Kênh truyền sóng vô tuyến trong thông tin di động

đáp ứng xung kim. PDP được xác định như sau: ( ) ( ) − = τ = ρ δ τ − τ∑ l l l L p 1 2 0 (3.18) Thông số đầu tiên là công suất thu (chuẩn hóa), là tổng công suất của các tia: = ρ∑ l l p 20 (3.19) Thừa số K là tỷ số của công suất đường truyền vượt trội và công suất của các tia tán xạ, được xác định như sau: , ax 0 , ax , p ρ= ρ ρ−ρ l l l ll m m K ,maxtrong ®ã = max{ } (3.20) Lưu ý rằng khi có tia đi thẳng, tia vượt trội là tia đầu tiên và là tia đi thẳng, tương ứng với l=0, ρl,max= ρ0 tại τ0=0. Thông số thứ hai là trải trễ trung bình quân phương, στ, là môment bậc hai của PDP chuẩn hóa, được biểu diễn như sau: τσ = τ − τ22 (3.21) trong đó / − = τ = τ ρ∑ l l l m L m p 1 2 0 0 , m=1,2 Vì pha của các tia không còn nữa, các thông số kênh phải hầu như không đổi trong diện hẹp, với điều kiện là các đường truyền hoàn toàn phân giải. Rõ ràng rằng biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo nên mô hình kênh miền thời gian. Quy luật phân bố của biên độ, pha và mô hình lý lịch trễ công suất cho kênh trong nhà như sau: - Các pha của các đường truyền độc lập tương hỗ so với nhau (không tương quan) và có phân bố đều trong khoảng [-π, π]. - Nếu ta coi rằng tất cả các đường truyền đều có thể được tạo ra từ cùng một quá trình thống kê và rằng quá trình tạo đường truyền này là quá trình dừng nghĩa rộng so với biến t, thì biên độ của các dường truyền tán xạ sẽ tuân theo phân bố Rayleigh (được xác định theo công thức 3.12) và PDF biên độ của tất cả các đường truyền (gồm cả LOS) sẽ tuân theo phân bố Rice (xác định theo công thức 3.15). - Hình 3.8 biểu diễn mô hình của lý lịch trễ công suất trung bình (PDP: Power Delay Profile) cho một kênh vô tuyến đa đường. Đường đầu tiên là LOS có công suất cao nhất. Sau đó là các đường có mức công suất không đổi cho đến trễ trội mà sau đó các đường có công suất giảm tuyến tính theo dB. Ta có thể biểu diến PDP này theo dB như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) S lg ( ) , ( oS) lg ( ) lg ( ) , lg ( ) ( ), ρ τ = ρ τ = ρ − Δ < τ < τ ρ τ − τ − τ τ ≥ τ ⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩ LO L Z ®o¹ nmøc kh«ng ® i) ®o¹ n gi¶m tuyÕn tÝnh) ( ( 2 2 2 1 2 1 1 1 10 0 0 10 10 0 0 10 æ (3.22) 56 trong đó ρ(0) biểu thị cho biên độ tín hiệu đi thẳng, ρ(τ) biểu thị biên độ của tín hiệu truyền theo đường đến máy thu tại trễ τ, ΔLOS biểu thị hiệu số giữa công suất tín hiệu đi thẳng với công suất tín hiệu của phần mức không đổi và Z là độ dốccủa phần giảm tuyến tính trong PDP. Nếu sử dụng quan hệ nói trên cho phân bố Rice, ta có thể nhận được công suất/biên độ của tín hiệu di thẳng từ thừa số K trong công thức (3.20) và biên độ tín hiệu của các đường còn lại theo quan hệ này. LOSΔ τ1 Hình 3.8. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình. 3.9.2. Mô hình kênh trong miền tần số. Mô hình kênh trong miền tần số được trình bầy ở dạng phổ công suất (DPS: Delay Power Spectrum). DPS trong trường hợp này biểu diễn hàm truyền đạt kênh. Mô hình này nhận được trên cơ sở áp dụng chuyển đổi Fourier cho đáp ứng xung của kênh (xem công thức 3.23)). Quá trình này cũng chứng tỏ rằng tán thời của kênh dẫn đến kênh mang tính chọn lọc tần số như đã nói ở phần 3.6 và 3.7. Sử dụng biến đổi Fourier cho đáp ứng xung kênh, ta được: †[ ( ) ( )]( ; ) ( ; ) ( ) ∞ − − π τ +θ− π τ =−∞ = τ τ = ρ∑∫ ll l L j f t tj fH f t h t e d t e 1 22 0 (3.23) trong đó ( )( )( ; ) ( ) ( )θτ = ρ δ τ − τ∑ ii ti i i h t t e t mô tả đáp ứng xung kim trong miền thời gian. Quan hệ giữa công suất tại trễ τ (ký hiệu là φh(τ)) với đáp ứng xung kim kênh được xác định như sau: 2[ h ( ) ]( ) τφ τ =h E (3.24) Ta coi rằng DPS (Delay Power Spectrum: Phổ công suất trễ) có dạng như PDP (Power Delay Profile: Lý lịch trễ công suất), vì thế ta có thể sử dụng một công thức để biểu diễn cả hai mô hình này. Ta định nghĩa : 57 ( ) ( ) ( ) , , ( ) , γ τ−τ δ τ τ τ⎩ h p e 1 1 1 0 0 0 0 0 (3.25) Trong đó p(0)=|h(0)|2 biểu thị công suất thành phần sóng đi thẳng (LOS), ∏ biểu thị thành phần không đổi của mật độ phổ công suất, γ biểu thị mũ giảm và được xác định như sau lnγ = z 10 10 , z đo bằng dB/ns biểu thị cho độ dốc phần giảm tuyến tính của PDF. Ta định nghĩa công suất thu chuẩn hóa (NRP: Normalized Received Power) là tỷ số giữa công suất thu và công suất phát như sau: NRP = PR/PT (3.26) Trong đó PR ký hiệu cho công suất thu còn PT ký hiệu cho công suất phát. Từ φh(τ) định nghĩa theo (3.24), ta có thể rút ra các biểu thức liên quan đến NRP, thừa số K và trải trễ trung bình quân phương στ như sau: (3.27) (3.28) (3.29) (3.40) (3.41) 3.10 ẢNH HƯỞNG CỦA THỪA SỐ K KÊNH RICE VÀ TRẢI TRỄ LÊN CÁC THUỘC TÍNH KÊNH TRONG MIỀN TẦN SỐ Trong mô hình kênh miền tần số, ba thông số {NPR, K,στ} đủ để mô tả tính cách băng rộng của các kênh phađinh Rice thực tế. Để thích ứng các thông số điều chế dựa trên các thống số kênh, ta cần biết biết ảnh hưởng của các thông số kênh nói trên lên hiệu năng kênh. Hình 3.9 và hình 3.10 cho thấy các thuộc tính kênh trong miền tần số phụ thuộc và trải trễ (RDS) và thừa số K dựa trên các kết quả mô phỏng. Cả hai mô hình miền tần số và miền thời gian 58 đều được mô phỏng và các kết quả mô phỏng của chung đều như nhau (xem hình 3.9 và 3.10). Trên hình 3.9, ta giả thiết rằng K bằng 0dB còn trên hình 3.10 ta giả thiết rằng RDS bằng 42,1ns. Hình 3.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS. a) nhìn từ trên xuống, b) nhìn từ bên. Hình 3.9 cho thấy rằng trải trễ cao hơn dẫn đến thay đổi biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số nhanh hơn. Điều này cho thấy rằng ta cần ấn định nhiều sóng mang con hơn cho hệ thống OFDM khi trải phổ lớn hơn. Từ hình 3.10 ta nhận thấy rằng khi thừa số K giảm, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số bị phađinh nhanh hơn. Khi thừa số K lớn, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số ít bị phađinh hơn nhiều. Nói một cách khác khi thừa số K lớn, ta không có thể cần ấn định băng thông sóng mang nhỏ ngay cả khi trải trễ lớn. Tuy nhiên ta cần biết tại thừa số K nào ảnh hưởng trải trễ đối với thiết kế băng thông sóng mang con có thể bỏ qua. Để xác định điều này ta xét kết quả mô phỏng trên hình 3.11 B iê n độ |H (f )| [d B ] B iê n độ |H (f )| [d B ] K [dB] Tần số [MHz] K [dB] Tần số [MHz] Hình 3.10. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số. Hình 3.11 biểu thị hàm truyền đạt biên độ kênh theo tần số đối với RDS bằng 30ns và thừa số K bằng 0dB, 6dB và 15dB. Hình này cho thấy rằng thừa số K lớn dẫn đến biên độ kênh bị 59 phađinh nhanh hơn trong miền tần số. Đối với K=0dB, phađinh biên độ có thể đạt đến 12 dB tại một tần số nào đó, đối với K=10dB, biên độ phađinh nhỏ hơn 2,2dB trên toàn băng tần và đối với K=15dB, phađinh chỉ giới hạn ở 1dB trên toàn băng tần. Vậy ta có thể kết luận rằng Khi K lớn hơn 10dB biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số không bị pha đinh nhiều vì thế ta không cần đặt băng thông sóng mang con theo trải trễ mặc dù biên độ này phađinh nhanh hơn khi trải trễ lớn. Bi ªn ® é H (f) [d B] Bi ªn ® é H (f) [d B] Bi ªn ® é H (f) [d B] Bi ªn ® é H (f) [d B] Hình 3.11. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau. Từ các phân tích trên ta có thể kết luận ảnh hưởng của thừa số K và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số như sau: - Trải trễ ảnh hưởng lên tốc độ thay đổi biên trong hàm truyền đạt kênh miền tần số. Trải trễ càng cao thì tốc độ thay đổi biên trong miền tần số càng lớn - Thừa số K xác định độ lớn của thay đổi biên hàm truyền đạt kênh miền tần số. K càng lớn thì thay đổi biên càng nhỏ. - Khi thừa số K nhỏ hơn 10 dB, để chống phađinh chọn lọc tần số, ta cần ấn định băng thông sóng mang con nhỏ hơn cho OFDM khi trải trễ lớn hơn. 60 3.11 TỔNG KẾT Chương này đã xét các đặc tính kênh. Theo truyền thống, các kênh được phân loại thành các kênh phađinh phạm vi rộng và các kênh phađinh phạm vi hẹp. Phađinh phạm vi rộng chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảng cách xa (vài km). Phađinh phạm vi hẹp biểu thị ảnh hưởng truyền dẫn đa đường. Khi thiết kế điều chế thích ứng, ta xét các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian như cho ở bảng 3.2. Đặc tính kênh trong miền không gian liên quan đến tổn hao đường truyền phạm vi rộng và thăng giáng ngẫu nhiên phạm vi hẹp do truyền đa đường. Thăng giáng ngẫu nhiên khi khoảng cách thay đổi ít (vào khoảng bước sóng) dẫn đến phân tập không gian (phađinh chọn lọc không gian). Việc phađinh chọn lọc không gian mang tính ngẫu nhiên và khó lập mô hình dẫn đến tình trạng không rõ ràng khi thiết kế hệ thống và khó tăng cường chất lượng hệ thống. Tuy nhiên công nghệ truyền dẫn MIMO (Multiple Input Multiple Output) cho phép giải quyết vấn đề này. MIMO có thể chuyển bất lợi của truyền sóng đa đường thành có lợi. Bảng 3.2. Các đặc tính kênh của ba miền Miền không gian Miền tần số Miền thời gian Thông số d; Thăng giáng ngẫu nhiên BD; cB τ ≈ σ 1 50 c D T B ≈ 1 στ Nhược điểm Chọn lọc không gian Chọn lọc tần số Chọn lọc thời gian Giải pháp MIMO OFDM Thích ứng Mục đích Lợi dụng đa đường Phađinh phẳng (T≥στ) Phađinh chậm (BS>>BD) Chú thích d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple Output; BD: trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán của kênh xét cho trường hợp tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; στ: trải trễ trung bình quân phương; TC: thời gian nhất quán của kênh; BS: độ rộng băng tín hiệu phát Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng nhất quán (xem bảng 3.2). Các thông số kênh miền thời gian là thời gian nhất quán và trải trễ trung bình quân phương. Trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối giữa MS và BTS. Các thông số này có thể dẫn đến phađinh chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) trong miền thời gian vì trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian nhất quán của của kênh.Trải trễ xẩy ra do trễ đa đường. Độ rộng băng nhất quán của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bình quân phương. Vì thế trải trễ trung bình quân phương có thể dẫn đến phađinh chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) trong miền tần số. Chương này đã trình bầy ngắn gọn phân bố Raylegh và Rice. Các mô hình kênh trong miền tần số và thời gian đã được tổng kết từ các tài liệu tham khảo. Ngoài ra ta cũng chú trọng thuộc tính của kênh trong miền tần số. Chương này đã phân tích ảnh hưởng của một số thông số (thừa số K, trải trễ trung bình quân phương) lên hàm truyền đạt tần số của kênh. Trải trễ càng lớn 61 thì tốc độ biến thiên biên độ trong hàm truyền đạt kênh miền tần số càng lớn. Thừa số K xác định độ lớn biến thiên trong hàm truyền đạt kênh miền tần số. K càng lớn thì biến thiên càng nhỏ. 3.12 CÂU HỎI 1. Trình bày các ảnh hưởng truyền sóng trong môi trường vô tuyến di động. 2. Trình bày thuộc tính của kênh trong miền thời gian. 3. Trình bày thuộc tính của kênh trong miền không gian. 4. Trình bày thuộc tính của kênh trong miền tần số. 5. Trình bày mối quan hệ giữa các thông số trong các miền. 6. Phân loại pha đinh phạm vi hẹp 7. Trình bày mô hình kênh trong miền tần số. 8. Trình bày mô hình kênh trong miền tần số.