cong nghe truyen thong vo tuyen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

ThS. HOÀNG QUANG TRUNG

CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

TẬP BÀI GIẢNG

(Lưu hành nội bộ)

THÁI NGUYÊN - 2012

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1. Giới thiệu

Các mạng vô tuyến di động truyền thống được xây dựng trên cơ sở khái

niệm tế bào (cellular), bằng cách này có thể đáp ứng tốt về kiến trúc. Trong đó các

thiết bị di động thông tin với các điểm truy nhập giống (như các trạm cơ sở) được

nối với mạng cố định. Mạng vô tuyến được phân loại theo 3 kiểu tương ứng theo

vùng phủ sóng đó là: (1) mạng vô tuyến nội bộ (WLAN, Wi-Fi/IEEE 802.11), mạng

này có thể cung cấp truy nhập internet tốc độ cao nhưng bị giới hạn về vị trí cũng

như khoảng cách; (2) các mạng vô tuyến tế bào, có thể cho phép truy nhập ở phạm

vi toàn cầu nhưng bị giới hạn về tốc độ; (3) các mạng vô tuyến đô thị (như

WiMAX/ IEEE 802.16) và mạng vô tuyến diện rộng như mạng thế hệ thứ 3.

Sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây

là rất nhanh, tập trung vào việc cải tiến các giao thức và môi trường truyền dẫn, bởi

vậy người dùng được đáp ứng yêu cầu dịch vụ mọi lúc, mọi nơi.

Hình 1.1. Phân lớp mạng vô tuyến

Mạng WiFi

Thuật ngữ WiFi ám chỉ sự hợp nhất các tiêu chuẩn 802.11, 802.11a,b,g trên

thiết bị truyền thông vô tuyến để hình thành mạng WMAN. Có nghĩa là cho phép

các nhà sản xuất khác nhau chế tạo thiết bị truyền thông IEEE 802.11 WLAN tương

tác được với nhau.

Bảng 1: Các tiêu chuẩn IEEE 802.11

Tiêu chuẩn 802.16

Xu hướng phát triển mạng di động tế bào

Hình 1.2. Lộ trình phát trển mạng di động

Công nghệ truyền thông vô tuyến không ngừng phát triển và cũng đã đạt

được những thành tựu đáng kể. Ngày nay, các mạng WLANs (Wireless Local Area

Networks) đã đạt được tốc độ 10 Mbit/s đến 100 Mbit/s. Tuy nhiên, với tốc độ trên

vẫn có thể không đáp ứng được khi đối mặt với việc đòi hỏi tốc độ truy cập dữ liệu

ngày càng cao do nội dung truyền thông trở nên đa dạng. Đặc biệt là sự cạnh tranh

với những mạng LAN (hữu tuyến) với công nghệ xDSL (đường dây thuê bao số) và

mạng cáp quang. Các tiến bộ khoa học gần đây đã minh chứng rằng để nâng cao

chất lượng truyền thông vô tuyến thì không chỉ tận dụng các tài nguyên về thời gian

(phân tập thời gian), tài nguyên về tần số (phân tập tần số) mà còn có thể sử dụng

nguồn tài nguyên lớn đó là không gian.

1.2. Kênh thông tin vô tuyến

1.2.1. Kênh tạp âm AWGN

Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện

trong hệ thống. Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm khả năng tách chính xác của các

tín hiệu phát và vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp âm được tạo ra từ

nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hai loại chính là nhân tạo và

tự nhiên. Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay

các phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiện trong các mạch hay linh

kiện điện tử, xáo động khí quyển hay các nguồn thiên hà. Thiết kế các mạch điện,

thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ hoặc giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng của các

tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay sử dụng các phương pháp lọc.

Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể loại bỏ là tạp âm nhiệt. Tạp âm

nhiệt xuất hiện do chuyển động của các điện tử ở trong tất cả các linh kiện điện tử

như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện khác. Sự chuyển động ngẫu nhiên

và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo định lý

giới hạn trung tâm. Vì vậy, tạp âm nhiệt có thể mô tả như một quá trình ngẫu nhiên

Gauss có giá trị trung bình bằng không. Ví dụ về tạp âm Gauss với giá trị trung bình

0 và phương sai

2 σ =1

được miêu tả ở hình 1.2.

Hình 1.2: Mô tả tạp âm Gauss.

Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá trình

ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau [1]:

( )

2

2

1

exp

2 2

n

x

p x

σ π σ

 

= − ÷  

(1.1)

Hình vẽ 1.3 bểu diễn hàm PDF Gauss với giá trị trung bình bằng không

( µ = 0)

và độ lệch chuẩn (standard deviation).

Hình 1.3: Hàm mật độ xác suất Gauss với

2 σ =1

.

Tạp âm trắng: Một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt là mật độ phổ tần số

của nó như nhau tại mọi tần số. Tức là, nó là nguồn tạp âm phát ra một lượng công

suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng:

( ) [ W/Hz]

2

o

n

N

G f =

(1.2)

như mô tả ở hình 1.4(a) dưới đây. Hệ số trong công thức trên chỉ thị rằng

( ) G f

n

là

một hàm mật độ phổ công suất 2 phía còn

No

thì được gọi là mật độ phổ công suất

tạp âm. Tạp âm với công suất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng

(white noise).

Hình 1.4: Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng.

Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của mật

độ phổ công suất tạp âm cho bởi:

( ) { ( )} ( ) ( )

( ) ( )

1 2 1.3

1.4

2

j f

n n n

o

R G f G f e df

N

π τ

τ

δ τ

∞

−

−∞

= ℑ =

=

∫

Như vậy, hàm tự tương quan của tạp âm trắng là một hàm xung delta tại

τ = 0

được nhân với trọng số

2 No

. Để ý rằng

( ) 0 Rn

τ =

với mọi

τ ≠ 0

nên bất kỳ hai

mẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với nhau bất kể chúng

gần nhau đến mức nào. Do tạp âm nhiệt được cộng với tín hiệu nên nó còn được gọi

là tạp âm cộng (additive noise). Tổng hợp các đặc tính của tạp âm nhiệt ở trên

chúng ta có thể tóm tắt lại rằng tạp âm nhiệt trong các hệ thống thông tin là tạp âm

Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White Gaussian Noise).

1.2.2. Kênh pha-đinh đa đường

Hình vẽ 1.5 mô tả một đường liên lạc giữa anten trạm gốc (BS: Base Station)

và anten trạm di động (MS: Mobile Station). Xung quanh MS có nhiều vật phản xạ

như nhà, cây, đồi núi, ... trong khi xung quanh BS lại có rất ít hoặc không có các vật

phản xạ do anten trạm BS được đặt trên cao. Các vật phản xạ này được gọi chung là

vật tán xạ. Liên lạc giữa BS và MS thông qua nhiều đường (path), mỗi đường chịu

một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu đến máy thu là tín hiệu tổng hợp từ tất cả các

đường này. Do các đường có biên độ, pha và độ trễ khác nhau, nên tín hiệu truyền

qua các đường có thể kết hợp với nhau một cách có lợi hoặc không có lợi, tạo nên

một sóng đứng ngẫu nhiên. Hiện tượng này được gọi là truyền sóng pha-đinh đa

đường. Kênh truyền sóng kiểu này được gọi là kênh pha-đinh đa đường.

Hình 1.5: Mô hình truyền sóng đa đường.

1.2.2.1. Mô hình toán học của pha-đinh

Tín hiệu vô tuyến luôn là tín hiệu băng thông (bandpass) và có băng tần hẹp

(narrowband). Tín hiệu băng thông phát đi

s t( )

tại tần số sóng mang

c

f

với đường

bao phức được biểu diễn như sau:

( ) ( )

2 c

j f t s t s t e π

= ℜ    %

(1.5)

Trong đó

ℜ ×[ ]

biểu diễn phép toán lấy phần thực.

Đặt độ dài của đường

l

là

l

x

và ký hiệu c là tốc độ ánh sáng thì thời gian

truyền sóng từ BS tới MS là

l

x c

. Giả sử độ suy hao của đường

l

là

l

a

, thì tín hiệu

thu được tại MS không tính đến tạp âm là:

( )

l

l

l

x

r t a s t

c

 

= −  ÷   ∑

(1.6)

Thế (1.5) vào (1.6) chúng ta có:

( ) ( )

( )

2

2

1.7

1.8

l

c

l

c

x

j f t

l c

l

l

x

j f t

l c

l

l

x

r t a s t e

c

x

a s t e

c

π

π

   ÷ −

 

   ÷ −

 

    = ℜ −    ÷    

  = ℜ −  ÷  

∑

∑

%

%

Viết lại

r t( )

dưới dạng:

( ) ( )

( ) ( )

2

2

2

1.9

1.10

l

c

c

c

x

j f l j f t c

l

l

j f t

x

r t a s t e e

c

r t e

π

π

π

  −   = ℜ −    ÷    

= ℜ   

∑ %

%

Trong đó thành phần đường bao tín hiệu thu:

( ) ( ) ( )

2

1.11 c l j f

l l

l

r t a s t e π τ

τ

− % % = − ∑

được gọi là tín hiệu băng tần gốc tương đương của

r t( )

, còn

l

l

x

c

τ =

là thời

gian trễ của đường thứ

l

.

1.2.2.2. Ảnh hưởng do chuyển động của MS

Khi MS chuyển động với tốc độ

v

, độ dài đường truyền sóng thứ

l

thay đổi.

Nếu góc tới của tia thứ

l

so với hướng chuyển động là

φl

thì độ dài của tuyến thay

đổi như là một hàm của tốc độ

v

và thời gian t là:

( ) l

os l ∆ ≈ − × × x v c t φ

(1.14)

Như vậy, đường bao phức của tín hiệu thu là:

( )

( ) ( )

2

cos

2 2 cos

l l

c

l l

c c

x x j f

c l l

l

l

x v t

j f j f l c c l

l

l

x x

r t a e s t

c

x v t

a e e s t

c c

π

φ

π π φ

+∆

−

× ×

−

  + ∆

= −  ÷  

  × ×

= − +  ÷  

∑

∑

% %

%

(1.15)

Do sự thay đổi độ trễ tín hiệu

cos( ) l

v t c × × φ

là rất nhỏ so với thang thời gian

của tín hiệu điều chế

s t %( )

nên chúng ta có thể bỏ qua chúng. Như vậy, nếu đặt:

( )

2

1.16 c l j f

l l a e

π τ α

−

=

chúng ta có thể viết lại

r t %( )

ở dạng rút gọn sau:

( )

( )

( )

2 cos l

v

j t

l l

l

r t e s t

π φ

α τ

λ

× % % = − ∑

(1.17)

Với

λ

là bước sóng của sóng mang. Hay:

( )

( )

( )

2 cos D l j f t

l l

l

r t e s t π φ

α τ

× × % % = × × − ∑

(1.19)