LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý thầy cô trong khoa ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG, Trường Đại Học BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG đã truyền đạt kiến thức và
tâm huyết trong suốt 5 năm qua cho em và các bạn, những khổ nhọc của thầy cô đã giúp
chúng em có kiến thức và trang bị tốt để làm người có ích cho xã hội và đất nước. Em xin
chân thành cảm ơn thầy TĂNG TẤN CHIẾN đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện tốt
nhất cho em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đồ án, em còn nhiều thiếu
sót và mắc lỗi, kính mong quý thầy cô chỉ bảo thêm.

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Võ Trần Quốc Đại

Trang 1


LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài tốt nghiệp “GIẢI PHÁP PHÂN TẬP ANTEN TRONG VIỆC CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG” được nghiên
cứu và tổng hợp rút ra từ các tài liệu tham khảo nội dung của đồ án này không phải là bản
sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ, thông tin trong các tài liệu tham khảo
trên có độ tin cậy cao và đã được chọn lọc kỹ. Em xin cam đoan trước.
Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Võ Trần Quốc Đại

Trang 3


MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang 4


BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT

BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT
A
AMPS

Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến
B

BS

Base Station

Trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Hệ thống trạm gốc


BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm vô tuyến gốc

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

C
CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập chia theo mã

E
EGC

Equal Gain Combining


Kết hợp độ lợi cân bằng

F
FDD

Frequency Division Duplex

Ghép kênh song công phân chia
Theo tần số

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FDMA

Frequence Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo tần

Access
FSK

Frequency Shift Keying

số
Khoá điều chế dịch tần


Trang 5


BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT
G
3G

3rd Generation Mobile

Công nghệ truyền thông thế hệ 3

Telecommunications
GSM

Global System Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communication

cầu

I
IMTS

Improved Mobile Telephone

Dịch vụ điện thoại di động


Service

cải tiến

M

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy cập

MIMO

Multi Input Multi Output

Mô hình nhiều đầu vào - nhiều
đầu ra

MS

Mobile Station

Trạm di động

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp theo tỉ số tối đa


P

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PSD

Power Spectral Density

Mật đổ phổ công suất

Trang 7


BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT
S
SC

Selection Combining


Kết hợp có chọn lọc

SISO

Single Input Single Output

Một đầu vào – một đầu ra

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp

T
TDMA

Time
Access

Division

Multiple

Đa

truy

cập


phân

chia

theo

thời gian

Trang 9


LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu về thông tin mọi lúc mọi nơi đang
ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu đơn giản về thông tin thoại hay điện báo
ban đầu,đến nay nhu cầu truy cập và trao đổi các nguồn thông tin đa phương tiện, hình
ảnh video chất lượng cao đang ngày càng trở nên bức thiết. Bên cạnh nhu cầu về tốc độ
truy cập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc, mọi nơi cũng là một yêu cầu không thể
thiếu. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng công
nghệ WCDMA (Wideband CodeDivision Multiple Access) kết hợp với giao thức truy
cập tốc độ cao HSPDA (High SpeedDownlink Protocol Access) cho phép download dữ
liệu với tốc độ lên tới 14.4 Mbps. Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyến
tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn là
một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa.
Một trong số các kỹ thuật giúp cải thiện đáng kể chất lượng và dung lượng của hệ
thống là kỹ thuật xử lý phân tập ăn ten. Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quả
phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động nói
riêng. Nhờ sử dụng nhiều phần tử ăn ten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu

hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo miền không gian tại máy thu phát.
Việc nghiên cứu và phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các sản phẩm hữu dụng
có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả năng xử lý, tính toán của các thiết
bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong các hệ thống thông tin di động hiện nay một
cách hiệu quả thực sự là vấn đề cấp thiết. Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ
mang lại hiệu quả to lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu
tốc độ cao cho các hệ thống thông tin di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng như
các hệ thống thông tin di động thế hệ mới.
Xuất phát từ ý tưởng đó nên em đã quyết định chọn đề tài: “ GIẢI PHÁP PHÂN
TẬP ANTEN TRONG VIỆC CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG
TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG “
Trang 10


LỜI MỞ ĐẦU
Nội dung trọng tâm của đồ án này là nghiên cứu, khảo sát các phương pháp phân tập
ăn ten được sử dụng rộng rãi hiện nay, qua đó đánh giá ưu nhược điểm, tính hiệu quả,
khả năng ứng dụng và mở rộng của từng phương pháp phân tập ăn ten đối với hệ thống
thông tin di động.
Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án là phân tích, mô phỏng để thấy được tính
hiệu quả của các phương pháp phân tập trong việc cải thiện chất lượng tuyến thông tin (di
động). Đồ án đã xây dựng được thuật toán - chương trình mô phỏng để thấy được sự cải
thiện hiệu suất, giảm lỗi khi áp dụng các phương pháp phân tập Ăn ten.
Nội dung đồ án gồm có 4 chương:
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
Chương này trình bày tổng quan về quá trình hình thành và phát triển của thông tin
di động và các thách thức hiện nay
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Chương này trình bày về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh vô tuyến và các
mô hình kênh cơ bản

CHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN
Chương này trình bày khái quát về kỹ thuật phân tập, sau đó đi sâu vào phân tích kỹ
thuật phân tập không gian (hay phân tập anten)
CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP
Chương này trình bày sơ đồ tiến trình mô phỏng và kết quả mô phỏng các phương
pháp phân tập anten. Sau đó so sánh các kết quả thu được, từ đó rút ra kết luận.

Trang 11


LỜI MỞ ĐẦU
Trong quá trình làm đề tài, em đã rất cố gắng song do kiến thức hạn chế nên không
thể tránh khỏi các thiếu sót. Em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp
đỡ của thầy cô, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG,
đặc biệt là thầy TĂNG TẤN CHIẾN đã hướng dẫn để em hoàn thành tốt đồ án này
Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Võ Trần Quốc Đại

Trang 12


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI
ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày các vấn đề sau:
•

•
•

Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Giới thiệu công nghệ LTE
Vấn đề nghiên cứu trong đồ án

1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Để công nghệ viễn thông có thể cạnh tranh,bắt kịp với công nghệ, nó là cần đảm bảo
công nghệ di động mới đang được xây dựng và phát triển .Lịch sử hệ thống thông tin di
động dành cho thương mại đã đi qua 3 giai đoạn 1G, 2G,3G và hệ thống 4G đang được
kiểm định.

Hình1.1 Sơ đồ quá trình phát triển của mạng di động.

Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng lõi
dựa trên TDM. Hệ thống truyền dẫn di động đầu tiên trên thế giới là hệ thống NMT
tương tự (Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu), được giới thiệu ở các quốc gia Bắc Âu
năm 1981 cùng thời điểm với AMPS tương tự (Hệ thống di động tiên tiến) được sử dụng
Trang 13


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
ở Mỹ. Các công nghệ tế bào khác đã triển khai rộng rãi trên thế giới là TACS và J-TACS.
Chúng có chung đặc điểm là thiết bị cồng kềnh, chất lượng thoại thường không ổn định,
“xuyên âm” giữa các người dùng là vấn đề phổ biến.
Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế 2G
nhấn mạnh đến tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền dẫn
tiếng số hóa trên vô tuyến. Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu đối với 2G. Các thí dụ
điển hình về hệ thống 2G là GSM và CDMAone (dựa trên tiêu chuẩn TIA IS95). Ở Châu

Âu, CEPT đã đề xướng dự án GSM để phát triển một hệ thống di động toàn Châu Âu.
Các hoạt động của GSM tiếp tục được thực hiện trong năm 1989 với ETSI. Sau khi tính
toán các đề xuất dựa trên TDMA, CDMA và FDMA giữa những năm 1980, chuẩn GSM
cuối cùng đã được xây dựng trên TDMA. Cùng lúc đó, việc phát triển chuẩn tế bào cũng
được TIA thực hiện ở Mỹ với chuẩn IS-54 dựa trên TDMA, sau này được gọi đơn giản là
US-TDMA. Tiếp sau đó, sự phát triển chuẩn CDMA đã được TIA hoàn thành trong năm
1993 với tên gọi là IS-95. Ở Nhật Bản, chuẩn TDMA 2G cũng được phát triển với tên gọi
là PDC . Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thông thấp”
như voice. Hệ thống 2G cũng mang lại cơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệu thông qua
mạng di động. Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên được giới thiệu trong 2G là tin nhăn văn bản
SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mail và các ứng dụng dữ
liệu khác. Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps. Các tốc độ cao hơn được
đưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian cho người dùng và thay đổi sơ đồ mã
hóa.Truyền dữ liệu thông qua hệ thống tế bào trở thành sự thật trong suốt nửa sau những
năm 1990 với GPRS được đưa ra trong GSM và dữ liệu gói cũng được đưa vào các công
nghệ tế bào khác như chuẩn PDC. Những công nghệ này thường được gọi là 2,5G. Sự
thành công của dịch vụ dữ liệu không dây iMode ở Nhật Bản là một dấu hiệu về khả năng
của các ứng dụng truyền gói trong hệ thống di động, mặc dù trong thời điểm đó tốc độ dữ
liệu còn rất thấp.
Sự xuất hiện của 3G và các giao diện vô tuyến băng tần cao hơn của UTRA mang
lại khả năng cho một loạt các dịch vụ mới chỉ được đề xuất ở 2G và 2,5G. Ngày nay, việc
Trang 14


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
phát triển truy nhập vô tuyến 3G được chuyển giao cho 3GPP. Tuy nhiên thì các bước
khởi tạo cho 3G đã được thực hiện từ đầu những năm 1990, trước khi 3GPP hình thành
một thời gian khá dài. Ở Châu Âu, 3G được đặt tên là UMTS. Đầu năm 1998, ETSI đã
lựa chọn WCDMA là công nghệ cho UMTS. WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao
diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia theo

thời gian. Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đến cuối
năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuấn từ các vùng khác
nhau trên thế giới : ARIB (Nhật), CCSA (Trung Quốc), ETSI (Châu Âu), ATIS (Mỹ),
TTA (Hàn Quốc) và TTC (Nhật).
Hiện nay hệ thống 3G đã được triển khai trên phạm vi toàn thế giới.Tuy nhiên chất
lượng của nó vẫn còn thấp.Do sự giới hạn của tốc độ chip nên băng thông của hệ thống
3G không cao lắm.Bên cạnh đó sự ảnh hưởng của kênh truyền pha đinh đa đường cũng
chính là nhược điểm của hệ thống này.
Hệ thống LTE ra đời là một cuộc cách mạng đối với ngành viễn thông.Sự thay đổi
hoàn toàn trong hệ thống 4G đã tạo ra cuộc cách mạng này.Với việc sử dụng OFDM đối
với downlink và SC-FDMA cho uplink và cả SDMA cho downlink trong hệ thống LTE
Advanced đã làm cho băng thông tăng lên khá lớn(100Mbps đối với người dùng di động
và 1Gbps đối với người dùng đứng yên). Ngoài ra hệ thống 4G còn hỗ trợ người dùng di
chuyển với tốc độ lên đến 500Km/h. Tuy nhiên hệ thống LTE sử dụng OFDM gặp rất
nhiều khó khăn trong việc triển khai cũng như trong các vấn đề kỹ thuật.Nhiễu giao thoa
liên kí tự hoàn toàn không là vấn đề đối với hệ thống OFDM nhưng bên cạnh đó còn có
nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và phát triển.Triển khai LTE trên nền tảng những hệ
thống trước đó cũng gặp nhiều khó khăn về giao tiếp.
1.3 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ
thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới.Để đảm bảo tính cạnh
tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác
định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term
Trang 15


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
Evolution.3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin,
cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn
giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết

bị đầu cuối.Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ
sớm ra mắt thị trường. Các mục tiêu của công nghệ này là:
-

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:
Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

-

Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1

MHz so với mạng HSDPA Rel. 6:
Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.
-

Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h. Vẫn

hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di
chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h thậm chí 500 km/h tùy băng tần
-

Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm

chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 – 100 km thì không hạn chế.
-

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz,

.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống.
Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.


Trang 16


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hình 1.2 Kiến trúc của mạng LTE
Để đạt được mục tiêu này,sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật
là kỹ thuật vô tuyến OFDMA,kỹ thuật anten MIMO,hệ thống thông tin đa chặng/phối
hợp ,…
1.4 Vấn đề nghiên cứu trong đồ án
Lưu lượng truy cập dữ liệu trong mạng di động đã vượt qua lưu lượng thoại từ
lâu và các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi tốc độ cao được giới thiệu mỗi ngày. Bởi vậy
phải cần có phương pháp điều chế hiệu quả va tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, thiết bị
đầu cuối di động nói chung là nhỏ, nhẹ, pin có dung lượng thấp, khi mà công nghệ ngày
càng phát triển nhưng công nghệ pin vẫn dậm chân tại chỗ. Ngoài ra còn có những ảnh
hưởng không mong muốn do kênh truyền vô tuyến gây ra. đặc biệt là Fading đa đường.
Fading gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng dịch vụ, băng thông và gây hao tổn năng lượng
. Trở ngại lớn nhất đối với thiết kế của hệ thống truyền thông không dây là bản chất của
kênh truyền. Các kênh vô tuyến là không cố định và thường bị nhiễu do tác động của
fading và các nhân tố khác. Các nguồn gây nhiễu có thể là tự nhiên (ví dụ như, nhiễu
nhiệt ở bên thu) hoặc nhân tạo, trong đó phổ biến nhất là do hiện tượng đa đường, hiện
tượng này tạo ra nhiều bản sao của tín hiệu đến bên thu vì vậy làm ảnh hưởng lớn đến tín
hiệu mong muốn..... Những hiệu ứng này có thể làm giảm đáng kể độ tin cậy, hiệu suất
của một hệ thống di động.Để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường trong hệ thống
Trang 17


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
thông tin di động trong đồ án này em trình bày các phương pháp phân tập anten để hạn

chế ảnh hưởng của fading đa đường.
1.5 Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày tổng quan quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
từ 1G đến 4G , giới thiệu về công nghệ LTE . Ngoài ra chương 1 cũng giới thiệu những
thách thức đặt ra cho hệ thống thông tin di động từ đó có những giải pháp khắc phục
nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống.Trong chương tiếp theo đồ án sẽ trình bày giới
thiệu tổng quan về kênh truyền vô tuyến.

Trang 18


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1 Giới thiệu chương
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ
bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày nay
đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại.
Nguồn tin

Kênh tin

Nhận tin

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một
trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi trường để
truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin về
kênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạng kênh truyền và
các mô hình kênh truyền cơ bản. Ngoài ra chương này còn giới thiệu khái quát về hệ

thống thông tin vô tuyến.
2.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến
Hình 2.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã
hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều
chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh
truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua
các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy
thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp

Trang 19


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
điều chế và mã hoá khác nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện
chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung.
Mô hình kênh
(Discrete channel)

Nguồn tin

Mã hoá nguồn
(Source coding)

Mã hoá kênh
(Channel coding)

{ ak }

{a }


Điều chế
(Modulation)

Kênh vô tuyến
(Channel)

,
k

Tín hiệu đích
(Destination)

Giải mã hoá nguồn
(Source decoding)

Giải mã hoá kênh
(Channel decoding)

Giải điều chế
(Demodulation)

Hình 2.2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

2.3 Kênh truyền vô tuyến
2.3.1 Giới thiệu
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín
hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là
ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không
hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản

trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng
này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản
khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin
vô tuyến. Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ
bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các
thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống.

Trang 20


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
Suy hao trên đường truyền (Path loss)
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến
máy thu. Trong không gian tự do, công suất trung bình giảm theo bình phương khoảng
cách truyền giữa trạm gốc (BS-Base Station) và trạm cuối (TS-Terminal Station). Trong
kênh truyền vô tuyến di động, thường không tồn tại đường truyền thẳng (LOS – Line of
Sight), công suất tín hiệu giảm theo các luỹ thừa bậc cao hơn, tiêu biểu là từ 3 đến 5. Sự
giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương
pháp điều khiển công suất.
2.3.2.2 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng,
các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ
xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được
gọi là fading chậm.
2.3.2.3 Nhiễu (Noise)
Nhiễu tồn tại trong kênh vật lý của tất cả các hệ thống thông tin, bao gồm thông
tin vô tuyến. Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại
máy thu và can nhiễu giữa các tế bào. Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ
thống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các

sóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Các nguồn
nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống. Tất
cả các loại nhiễu trên làm giảm chất lượng truyền dẫn trong thông tin vô tuyến. Do vậy
việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung
hòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng.
Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến được mô hình hóa chính
xác nhờ dùng nhiễu trắng Gauss.
Trang 21


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.3.2.4 Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao
giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu
luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là
sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ
các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa
đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của
các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn
nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi
phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể
bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập
khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện
tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía
thu bằng các bộ cân bằng.

Hình 2.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường

Trang 22



Trạm phát
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Hình 2.4: Hàm truyền đạt của kênh
2.3.2.5 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
như trình bày ở hình 2.4. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê
lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.

τ 1 (t )

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần
số Doppler của tuyến này là :

τv2 (t )

f D n = f 0 cos( α n )
c

(2.1)

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

Tuyến 2

fD,max=v/cfo

(2.2)

α1

Trang 23


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng
nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu
diễn như sau:
A

α yy ( j 2πf )

 f − f0
1 − 
 f max

0





2

f 0 − f D,max ≤ f ≤ f 0 + f D ,max

(2.3)

các trường hợp còn lại


Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 2.5
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm
1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả
thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f 0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được
ở chính xác trên tần số sóng màng f 0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là f D,max như
hình ở 2.5. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống.

Hình 2.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu

Trang 24


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.3.3 Các dạng kênh truyền
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:
−
−

Kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền Fading phẳng.
Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là kênh truyền biến đổi nhanh

(Fast Channel) hay kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền
biến đổi chậm (Slow Channel).
2.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền Fading phẳng (Frequency
Selective Channel và Flat Channel hay Frequency Nonselective Channel)
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần
số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số
này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 2.5 là f0.


Hình 2.6 Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 < W)
Trên hình 2.6, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng
thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không
cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi
chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh
truyền chọn lọc tần số .

Trang 25


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Hình 2.7 Kênh truyền fading phẳng (f0 > W)
Ngược lại, trên hình 2.7, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của
tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy
giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền
fading phẳng hoặc kênh truyền không chọn lọc tần số.
2.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian
(Time Selective Channel và Time Nonselective Channel)
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên
đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất
hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ,
tán xạ… Qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo
thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time.
Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có
thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với
coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian.
Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so

Trang 26


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian
hay phẳng về thời gian.
2.3.4 Hiện tượng fading
Fading là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ
thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn.

Hình 2.8: Hiện tượng fading đa đường
Các loại fading được chia ra:
•

Fading đa đường

•

Fading phẳng

•

Fading chọn lọc tần số

•

Fading nhanh

•


Fading chậm

Chúng được phân loại theo chu kỳ của tín hiệu và băng thông của tín hiệu dải nền như
sau:

Trang 27


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Hình 2.9: Phân loại fading theo chu kỳ và băng thông
2.3.4.1 Fading phẳng (Flat Fading)
Là loại fading là suy giảm đều mức năng lượng của sóng vô tuyến trên một dải tần
số. Và đương nhiên sự thay đổi này là không giống nhau đối với các dãi tần số khác.
Fading phẳng bù được nhờ tăng công suất phát (hoặc giảm cự ly liên lạc) hoặc sử
dụng AGC, có thể khắc phục dễ dàng nhờ AGC (Automatic Gain Control) và fading khi
đó không gây ra cái hiện tượng ISI do méo tuyến tính

Trang 28