báo cáo bài tập lớn đề tài các loại kênh fading

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.36 MB, 15 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

<b>TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

Báo cáo bài tập lớn

<b>Các loại kênh Fading</b>

Sinh viên thực hiện: <small>NGUYỄN QUỐC MINH (20193017)NGƠ ĐỒN DUY LONG (20192968)</small>

Giảng viên hướng dẫn : TS.Trần Ngọc Tuấn

Hà Nội, 1/2024

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Lời nói đầu</b>

Trong thời đại cơng nghệ thơng tin phát triển, việc kết nối không dây giữacác thiết bị ngày càng trở nên quan trọng. Với sự ra đời của các công nghệ mớinhư 5G,6G,... trong một khoảng thời gian ngắn, thông tin vô tuyến đã cho thấysự phát triển vượt bậc cũng như các ứng dụng phong phú của nó trong lĩnh vựcĐiện tử - Viễn thơng. Để có thể bắt kịp những công nghệ mới, ngành thông tinvô tuyến phải nỗ lực không ngừng để nâng cao chất lượng, giảm thiểu chi phí,...và muốn đạt được điều đó, trước hết ta cần hiểu về mơ hình kênh truyền vơtuyến và các yếu tố ảnh hưởng tới tín hiệu khi truyền trong kênh truyền vôtuyến.

Một trong những ảnh hưởng tới chất lượng truyền phải kể đến là hiện tượngFading . Vì vậy trong nhóm em chọn đề tài tìm hiểu về các lọai Fading làm chủđề bài tập lớn .

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Mục lục</b>

<b>Chương 1 : Tìm hiểu về các loại Fading...4</b>

<b>1.1Fading là gì ?...4</b>

<b>1.2Phân loại Fading...5</b>

1.2.1 Fading do che khuất...5

1.2.2 Fading phẳng...5

1.2.3 Fading phụ thuộc tần số...6

1.2.4 Fading nhanh ( fast fading) và Fading chậm (slow fading)...7

<b>Chương 2 : Một số cách khắc phục...7</b>

2.1 Sử dụng anten đa hướng :...8

2.2 Tăng công suất phát :...9

2.3 Sử dụng kỹ thuật mã hóa tín hiệu :...10

2.4 Fading do che khuất...10

2.5 Fading phẳng, fading phụ thuộc tần số :...11

2.6 Fading nhanh/chậm :...11

<b>Chương 3 Mô phỏng...12</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>Chương 1 : Tìm hiểu về các loại Fading</b>

<b>1.1 Fading là gì ?</b>

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối vớicác hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn.

Đặc tuyến truyền dẫn không chỉ xác định bởi suy hao. Sự mất mát hay suyhao quan sát được cũng có thể dao động phụ thuộc vào không gian và thờigian. Khi một tín hiệu từ anten phát nó bị phản xạ, tán xạ, khúc xạ và nhiễuxạ bởi những cấu trúc khác nhau trên kênh truyền (Arre 1973, Jake 1974,Gupt 1985, Fleu 1996, Hamm 1998, Stee 1999). Chúng ta cũng có thể quansát rằng sự suy hao do truyền dẫn dao động xung quanh giá trị trung bình.Khía cạnh này của tín hiệu suy hao do truyền dẫn, ở đó tín hiệu thu được mấtđi những đặc điểm biết trước của mình và trở thành tín hiệu ngẫu nhiên theokhơng gian và thời gian, được mơ tả là fading. Nói cách khác fading là qtrình mơ tả sự dao động của tín hiệu thu khi tín hiệu đến được anten thu.Fading có thể được miêu tả do những nguyên nhân cơ bản (đa đường hay làDopler), sự phân bố của đường bao tín hiệu thu được (Rayleigh, Rician hoặcLognormal), khoảng thời gian fading (long term hoặc short term) cũng nhưfast fading so với low fading (Turi 1972, Stei 1987).

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như: Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

 Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù…sự hấp thụ này phụ thuộc vào dải tần số công tác đặc biệt là dải tần cao(>10GHz).

 Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ khơng khí.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

 Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề mặtnước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đâycũng là một yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường.

 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyềnlan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểmthu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theonhiều đường.

Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động.

<b>1.2 Phân loại Fading.</b>

Tùy thuộc vào các suy giảm khác nhau liên quan đến kênh và vị trí của máyphát/máy thu sau đây là các loại suy giảm tín hiệu trong hệ thống truyềnthơng khơng dây:

- Fading quy mô lớn : bao gồm các hiệu ứng mất đường truyền và fading doche khuất

- Fading quy mô nhỏ : được chia thành hai loại chính : trễ đa đường vàdoppler. Trải trễ đa đường còn được chia thành Fading phẳng và Fading phụthuộc tần số. Doppler được chia thành Fading nhanh và Fading chậm.

<i><b>1.2.1 Fading do che khuất</b></i>

Xảy ra khi tín hiệu bị chặn hoặc suy giảm do chướng ngại vật, chẳng hạn nhưtòa nhà, cây cối hoặc đồi núi.

• Nó phụ thuộc vào vị trí địa lý cũng như tần số vơ tuyến của sóng EM (Điệntừ).

<b>Nguyên nhân dẫn đến Fading phẳng: </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>-Fading phẳng do truyền dẫn đa đường : hình thành do phản xạ tại các</b>

chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đôtrường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn .Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), sự biến thiên của đọkhúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kếtquả của nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băngtín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua vàfading đa đường được xem là fading phẳng . Đối với fading đa đường, việc thựchiện được đánh giá bằng đo cơng suất tín hiệu thu được tại một tần số trongbăng tín hiệu. Đặc trưng thống kê của fading phẳng đa đường là phân bố thờigian fading vượt quá một mức nào đó.

<b>-Fading phẳng do hấp thụ : Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán</b>

xạ do mưa, tuyết, sưong mù.hay các phần tử khác tổn tại trong môi trườngtruyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm. Nói chung hiện tượngfading này thay đổi phụ thuộc vào thời gian . Ảnh hưởng của flat fading tácđộng lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tínhtốn độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng hơn (các tần số trong băng tầnđều bị tác động như nhau thì chỉ việc tăng thêm phát cho tất cả băng tần. Thực tếthì có bộ gọi là tự động điều chỉnh độ lợi-AGC (Auto Gain Control) sẽ điềuchỉnh mức bù nhiễu này).

<i><b>1.2.3 Fading phụ thuộc tần số</b></i>

Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thơng của kênh truyền. Do đóhệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh)sẽ chịu nhiều tác động của selective fading.

Nói chung là đối tồn bộ băng thơng kênh truyền thì nó ảnh hưởng khơngđều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại nàychủ yếu do fading đa đường gây ra.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự -ISI. Selectivefading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) làkhác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể.

<i><b>1.2.4 Fading nhanh ( fast fading) và Fading chậm (slow fading).</b></i>

<b>Fading nhanh hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự</b>

chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bịdịch tần đi 1 lượng ∆ so với tần số phát tương ứng . <small>f</small>

<b>Fading chậm : do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa</b>

nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó cịn gọi làhiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên mộtkhoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự khơng ổn định cường độ tínhiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứngnày gọi là Fading chậm (slow fading).

Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễutại anten thu.

<b>Chương 2 : Một số cách khắc phục</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Fading có thể gây ra hiệu suất kém trong hệ thống truyền thơng vì nó có thểdẫn đến mất cơng suất tín hiệu mà khơng làm giảm cơng suất nhiễu. Sự mất tínhiệu này có thể vượt q một phần hoặc tồn bộ băng thơng tín hiệu. Fadingcũng có thể là một vấn đề vì nó thay đổi theo thời gian: hệ thống thông tin liênlạc thường được thiết kế để thích ứng với những suy giảm đó, nhưng Fading cóthể thay đổi nhanh hơn khả năng thích ứng. Trong những trường hợp như vậy,xác suất xảy ra hiện tượng mờ dần (và các lỗi bit liên quan khi tỷ lệ tín hiệu trênnhiễu giảm xuống) trên kênh sẽ trở thành yếu tố hạn chế về hiệu suất của liênkết.

Tác động của pha đinh có thể được khắc phục bằng cách sử dụng tính phântập để truyền tín hiệu qua nhiều kênh có pha đinh độc lập và kết hợp chúng mộtcách mạch lạc tại máy thu. Khi đó, xác suất xảy ra hiện tượng mờ dần trongkênh tổng hợp này tỷ lệ thuận với xác suất mà tất cả các kênh thành phần đồngthời trải qua hiện tượng mờ dần, một sự kiện khó xảy ra hơn nhiều.

Sự đa dạng có thể đạt được về mặt thời gian, tần suất hoặc không gian. Cáckỹ thuật phổ biến được sử dụng để khắc phục hiện tượng mờ dần tín hiệu baogồm:

- đa dạng hóa truyền và nhận : phân tập - MIMO

- Điều chế song mang : tiêu biểu là OFDM - Trải phổ tín hiệu

- Sử dụng mã sửa lỗi- Tính tốn dự trữ fading- …

<b>2.1 Sử dụng anten đa hướng : </b>

Là một trong những phương pháp chống fading trong truyền thông khôngdây. Anten đa hướng được sử dụng để giảm thiểu hiện tượng fading và tăngcường khả năng thu sóng trong mơi trường truyền thơng khơng ổn định.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Anten đa hướng có cơng dụng là phát sóng và thu sóng tín hiệu từ nhiềuhướng khác nhau, giúp cải thiện độ phủ sóng và độ ổn định của tín hiệu. Khi tínhiệu gặp phải fading, tức là sự mất mát hoặc biến đổi không đều đặn của tín hiệukhi đi qua mơi trường truyền thơng, anten đa hướng có thể giảm thiểu hiệntượng này bằng cách tăng cường sự nhạy bén và đa hướng của anten.

Cách sử dụng anten đa hướng để giảm thiểu fading là đặt các anten ở vị trí vàhướng khác nhau. Bằng cách này, tín hiệu gửi đi từ một anten có thể được thusóng bởi các anten khác, tăng cường khả năng nhận diện và tái tạo tín hiệu banđầu. Điều này giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm thiểu hiện tượng mấtmát tín hiệu do fading.

Sử dụng anten đa hướng là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu hiệntượng fading trong truyền thông không dây. Bằng cách cải thiện độ phủ sóng vàđộ ổn định của tín hiệu, anten đa hướng giúp tăng cường kết nối và cải thiện trảinghiệm người dùng trong các môi trường truyền thông không ổn định.

Tăng công suất phát là một trong các phương pháp chống fading trong truyềnthông không dây. Hiện tượng fading xảy ra khi tín hiệu truyền khơng đều và gâyra sự suy giảm tín hiệu đến người nhận. Tăng cơng suất phát giúp đối phó vớihiện tượng này bằng cách gia tăng cường độ tín hiệu truyền đi.

Để tăng cơng suất phát, có một số cách thực hiện như sau:

- Sử dụng bộ khuếch đại công suất (power amplifier): Bộ khuếch đại côngsuất là một thiết bị dùng để tăng cường cơng suất của tín hiệu truyền đi. Bằngcách sử dụng bộ khuếch đại cơng suất, tín hiệu truyền sẽ được gia tăng cường độvà có thể vượt qua hiện tượng fading.

- Sử dụng anten có độ tăng (high-gain antenna): Anten có độ tăng cao giúptăng cơng suất truyền đi. Điều này có nghĩa là tín hiệu truyền đi được tập trungvào một hướng cụ thể và có thể vượt qua hiện tượng fading trong một phạm vilớn hơn.

- Sử dụng các kỹ thuật khác nhau của viễn thông không dây: Có nhiều kỹthuật như kỹ thuật MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) hoặc kỹ thuật đa

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

đường tín hiệu (multipath signal) có thể được sử dụng để tăng cơng suất phát vàgiảm thiểu hiện tượng fading.

Tăng công suất phát là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu hiện tượngfading trong truyền thông không dây. Tuy nhiên, việc tăng công suất cần đượcthực hiện cẩn thận để tránh gây nhiễu động và tiêu thụ năng lượng quá cao.

<b>2.3 Sử dụng kỹ thuật mã hóa tín hiệu : </b>

Là một trong những phương pháp hiệu quả để ổn định tín hiệu trong mơitrường có fading. Kỹ thuật mã hóa tín hiệu giúp bảo vệ thông tin truyền đi vàgiảm thiểu tác động của nhiễu sóng và hiện tượng fading.

Mã hóa tín hiệu là q trình biến đổi tín hiệu gốc thành một dạng tín hiệukhác, khó hiểu và khơng thể dễ dàng bị nhiễu sóng hay biến dạng. Khi tín hiệuđược mã hóa, nó sẽ trở nên khó hiểu và chỉ có thể được giải mã bởi một bộ giảimã đúng. Điều này giúp bảo mật thông tin và ngăn chặn tác động của hiện tượngfading lên tín hiệu.

Cách sử dụng kỹ thuật mã hóa tín hiệu trong mơi trường có fading là thựchiện q trình mã hóa tại nguồn tín hiệu trước khi truyền đi. Tín hiệu đã mã hóasẽ được truyền đi thơng qua kênh truyền thơng có mơi trường có fading. Tạiđiểm đích, tín hiệu nhận được sẽ được giải mã để khơi phục lại tín hiệu gốc banđầu.

Việc sử dụng kỹ thuật mã hóa tín hiệu trong mơi trường có fading có nhiềulợi ích. Đầu tiên, nó giúp tăng cường bảo mật thông tin, đảm bảo rằng thơng tinchỉ được truyền đến người nhận đích mong muốn. Thứ hai, nó giúp giảm thiểutác động của hiện tượng fading lên tín hiệu, đảm bảo rằng tín hiệu nhận được ổnđịnh và chất lượng cao.

Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật mã hóa tín hiệu cũng có một số hạn chế.Việc mã hóa và giải mã tín hiệu địi hỏi sự phức tạp và tốn thời gian xử lý. Đồngthời, kỹ thuật mã hóa tín hiệu cũng khơng thể ngăn chặn hoàn toàn tác động củafading, nhưng chỉ giảm thiểu nó.

Tóm lại, sử dụng kỹ thuật mã hóa tín hiệu là một phương pháp hiệu quả đểổn định tín hiệu trong mơi trường có fading. Nó giúp bảo vệ thông tin truyền đi

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

và giảm thiểu tác động của nhiễu sóng và hiện tượng fading. Tuy nhiên, việc sửdụng kỹ thuật này cần xem xét đến sự phức tạp và thời gian xử lý.

<b>2.4 Fading do che khuất</b>

- Thay đổi vị trí anten : Đặt anten ở vị trí cao hơn có thể giảm thiểu tác độngcủa che khuất, đặt anten ở vị trí có tầm nhìn rộng và ít vật cản.

- Sử dụng anten định hướng : giúp làm giảm ảnh hưởng từ vật cản.

- Công nghệ Multiple Input Multiple Output (MIMO) sử dụng nhiều anten đểcải thiện đồng thời cả chất lượng và tốc độ truyền tải dữ liệu trong điều kiện khókhăn.

- Sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu (signal booster) để tăng cường độ mạnh củatín hiệu.

<b>2.5 Fading phẳng, fading phụ thuộc tần số : </b>

-Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gâynên); Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đađường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máythu RAKE, có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnhhưởng của multipath propagation).

-Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (cái của nợ này ngàynay được ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trongtruyền hình số mặt đất DVB-T…)

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

– Dự trữ fading nhanh (Multipath Fading Margin)

Cái này có rắc rối hơn đơi chút. Với các hệ thống băng hẹp như GSM (tốc độdữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độthấp) thì multipath fading xem được là flat-fading. Khi đó dự trữ fading nhanhcó thể xác định được theo phân bố của mức fading nhanh. Với các mơi trườngkhác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hayRicean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh), trong đó kênh Rayleigh làkênh tồi nhất, rất hay gặp trong môi trường macro khu vực đơ thị. Do vậy, khitính tốn thiết kế vơ tuyến (tính tốn phủ sóng) người ta thường tính với trườnghợp xấu nhất là với kênh Rayleigh. Pdf (Probability Density Function – hàm mậtđộ xác suất) Rayleigh của biến ngẫu nhiên là mức fading nhanh cũng hoàn tồnxác định được nếu có được độ lệch qn phương zigma của nó. Cái này (zigma)cũng phải xác định bằng đo lường (driving-test). Từ đó ta có thể xác định đượcđộ dự trữ fading nhanh để bảo đảm xác suất rớt cuộc gọi do fading nhanh gây rathấp dưới một mức nào đó, cũng thường là 1%.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">