thuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại bộ thu. Tuy bộ thu
2-D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền không gian và thời gian

song điều này địi hỏi phải có cấp độ tính tốn phức tạp . Trong chương này chúng
ta sẽ giới thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín hiệu trong miền khơng gian
và thời gian.
Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng
cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từ
những địa điểm khác nhau, mỗi th bao sẽ có một thơng tin khơng gian duy nhất
liên quan tới th bao đó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính khơng gian
của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này được thực hiện bởi bộ
Beamformer .Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ
thống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung lượng
của hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa cochannel.
2.2 Anten Mảng
Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí
khác nhau trong không gian mảng .Các anten thành phần này có thể được sắp xếp
theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là
mảng đường ,mảng trịn hay mảng phẳng . Mảng đường và mảng tròn là trường hợp
đặc biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc
phát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten , vào
biên độ và pha của tín hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát
xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc khơng gian của mảng và tín hiệu đến
mảng [3] .Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng. Nếu