Luận án Xử lý anten mảng theo không gian-Thời gian trong thông tin vô tuyến di động - Nguyễn Quang Hưng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ------- NGUYỄN QUANG HƯNG XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 -i- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ------- NGUYỄN QUANG HƯNG XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG Chuyên Ngành: Mạng và kênh thông tin liên lạc Mã số:2.07.14 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Đặng Đình Lâm 2. TS. Chu Ngọc Anh HÀ NỘI - 2006 -ii- Lời Cam Đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bản luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố ở đâu và trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Quang Hưng -iii- Lời Cảm Ơn! Tôi xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới TS. Đặng Đình Lâm và TS. Chu Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận án. Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và sự tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học của TS. Đặng Đình Lâm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Minh Dân vì những chỉ dẫn, định hướng quan trọng ngay từ khi xây dựng đề cương nghiên cứu. Các kết quả mang tính thực tiễn cao có được là nhờ sự giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm ở Hàn Quốc của TS. Phùng Văn Vận, TS. Nguyễn Kim Lan, TSKH. Nguyễn Ngọc San. Tôi cũng không thể không cảm ơn TS. Seung Chan Bang, TS. Byung Han Ryu và các bạn đồng nghiệp Won Ik Kim, Il Guy Kim tại Phòng thí nghiệm thông tin di động-Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) vì những giúp đỡ quí báu trong thời gian tôi thực tập tại đây. Xin cảm ơn Won ok Kwon- người bạn luôn có cảm tình đặc biệt với Việt Nam và vẫn liên tục giữ liên lạc với tôi trong mấy năm qua qua việc cung cấp tài liệu, trao đổi những thông tin về những phát triển khoa học công nghệ mới nhất trong lĩnh vực liên quan tại Viện ETRI. Cảm ơn TS. Danie van Wyk-Đại học Tổng hợp Nam Phi đã hỗ trợ để tôi có thể phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống W-CDMA từ phiên bản tuân theo tiêu chuẩn cũ của ông. Bên cạnh đó, sự sẵn sàng trao đổi, giúp đỡ của GS.TS. Hak Lim Ho- Đại học Tổng hợp Chon-An, Hàn Quốc cũng đã giúp tôi định hướng một cách rõ ràng hơn trong nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, tất cả gia đình, bạn bè, người thân đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành bản luận án này. -iv- Mục Lục Chữ Viết Tắt .......................................................................................... vii Mục lục Hình vẽ.....................................................................................ix Mục lục Bảng biểu................................................................................xii Mở Đầu....................................................................................................1 Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu .............................................4 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng ...... 4 1.1.1. Sự phát triển của kỹ thuật anten: ...................................................................................4 1.1.2. Tín hiệu trong miền thời gian, không gian ....................................................................6 1.2. Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động ...................... 9 1.2.1. Mô hình hệ thống không gian-thời gian ........................................................................9 1.2.2. Môi trường thông tin di động ......................................................................................14 1.2.3. Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian.........................................................21 1.2.4. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian...........................................23 1.3. Phân loại anten ................................................................................ 25 1.4. Đặt vấn đề nghiên cứu..................................................................... 27 Chương 2. Kỹ thuật xử lý đối với anten mảng.....................................31 2.1. Kỹ thuật phân tập............................................................................ 31 2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực đại ....................................................................................................36 2.1.2. Tăng ích phân tập ........................................................................................................41 2.1.3. Tăng ích anten .............................................................................................................42 2.1.4. Ảnh hưởng của tương quan nhánh ..............................................................................43 2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng..................................................................... 47 2.2.1. Chuyển búp sóng.........................................................................................................47 2.2.2. Tạo búp sóng thích nghi ..............................................................................................50 2.2.3. Các thuật toán thích nghi.............................................................................................55 -v- 2.3. Thuật toán tạo búp thích nghi có hỗ trợ của kênh hoa tiêu cho đường lên DS-CDMA ................................................................................ 59 2.3.1. Anten thông minh cho DS-CDMA..............................................................................59 2.3.2. Mô hình tín hiệu ..........................................................................................................61 2.3.3. Kết hợp theo không gian ở máy thu trạm gốc .............................................................64 2.4. Tổng kết chương .............................................................................. 67 Chương 3. Hiệu quả về dung lượng của anten thông minh đối với hệ thống GSM ............................................................................................68 3.1. Đánh giá hiệu quả về dung lượng khi sử dụng anten thông minh chuyển búp sóng......................................................................................... 68 3.2. Kết quả tính số ................................................................................. 72 3.2.1. Hiệu quả về dung lượng với hệ thống AMPS ............................................................72 3.2.2. Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống GSM ........................................................74 3.2.3. Đề xuất mẫu tái sử dụng tần số cho mạng GSM ở Việt Nam khi sử dụng anten thông minh .....................................................................................................................................76 3.3. Ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất tới việc tái sử dụng tần số ........................................................................................................... 77 3.3.1. Ảnh hưởng của sự che khuất .......................................................................................82 3.3.2. Các vùng nhiễu............................................................................................................83 3.3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nhiễu đồng kênh trong thực tế............................85 3.4. Hiệu quả về dung lượng của anten chuyển búp sóng với ảnh hưởng của che khuất và pha-đinh............................................................ 90 3.5. Tổng kết chương .............................................................................. 94 Chương 4. Phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W- CDMA....................................................................................................96 4.1. Hệ thống W-CDMA......................................................................... 96 4.1.1. Các đặc tính chủ yếu của W-CDMA...........................................................................97 -vi- 4.1.2. Kênh vật lý đường lên .................................................................................................98 4.1.3. Kênh vật lý đường xuống ..........................................................................................100 4.1.4. Môi trường mô phỏng W-CDMA .............................................................................102 4.2. Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập cho hệ thống W- CDMA ....................................................................................................... 107 4.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật tạo búp sóng...................................................................................107 4.2.2. Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập thu ...................................................................................112 4.2.3. Đề xuất phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W-CDMA .................115 4.3. Kết quả mô phỏng ......................................................................... 117 4.4. Đo kiểm hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA 119 4.4.1. Giới thiệu hệ thống thử nghiệm.................................................................................119 4.4.2. Anten mảng thông minh ............................................................................................120 4.4.3. Cấu hình hệ thống và điều kiện đo ............................................................................122 4.4.4. Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm ...............................................................129 4.5. Xử lý kết quả đo kiểm và so sánh với kết quả mô phỏng .......... 131 4.6. Tổng kết chương ............................................................................ 133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................134 Kết luận..................................................................................................... 134 Hướng phát triển tiếp theo: .................................................................... 135 Bài báo, Công trình đã công bố..........................................................136 Tài liệu tham khảo ..............................................................................138 Tiếng Việt.................................................................................................. 138 Tiếng Anh ................................................................................................. 139 -vii- Chữ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ABF AMPS AWGN BER BLER BPSK cdf CIR CNR DIV DPCH DPCCH DPDCH DS FDD GSM LMS LOS MIMO MRC pdf RF rms SIR SIRtarget Adaptive beam-forming Advanced Mobile Phone System Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Block Error Rate Binary Phase Shift Keying Cumulative Distribution Function Carrier-to-Interference Ratio Carrier-to-Noise Ratio Diversity Dedicated Physical Channel Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Direct Sequence Frequency Division Duplex Global System for Mobile Communications Least Mean Square Line Of Sight Multiple-Input Multiple-Output Maximum Ratio Combiner probability density function Radio Frequency Root Mean Square Signal-to-Interference Ratio Signal-to-Interference Ratio Target Tạo búp sóng thích nghi Hệ thống điện thoại di động AMPS Tạp Gauss Trắng Cộng Tỉ lệ Lỗi Bít Tỉ lệ lỗi khối Khoá Chuyển Pha Nhị phân Hàm Phân bố Tích luỹ Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu Tỉ số công suất sóng mang trên tạp Phân tập Kênh vật lý dành riêng Kênh điều khiển vật lý dành riêng Kênh dữ liệu vật lý dành riêng Chuỗi trải phổ trực tiếp Song công phân tần Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trung bình Bình phương Nhỏ nhất Nhìn thẳng Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra Bộ kết hợp Tỉ lệ Cực đại Hàm mật độ xác suất Cao tần / Tần số vô tuyến Căn Trung bình Bình phương (Căn quân phương) Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đích (được -viii- SNR TCP TDD TDMA TDTD UE UMTS W-CDMA Signal-to-Noise Ratio Trasmission Control Protocol Time Division Duplex Time Division Multiple Access Time Division Transmit Diversity User Equipment Universal Mobile Telecommunications System Wideband Code Division Multiple Access đặt trước trong phép đo) Tỉ số tín hiệu trên tạp Giao thức điều khiển truyền Song công phân thời Đa truy nhập phân thời Phân tập phát theo thời gian Thiết bị đầu cuối Hệ thống thông tin di động UMTS 3G sử dụng W-CDMA CDMA băng rộng -ix- Mục lục Hình vẽ Hình Trang Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử thu trong môi trường tán xạ. Hình 1.3. Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông minh Hình 1.4. Phân loại anten thông minh Hình 2.1. Anten mảng phân tập M phần tử Hình 2.2. Hàm phân bố tích luỹ của γs so với γs/Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại. Hình 2.3. BER so với ‹γ› = MГ khi M thay đổi Hình 2.4. Hai phần tử với các tín hiệu tương quan Hình 2.5. Ảnh hưởng của tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu ra ở bộ kết hợp tỉ lệ cực đại phân tập kép. Hình 2.6. BER so với ‹γ› (dB) của bộ kết hợp tỉ lệ cực đại 2 nhánh có pha- đinh tương quan Hình 2.7. Anten mảng thích nghi Hình 3.1. Mẫu tái sử dụng tần số trong thông tin di động Hình 3.2. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=7. Hình 3.3. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. Hình 3.4. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. Hình 3.5. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. 8 11 14 27 34 40 42 45 46 47 53 69 73 74 75 75 -x- Hình 3.6. Thay đổi CIR khi hệ số tái sử dụng tần số giảm từ 4 xuống 1 (__: N=4, -x-: N=3, -o-: N=1) Hình 3.7. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=3. Hình 3.8. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=3. Hình 3.9. Vùng có nhiễu và không nhiễu (a) không có pha-đinh (b) có pha-đinh và che khuất. Hình 3.10. Xác suất mất liên lạc khi có pha-đinh và che khuất Hình 3.11. Ranh giới vùng nhiễu với các xác suất nhiễu khác nhau khi có pha-đinh và che khuất Hình 3.12. Xác suất nhiễu đồng kênh, với i cho trước, theo Zd. Hình 3.13. Chỉ ra một điểm của xác suất rớt cuội gọi với sáu ô đồng kênh cho m=1,6 và 12 búp và dσ =6 và 12 dB. Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn Zd (hình trái) và Ne theo m (hình phải) (với ζ=0,7, n=4,5, Pout=1%, σd=6dB, qd=22 dB) Hình 3.15. Hàm hiệu suất phổ tương đối theo số búp sóng (với ζ=0,7, n=4,5, Pout=1%, σd=6dB, qd=22 dB) Hình 4.1. Cấu trúc khung của kênh DPDCH/DPCCH đường lên Hình 4.2. Cấu trúc khung của kênh DPCH đường xuống Hình 4.3. Sơ đồ khối tổng thể đường lên Hình 4.4. Sơ đồ khối tổng thể đường xuống Hình 4.5. Giao diện chính của phần mềm mô phỏng Hình 4.6. Giao diện để thiết lập các tham số mô phỏng Hình 4.7. Kết quả mô phỏng đối với phân tập MD = 4 anten, hệ thống tạo búp MB = 4 anten và hệ thống phối hợp cả phân tập và tạo búp ở môi trường không nhìn thẳng Hình 4.8. Cấu hình hệ thống anten thông minh Hình 4.9. Anten mảng 76 77 77 80 82 84 89 92 92 94 99 102 103 104 105 106 118 120 121 -xi- Hình 4.10. Hệ thống anten thông minh thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu ETRI Hình 4.11. Cấu hình hệ thống anten thông minh cho W-CDMA sử dụng trong đo kiểm Hình 4.12. Cạc kênh của bộ tạo búp sóng thích nghi (hỗ trợ 3 séc-tơ x 8 anten) Hình 4.13. Mẫu búp sóng cố định đường xuống Hình 4.14. Dạng búp sóng đường xuống (chuyển mạch búp sóng) và đường lên (búp sóng thích nghi) Hình 4.15. Kết quả đo kiểm SNR trên Testbed theo giá trị SIRtarget đặt trước Hình 4.16. Kết quả đo kiểm BLER cho ABF 8-anten và DIV 2-anten Hình 4.17. Tỉ lệ lỗi bít BER đo được với ABF 8-anten và DIV 2-anten 123 124 125 128 129 130 130 132 -xii- Mục lục Bảng biểu Bảng Trang Bảng 4.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của W-CDMA Bảng 4.2. Các tham số đầu vào để đánh giá chỉ tiêu BER 97 117 -1- Mở Đầu Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và cả ở Việt Nam. Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết. Một trong số các kỹ thuật để có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu và dụng lượng của hệ thống đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. 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 tổ ong nói riêng. Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát.[16,17,19, 28, 36] Việc tiếp tục nghiên cứu 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 có một cách hiệu quả thực sự là vấn đề cấp thiết. Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất 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. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu kỹ thuật xử lý không-gian thời gian bằng anten thông minh cho thông tin di động với các trường hợp cụ thể anten thông minh cho mạng GSM ở Việt Nam và các hệ thống CDMA. -2- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết những vấn đề sau: - Nghiên cứu thuật toán tạo búp thích nghi có độ phức tạp tính toán thấp nhưng tốc độ hội tụ cao để phù hợp với khả năng của thiết bị thực tế. - Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong hệ thống GSM có tính đến các điều kiện cụ thể của hệ thống GSM ở Việt Nam để đề xuất phương án ứng dụng, triển khai nhằm sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả, có xem xét, đánh giá ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất. - Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống anten thông minh cho W-CDMA, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000. Phương pháp nghiên cứu được thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng chương trình máy tính để đánh giá kết quả: Với hệ thống GSM, có tính đến các tham số và điều kiện đặc thù của mạng lưới hiện đang triển khai ở Việt Nam; Với đề xuất cho hệ thống W-CDMA, kết quả đo kiểm thực hiện trên hệ thống thử nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy. Nội dung luận án bao gồm 4 Chương. Sau phần Mở đầu, Chương 1 trình bày tổng quan về kỹ thuật xử lý mảng theo không gian-thời gian và đặt vấn đề nghiên cứu. Chương 2 đi sâu vào phân tích các anten mảng nhiều phần tử được sử dụng trong thông tin di động với hai kỹ thuật phân tập và tạo búp. Chương này cũng đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thích nghi kết hợp cả kênh hoa tiêu và lưu lượng cho hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp. Chương 3 đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong các hệ thống thông tin di động tổ ong, đề xuất sử dụng cho hệ thống GSM ở Việt Nam có xem xét đến ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất. Trên cơ sở nhận xét về những hạn chế của hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho W- CDMA, qua phân tích các đặc tính của kỹ thuật phân tập và tạo búp trong môi trường pha-đinh và nhiễu đa truy nhập, Chương 4 đã đề xuất sử dụng kỹ -3- thuật phối hợp cho chép đạt được ưu điểm của cả hai kỹ thuật phân tập và tạo búp cho hệ thống W-CDMA. Kết quả đo kiểm được thực hiện trên hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA tại Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) để đánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất. Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tập trung vào những kết quả mới đạt được của luận án. -4- Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 1.1.1. Sự phát triển của kỹ thuật anten: Sóng vô tuyến được phát minh ra vào năm 1861 khi Maxell (Đại học Hoàng Gia Luân đôn) đưa ra lý thuyết sóng điện từ. Hertz (Đại học Karlsruhe) đã chứng minh sự tồn tại của sóng này bằng thực nghiệm vào năm 1887 bằng sóng đứng (tĩnh). Năm 1890 Branly (Paris) đã xây dựng một “bộ nhất quán” có thể phát hiện sự có mặt của sóng điện từ bằng một cái chai thuỷ tinh chứa kim loại. Bộ nhất quán này sau đó được tiếp tục phát triển bởi Lodge (Anh). Mùa hè 1895, Marconi đã sử dụng máy phát của Hertz, bộ nhất quán của Lodge và lắp thêm anten để tạo ra một máy phát vô tuyến đầu tiên... Ứng dụng dân dụng đầu tiên của kỹ thuật vô tuyến là hệ thống điện thoại vô tuyến 2MHz vào năm 1921 trong ngành Cảnh sát. Những hệ thông được phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin của Bell ở tần số 150MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T (1946); Khái niệm celllular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970); Vào những năm 1990s: các hệ thống thông tin đi tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… ra đời và phát triển một cách mạnh mẽ [34,36]. Kỹ thuật anten được sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến cũng có sự phát triển như sau: - 1880- tới những năm1890: Hertz, Marconi, Popov đã thiết kế được các anten có tần số hoạt động và băng thông tốt hơn . - Những năm 1900: anten định hướng được sử dụng đã cho phép liên lạc qua biển Atlantic - 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu. -5- - Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda được phát minh đã đem lại tăng ích và băng thông tốt hơn. - Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa - Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu và triệt nhiễu bằng các bộ xử lý tín hiệu số trong quân sự [29]. Việc sử dụng anten nhiều phần tử ở máy thu trong thông tin vô tuyến mở ra một chiều mới trong xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho phép cải thiện chỉ tiêu hệ thống. Tuy nhiên, đến trước những năm 1990, vấn đề được phát triển chủ yếu với anten mảng mới chỉ là kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới) [16]. - Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp cả miền không gian và thời gian) [29, 38] + 1996: Anten nhiều phần tử được sử dụng ở trạm gốc để hỗ trợ nhiều người dùng trên cùng kênh + 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến bằng cách sử dụng anten nhiều phần tử ở cả máy phát và máy thu. Ý tưởng này tiếp tục được phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu một cuộc cách mạng về lý thuyết truyền thông [25, 28]. - Từ những năm 2000: Kỹ thuật thu-phát không gian-thời gian được tập trung nghiên cứu và phát triển [19, 20] Có thể thấy rằng, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian với mảng (dàn) anten nhiều phần tử ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân sự từ khá lâu, nhưng do tính chất thay đổi liên tục của môi trường truyền sóng thông tin di động trong khi khả năng xử lý theo thời gian thực của máy thu phát còn nhiều hạn chế mà kỹ thuật này mới thực sự được nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây [17, 29, 36, 38, 55]. Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu -6- hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát, nhờ đó cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong [19]. 1.1.2. Tín hiệu trong miền thời gian, không gian 1.1.2.1. Biểu diễn tín hiệu theo thời gian Tín hiệu thực s(t) có biến đổi Fourier là S(f). Phép biến đổi Fourier này thoả mãn biểu thức đối xứng sau: S(f) = SH(-f) (1.1) Nếu nói tín hiệu là thực, nghĩa là ta chỉ xét các tần số dương. Gọi z(t) là đường bao phức của tín hiệu thực s(t), và Z(f) là biến đổi Fourier của z(t)[16]. Đường bao phức cho tần số fc nào đó (tần số sóng mang) được xác định trong miền Fourier là: Z(f-fc) = 2u(f)S(f) (1.2) trong đó hàm bước đơn vị được định nghĩa là:   < ≥= 0 0 0 1 )( f f fu Tín hiệu s(t) là thực và có phổ bằng: )( 2 1)( 2 1)( c H c ffZffZfS −−+−= (1.3) Tín hiệu thực s(t) có thể viết là: { }tfj cetzts π2)(Re)( = (1.4) Ký hiệu phần thực và phần ảo của z(t) tương ứng là x(t) và y(t), z(t) = x(t) + jy(t) (1.5) Kết hợp với phương trình (1.4) ta có: s(t) = x(t)cos2πfct - y(t)sin2πfct (1.6) 1.1.2.2. Biểu diễn tín hiệu theo không gian-thời gian Tín hiệu có thêm chiều không gian (không gian-thời gian) được biểu diễn [27, 38]: -7- s(t,x,y,z) = s(t,r) (1.7) trong đó r biểu diễn 3 biến không gian (x,y,z) Trong hệ toạ độ cầu: x = rsinφcosθ, y = rsinφsinθ, z = rcosθ, r = 222 zyx ++ , θ=cos-1     + 22 yx x (1.8) φ=cos-1     ++ 222 zyx z Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian Với hệ có m phần tử anten: tín hiệu theo không gian-thời gian có thể viết bằng tổng các tính hiệu thành phần như sau: s(t,r)=∑ = m k krts 1 ),( (1.9) 1.1.2.3. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu Với những biểu diễn tín hiệu như trình bày ở trên rõ ràng là ngoài kỹ thuật xử lý tín hiệu theo thời gian kinh điển, tín hiệu có thể được xử lý theo chiều không gian, hoặc cả không gian và thời gian. [16] Kỹ thuật xử lý chỉ theo miền không gian được dùng để đánh giá tín hiệu, ví dụ như các đáp ứng máy thu và tần số theo không gian, hướng tới (phương pháp hợp lý cực đại - ML (1964), phân loại nhiều tín hiệu - MUSIC (1980), x y z r φ θ -8- Đánh giá các tham số tín hiệu bằng kỹ thuật quay bất biến - ESPRIT (1985)), séc-tơ hoá vùng phủ trạm gốc (chia thành nhiều vùng phủ có hướng tới khác nhau) [49]. Các mô hình không gian được sử dụng do những nguyên nhân chính sau: - Không biết thông tin về tín hiệu phát. Mô hình không gian áp dụng cho rất nhiều tín hiệu khác nhau và cho phép đánh giá vết không gian mà thậm chí không cần biết tính chất thời gian của tín hiệu phát chẳng hạn như: chuỗi huấn luyện đã biết, hằng số theo khối, chuỗi mã đã biết... Khi đánh giá được vết không gian, có thể đánh giá được tín hiệu phát. Tức là, nhiều tín hiệu có thể được đánh giá và phân biệt khi được bù tần số ở máy phát và máy thu, mà không cần giải điều chế và đồng bộ. Nếu kết hợp được một mô hình không gian với các đặc trưng thời gian thì ta có thể cải thiện được việc đánh giá kênh và vết không gian nói trên. - Bằng mô hình không gian, ta có thể tính toán được các tham số vật lý của đường truyền. Những tham số xác định được qua đường lên (vd: vị trí người sử dụng) có thể được sử dụng cho đường xuống và các phần khác của hệ thống. Ví dụ: ở chế độ song công theo tần số - FDD (đường lên và đường xuống sử dụng tần số khác nhau), vị trí của máy phát là tham số không phụ thuộc vào tần số, nếu vị trí này được xác định nhờ quan sát ở đường lên thì đường xuống có thể phát chỉ theo hướng vị trí đó để giảm thiểu nhiễu. - Phân tích đường truyền: Bằng cách sử dụng các mô hình không gian dựa trên số liệu đo kiểm, ta có thể biết thêm về môi trường truyền sóng vô tuyến để sử dụng cho việc thiết kế các hệ thống vô tuyến khác. Hạn chế của mô hình không gian trong việc đánh giá tín hiệu là chỉ tiêu của phương pháp sử dụng mô hình này phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình, trong khi luôn có sự chênh lệch giữa mô hình và hệ thống thực -9- tế và anten mảng phải được định cỡ (điều chỉnh) để mô hình không gian này đúng với hệ thống thực. Nếu kết hợp được một mô hình không gian với các đặc trưng thời gian thì việc đánh giá kênh và vết không gian có thể được cải thiện. Kỹ thuật xử lý tín hiệu được thực hiện theo cả miền không gian và thời gian được gọi là xử lý không gian-thời gian. 1.2. Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động 1.2.1. Mô hình hệ thống không gian-thời gian Kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong. Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát. Các kỹ thuật phổ biến đã biết như anten dẻ quạt (séc-tơ hoá) (xử lý không gian), phân tập (xử lý không gian-thời gian) và anten mảng tạo búp sóng (xử lý không gian-thời gian) có thể được xem như những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian-thời gian. Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thể được xem như bộ xử lý không gian-thời gian. Các bộ xử lý không gian-thời gian tiên tiến hơn bao gồm cả bộ tách đa người sử dụng, mã hóa không gian-thời gian,… sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. Để đơn giản hoá việc phân tích hệ thống xử lý không gian-thời gian, ta cần có một mô hình cơ bản về hệ thống thông tin bao gồm việc xác định các đầu vào, đầu ra và kênh của hệ thống. Hệ thống xử lý không gian-thời gian tổng quát có nhiều phần tử anten được sử dụng tại cả máy phát và máy thu (mô hình Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra: MIMO). Mô hình này có đặc điểm là tín hiệu mong muốn có nhiều đầu vào kênh thông tin (các anten phát) cũng như nhiều đầu ra (các anten thu). Một hệ thống MIMO có thể được xem như -10- hệ ghép nhiều kênh con một đầu vào / một đầu ra (SISO), dung lượng kênh của hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần. Dung lượng hệ thống MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích đặc trưng của các kênh con SISO. Xét Mô hình hệ thống thông tin với N anten phát và M anten thu hoạt động tại một tần số không lựa chọn, môi trường pha-đinh Rayleigh, như trong Hình 1.2. Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử thu trong môi trường tán xạ. Đường bao phức của véc-tơ tín hiệu phát là TN tststst )](),...,(),([)( 21=s và của tín hiệu thu là TM trtrtrt )](),...,(),([)( 21=r , trong đó chỉ số T là toán tử chuyển vị; Biến thời gian t được giả thiết là rời rạc; Không phụ thuộc vào giá trị N, tổng công suất máy phát là hằng số Pt. Giả sử véc-tơ tín hiệu phát bao gồm N thành phần công suất bằng nhau, độc lập thống kê sao cho Nt H T NPttE Iss )/()]()([ = , trong đó IN là ma trận đơn vị NN × và ET(.) là kỳ vọng trên toàn bộ thời gian xét nhỏ hơn nhiều lần so với nghịch đảo của tốc độ pha-đinh. 1 2 3 N Tx 1 2 M Rx h11 h12 h1M hN1 -11- Giả thiết công suất của các phần tử phát là bằng nhau bởi vì máy phát không bị ảnh hưởng bởi các tính năng biến đổi của kênh vô tuyến và các phần tử anten được xem là giống hệt nhau; Công suất trung bình tại đầu ra của mỗi phần tử là Pr ; Tín hiệu nhận được còn bao gồm véc-tơ tạp Gauss trắng cộng AWGN, v(t), với các thành phần độc lập thống kê có công suất là 2σ . Tỉ số công suất sóng mang trên tạp (CNR) tại mỗi nhánh là 2/σrPΓ = , phụ thuộc vào M. Ma trận đáp ứng xung kênh g(t) có M hàng và N cột. Biến đổi Fourier của g(t) là G(f). Với giả thiết băng hẹp, các phần tử của G(f) là hằng số trên toàn băng đang xét, đại lượng f có thể được loại ra. Ngoại trừ g(0), g(t) là ma trận '0'. Ma trận đáp ứng xung kênh chuẩn hoá là h(t) với biến đổi Fourier là H, với sự chuẩn hoá theo HG tr PP = sao cho )(/)( tPPt tr hg = . Chú ý rằng tỉ số tr P/P là hệ số suy hao trường do suy hao đường trong không gian tự do. Ma trận hàm truyền của kênh được chuẩn hoá sao cho 1>=H< 2 mn , trong đó dấu ngoặc đơn là toán tử kỳ vọng theo thời gian, tỉ lệ nghịch với tốc độ pha-đinh. Ma trận H được giả thiết là được đo tại máy thu. Do đó, trong hầu hết trường hợp, máy phát không thể biết trước được ma trận kênh, trừ khi kênh vô tuyến có tính chất thuận nghịch - các đặc tính ở đường xuống và đường lên là tương tự nhau như trong trường hợp hệ thống song công theo thời gian (TDD), tần số đường lên và đường xuống là giống nhau. Hệ thống MIMO tổng quát thường vẫn chưa được sử dụng trong thực tế, mà người ta thường xét một số cấu hình khác sử dụng một anten tại máy di động và nhiều anten tại trạm gốc. Các mô hình này có thể được sử dụng cho trường hợp một người dùng hoặc nhiều người dùng. Trạm gốc có thể sử dụng kỹ thuật tạo búp hoặc phân tập. Tại máy phát, dữ liệu người dùng có thể được mã hoá sử dụng kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian, trước khi điều chế và -12- được phát qua anten MT. Khi xem xét máy phát tại đầu cuối di động, số luồng dữ liệu bằng 1, trong đó số luồng dữ liệu được mã hoá và được ghép vào anten phát và K là số người sử dụng tại trạm gốc. Máy thu của người sử dụng thứ k sẽ phải khôi phục được tín hiệu gốc từ một hỗn hợp gồm: tín hiệu mong muốn, tạp AWGN và nhiễu đa truy nhập. Giải pháp sử dụng anten nhiều phần tử tại cả máy thu và máy phát cho phép khôi phục dữ liệu phát tốt hơn. Hiện tại, các vấn đề nghiên cứu về xử lý ở máy thu hầu hết được tập trung vào các thuật toán tối ưu hoặc trong miền thời gian hoặc trong miền mã. Việc đưa thêm miền không gian vào mạng thông tin di động tổ ong thông qua việc sử dụng hệ thống anten nhiều phân tử tạo ra nhiều khả năng mới trong việc phát triển các thuật toán cho máy thu. Đặc biệt, việc dùng anten nhiều phần tử tại cả máy phát và máy thu cho phép cải thiện quá trình tách tín hiệu của người sử dụng. Nhờ kỹ thuật không gian-thời gian, mức nhiễu đa truy nhập và pha-đinh tại máy thu sẽ được giảm xuống đáng kể, do đó sẽ làm tăng dung lượng của toàn hệ thống. Như vậy, hệ thống xử lý không gian - thời gian có thể cải thiện chất lượng kênh truyền theo hai cách: cách thứ nhất là sử dụng phân tập trong hệ thống để tối thiểu ảnh hưởng của pha-đinh đối với tín hiệu thu được; cách thứ hai là làm thay đổi thích nghi giản đồ phương hướng của hệ thống anten để giảm thiểu tổng mức nhiễu đa truy nhập tại máy thu. Năng lực xử lý không gian - thời gian dựa trên kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập được kết hợp trong việc thiết kế toàn bộ hệ thống. Do vậy, khái niệm xử lý không gian - thời gian được hiểu như sau: • Xử lý không gian - thời gian là kỹ thuật giảm thiểu pha-đinh và nhiễu đa truy nhập (MAI) thông qua việc sử dụng tích hợp anten nhiều phần tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, cấu trúc máy thu tiên tiến và sửa lỗi trước. -13- Hình 1.3. Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông minh Như vậy, các kỹ thuật như: lọc không gian để giảm nhiễu (giảm nhiễu cho hệ thống thông tin di động ở đường xuống bằng cách tập trung năng lượng phát xạ điện từ theo hướng một hoặc một nhóm người dùng, tránh vùng không có thuê bao đang hoạt động), thu độ nhậy cao (sử dụng anten mảng thông minh ở đường lên để tập trung búp sóng anten vào một người dùng, làm tăng tăng ích anten ở hướng có người dùng và triệt tín hiệu từ thuê bao gây nhiễu), đa truy nhập theo không gian… là các dạng khác nhau của xử lý không gian - thời gian. Trong đó, kỹ thuật xử lý không gian - thời gian được sử dụng theo các cách khác nhau để giảm pha-đinh và nhiễu đa truy nhập. Khái niệm Anten thông minh có thể được hiểu như sau: • Anten thông minh là sự kết hợp của anten với các thuật toán xử lý tín hiệu để tạo ra một hệ thống anten có các tính năng linh hoạt. Vi dụ, các tính năng linh hoạt này có thể là một giản đồ phương hướng có thể thay đổi theo sự chuyển động của thuê bao. Về cơ bản, anten thông minh được sử dụng để chia nhỏ hơn vùng phủ hình dẻ quạt, mỗi vùng phủ dẻ quạt sẽ được phủ sóng bằng nhiều búp sóng kế Tạo búp Xử lý không gian-thời gian: Giảm thiểu pha-đinh và MAI Anten thông minh Các kỹ thuật xử lý tín hiệu cao cấp Cấu trúc máy thu cao cấp Sửa lỗi trước (FEC) Phân tập Chia séc-tơ -14- tiếp nhau do anten mảng tạo ra. Số búp sóng trong mỗi vùng phủ dẻ quạt phụ thuộc vào cấu trúc anten mảng.[19, 28] Việc tăng tính định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng (thường được áp dụng trong thành phố) và mở rộng vùng phủ sóng (áp dụng cho vùng nông thôn). Máy đầu cuối di động có thể giảm công suất phát do tăng ích của anten trạm gốc lớn hơn, nhờ đó kéo dài thời gian sử dụng của pin. Như vậy, ta thấy rằng mục đích chính của kỹ thuật không gian - thời gian cho hệ thống thông tin di động vẫn là đảm bảo một mức chất lượng nhất định bằng cách tăng tối đa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (SINR) cho mỗi người dùng trong hệ thống. Một anten mảng bao gồm MB phần tử có thể tạo ra tăng ích công suất gấp MB lần đối với tạp âm trắng, nhưng việc triệt nhiễu từ những người dùng khác trong mạng thông tin di tổ ong thì còn phụ thuộc vào dạng của tín hiệu nhận được. 1.2.2. Môi trường thông tin di động Ưu điểm mà xử lý không gian-thời gian có thể đạt được phụ thuộc vào nhiều tham số, trong đó có một số tham số phụ thuộc vào môi trường. Do đó chúng phải được mô hình hoá một cách chính xác khi phân tích hệ thống. Hai tham số ảnh hưởng quan trọng là: đường truyền sóng của tín hiệu, và pha- đinh thời gian. Ngoài ra, còn có một số tham số về: môi trường tán xạ và phân bố thuê bao theo góc… có thể tham khảo thêm trong [36]. Những tham số này ảnh hưởng lớn tới chỉ tiêu hệ thống và cần được đặc biệt chú ý khi thiết kế hệ thống tối ưu. 1.2.2.1. Đường truyền sóng Mô hình đường truyền sóng cần tính đến các ảnh hưởng sau: • Suy hao đường truyền; -15- • Sự che khuất: môi trường tán xạ cụ thể (vd: cây cối, toà nhà) trên đường truyền ở một khoảng cách nào đó sẽ khác nhau đối với các đường truyền khác nhau, gây ra những sai lệch so với mô hình suy hao đường truyền chuẩn. Một số đường truyền sóng có suy hao lớn, trong khi các đường truyền khác bị che khuất ít hơn và có cường độ tín hiệu lớn hơn. Hiện tượng này được gọi là che khuất hoặc pha-đinh chậm và có thống kê pha- đinh log-chuẩn); • Số lượng thành phần đa đường và phân bố các đường bao của chúng (Do môi trường tán xạ cục bộ xung quanh máy di động và/hoặc trạm gốc quyết định); • Pha-đinh thời gian (đặc tính quan trọng trong môi trường vô tuyến di động); • Sự tương quan: các thành phần đa đường được tạo ra bởi một vùng tán xạ cục bộ (nhỏ) có tương quan khá cao - phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố liên quan tới phân bố không gian của các phần tử tán xạ cục bộ. Tương quan là khái niệm rất quan trọng trong hệ thống không gian-thời gian do nó ảnh hưởng tới giản đồ phương hướng anten trong kỹ thuật tạo búp sóng và độ lớn tăng ích phân tập có thể đạt được trong hệ thống. Các đặc tính truyền sóng trên có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu của thuật toán tạo búp sóng được dùng. Hầu hết các thuật toán tạo búp sóng đều dự trên giả thiết rằng các tín hiệu tới mỗi phần tử của mảng có tương quan lớn với nhau ( ijρ >0,8). Suy hao đường truyền Nếu không xác định được các đặc tính truyền sóng của một kênh vô tuyến, người ta thường tính suy hao tín hiệu theo khoảng cách bằng suy hao -16- trong môi trường không gian tự do - mô hình coi vùng giữa anten phát và anten thu là vùng không có bất kỳ vật hấp thụ hoặc phản xạ năng lượng sóng vô tuyến nào. Trong vùng này, khí quyển được xem như môi trường không hấp thụ và đồng nhất hoàn toàn. Ngoài ra, trái đất được xem như ở rất xa so với tín hiệu truyền sóng. Trong mô hình không gian tự do, suy hao của năng lượng sóng vô tuyến tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công suất thu được biểu diễn theo công suất phát với hệ số suy hao Ls(R) - được gọi là hệ số suy hao đường truyền hoặc suy hao không gian tự do. Trong các ứng dụng thông tin vô tuyến di động, suy hao đường truyền trung bình, )(RLs , là một hàm phụ thuộc khoảng cách R giữa máy di động và trạm gốc, tương ứng với nl lần tỉ số R trên khoảng cách tham chiếu r0. Tức là: ln s r RRL    = 0 )( (1.10) Khi có hiện tượng dẫn sóng mạnh như khi tín hiệu truyền dọc theo các đường phố ở đô thị, thì nl có thể nhỏ hơn 2. Khi xuất hiện các vật che khuất, nl sẽ lớn hơn và nằm trong khoảng giá trị từ 2,5 đến 5 [36, 51]. Các đo đạc thực nghiệm cho thấy rằng với bất kỳ giá trị nào của R, tổng suy hao đường Lx(R) là một biến ngẫu nhiên có phân bố log-chuẩn xung quanh giá trị trung bình phụ thuộc khoảng cách )(RLs . Do đó, suy hao tổng Lx(R) có thể được biểu diễn bởi )(RLs cộng với một biến ngẫu nhiên σX , như sau (tính bằng dB): [62] ( ) ( ) ( ) σXrRnrLRL lsx ++= 0100 /log10 (1.11) Trong đó σX là biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình bằng không (tính bằng dB) và phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí trạm gốc. Việc chọn lựa giá trị cho σX thường dựa trên đo đạc thực tế và phụ thuộc vào loại môi trường -17- thông tin tổ ong: macro-ô (ô lớn), micro-ô (ô nhỏ), hoặc picro-ô (ô rất nhỏ), và các tham số kênh khác. Giá trị thường được sử dụng nằm trong khoảng từ 6 đến 10 dB. 1.2.2.2. Pha-đinh và ảnh hưởng đến vùng phủ sóng Pha-đinh có thể được chia thành hai loại pha-đinh chậm và/hoặc pha- đinh nhanh (có tài liệu dùng là pha-đinh large-scale, và small-scale). Pha-đinh chậm (hay che khuất) có suy hao như được trình bày trong mục 1.2.2.1. Pha- đinh nhanh biểu hiện hai đặc tính là méo tín hiệu (trải trễ tín hiệu) và sự biến đổi theo thời gian của kênh. Do sự chuyển động giữa máy phát và máy thu, kênh truyền sẽ biến đổi theo thời gian khi thay đổi đường truyền sóng. Tốc độ thay đổi của các điều kiện truyền sóng này được xem như tốc độ biến thiên nhanh của pha-đinh. Pha-đinh nhanh thường được mô tả thống kê bằng phân bố Rayleigh, Rice [64] hoặc Nakagami-m [65]. Việc lựa chọn mô hình phù hợp chủ yếu phụ thuộc vào môi trường hoạt động của hệ thống thông tin. Nếu số các đường phản xạ đa đường lớn và không có thành phần tín hiệu trong tầm nhìn thẳng, đường bao của tín hiệu thu thường được mô tả thống kê bằng hàm mật độ xác suất Rayleigh. Khi có sự xuất hiện của thành phần tín hiệu không pha-đinh với cường độ mạnh, ví dụ như tín hiệu đến từ đường truyền trong tầm nhìn thẳng, đường bao pha-đinh nhanh đuợc mô tả bằng hàm mật độ xác suất Rice. Ngoài các đặc tính toán học đặc biệt của mô hình pha-đinh Nakagami-m, người ta thấy rằng mô hình này có thể mô tả chính xác đặc tính pha-đinh của các tín hiệu đa đường và các quá trình tán xạ vật lý khác. [66] Kích thước của một ô trong hệ thống thông tin di động tổ ong có thể được xác định bằng tỉ lệ phần trăm vùng nằm trong đường tròn bán kính R mà trong đó cường độ tín hiệu thu được từ trạm gốc lớn hơn một ngưỡng cụ thể nào đó. Ta đặt phần vùng có dịch vụ Fu là vùng này (trong đường tròn bán kính R, cường độ tín hiệu thu được ở anten máy di động vượt quá ngưỡng xo -18- cho trước). Nếu ox P là xác suất tín hiệu thu được x lớn hơn xo trong một vùng dA thì: ∫= R xu dAPR F o 0 2 1 π (1.12) Giả sử trị trung bình của cường độ tín hiệu x phụ thuộc vào khoảng cách r-n, trong đó r là khoảng cách từ máy phát và n là hệ số suy hao đường truyền, thì công suất tín hiệu trung bình (tính bằng dBm) là: R rnx log10−=α (1.13) trong đó α (dBm) là hằng số phụ thuộc vào tăng ích, độ cao anten, công suất phát,… và bằng tín hiệu trung bình thu được tại r=R. Giả sử tín hiệu trung bình cục bộ (cường độ tín hiệu trung bình cục bộ trên pha-đinh Rayleigh) tính bằng dB được biểu diễn bằng một biến ngẫu nhiên chuẩn x có trị trung bình x (dB) và độ lệch chuẩn σ (dB), x là trị trung bình theo dự đoán hoặc đo đạc. Tín hiệu x (dB) khi có pha-đinh log-chuẩn được viết là: xxx ~σ+= (1.14) trong đó x~ là trị trung bình bằng không (zero mean) - phương sai đơn vị của biến ngẫu nhiên Gauss. Vậy, hàm mật độ xác suất của x là : 2 2 2 )( 2 1)( σσπ xx exp −−= (1.15) Phương trình (1.15) cho thấy công suất tín hiệu thu được tức thời biễn thiên theo khoảng cách là nx r −10/ ~ 10σ . Quĩ tích các điểm có công suất tín hiệu bằng nhau quanh máy phát sẽ không còn là một đường trong nữa mà có dạng càng bất thường khi σ càng tăng. Ở điều kiện pha-đinh log-chuẩn, xác suất tín hiệu thu được x lớn hơn xo là: -19- )(rP ox = Xác suất (x ≥ xo) = ∫ ∞ ox dxxp )( (1.16)    −−= σ22 1 2 1 xxerf o (1.17)    +−−= σ α 2 /log10 2 1 2 1 Rrnxerf o (1.18)    +−= σ α RrnxQ o /log10 (1.19) trong đó erf(.) là hàm lỗi kinh điển đã biết : ∫ −= x t dtexerf 0 22)( π (1.20) = -erf(-x) (1.21) và có mối liên quan với hàm Q(.) : ∫∞ = −= xt t dtexQ 2/ 2 2 1)( π (1.23) bằng biểu thức :   =   −= 22 1) 2 (1 2 1)( xerfcxerfxQ (1.24) trong đó erfc(.) là hàm lỗi bù. Chú ý là Q(-x) = 1 – Q(x). Với các giá trị agumen lớn (≥3), Hàm Q có thể được lấy xấp xỉ bằng biên dưới của nó [61] : 2/ 2 211 2 1~)( xe xx xQ −   −π (1.25) Đặt a = (xo-α)/ σ2 và b = 10nlog(e)/ σ2 , ta có ∫  +−= R u drR rbaerfr R F 0 2 log 1 2 1 (1.26) -20-           −−+−= − b aberfeaerf b ab 11)(1 2 1 221 (1.27)    −+= − b abQeaQ b ab 12)2( 2 21 (1.28)    −+= − b abQeRP b ab xo 12)( 2 21 (1.29) Xác xuất để cường độ tín hiệu trên chu vi của đường tròn lớn hơn xo là )2()](1[5,0)( aQaerfRP ox =−= . Phương trình cuối cho thấy rõ ràng là Fu lớn hơn )(RP ox . Cho ví dụ, nếu tồn tại α sao cho x = xo tại r=R, thì a = 0, )(RP ox = 0,5 và : )2( 2 1 21 b QeF bu += (1.30) Vậy, nếu n=3 và σ =9 dB, thì Fu=0,71. Điều này có thể được giải thích như sau: nếu một nửa số vị trí trên chu vi đường trong bán kính R là nằm trên ngưỡng thì 71% vị trí phía trong đường tròn sẽ có mức tín hiệu trên mức ngưỡng đó. Kích thước của ô có thể được xác định dựa trên vùng/đường biên vùng phủ cụ thể, mức ngưỡng, hệ số suy hao, mức công suất ở khoảng cách đang xét hoặc phần bị chặn của phương trình suy hao đường truyền trung bình. Ví dụ, từ một vùng đường bao cho trước )(RP ox =β ta có : βπ α 21 2 )( −=   −= oxerfaerf (1.31) Có thể giải phương trình này theo a rồi α, rồi dựa trên mức công suất theo khoảng cách để xác định bán kính ô. -21- 1.2.3. Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian Dựa trên các mô hình kênh thực tế của một hệ thống thông tin di động, các cơ cấu xử lý tín hiệu hiệu quả có thể được sử dụng để cải thiện chỉ tiêu hệ thống ; việc phân tích hệ thống một cách chính xác cũng cho phép dự đoán dung lượng và chỉ tiêu hệ thống. Nói chung, các mô hình mô tả tham số như cường độ tín hiệu thu, đặc tính trễ công suất và phổ Doppler rất quan trọng cho việc phân tích hệ thống dùng anten đẳng hướng. Nhưng một tham số rất quan trọng trong các hệ thống không gian-thời gian là hướng tới của tín hiệu thu lại không có trong các mô hình truyền thống. Dựa trên các khái niệm cơ bản đã biết về pha-đinh, trải Doppler, tương quan, … các mô hình kênh mới có thể được xây dựng để có thể đề cập các khái niệm mới như trải trễ, HƯớNG TớI và hình dạng của anten mảng thích nghi. Nhưng cần chú ý là đặc tính truyền sóng ở đường lên và đường xuống có thể khác nhau (do sự trải góc khác nhau ở máy di động và trạm gốc) - điều này rất quan trọng trong việc phân tích chỉ tiêu hệ thống không gian-thời gian. 1.2.3.1. Mô hình kênh cơ bản Trong một hệ thống vô tuyến di động, một tín hiệu có thể truyền từ máy phát tới máy thu qua nhiều đường phản xạ - hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường. Hiệu ứng này gây ra sự thay đổi về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu được, và được gọi là pha-đinh đa đường. Giả sử rằng hệ thống không gian-thời gian bao gồm K người sử dụng, mỗi người sử dụng phát một tín hiệu trên một kênh đa đuờng rời rạc độc lập với đường truyền L tới máy thu, mỗi tín hiệu có một biên độ, pha và hướng tới riêng. Phân bố của các tham số này phụ thuộc vào loại môi trường thông tin di động (macro-ô, micro-ô, hoặc picro-ô). Hướng tới phụ thuộc vào ba thành phần khác nhau là: -22- • Tán xạ tại đầu cuối di động (hiện tượng nhiễu xạ này cũng thường bị ảnh hưởng bởi tốc độ di động); • Tán xạ tại trạm gốc; • Các vật tán xạ ở xa. Loại tán xạ này có thể xuất hiện trong các môi trường thành thị và nông thôn do các vật thể có cấu trúc lớn như núi đồi, các toà nhà, ... và có ảnh hưởng nhất định tới kênh thông tin di động kể cả khi các vật tán xạ này ở xa so với trạm gốc và máy di động. Nếu các vật tán xạ này nằm trong tầm nhìn thẳng đối với cả trạm gốc và máy di động thì chúng có thể có vai trò giống như các vật phản xạ rời rạc hoặc vật phản xạ tập trung theo nhóm. Khi các vật phản xạ được nhóm lại, anten trạm gốc hoặc máy di động có thể xem như các thành phần tán xạ như ở điểm 1 và điểm 2 nêu trên. Ta thấy rằng, mô hình phân bố của môi trường tán xạ chiếm một vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống. Nhiều mô hình phân bố của môi trường tán xạ khác nhau đã được đề xuất, với các thuộc tính và độ chính xác khác nhau. Chi tiết về các mô hình kênh có những ứng dụng khác nhau trong việc phân tích hệ sử dụng anten thông minh có thể tìm thấy trong tài liệu [36]. Một số mô hình đã được phát triển cho thực tế, còn hầu hết mô hình khác có xu hướng phục vụ cho mục đích mô phỏng. 1.2.3.2. Đánh giá đặc tính kênh không gian Người ta đã thực hiện nhiều đo đạc thực nghiệm để đánh giá đặc tính của kênh không gian trong điều kiện thực tế [36]. Một số kết quả đánh giá đáng chú ý được tóm tắt sau đây: - Phần lớn năng lượng tín hiệu tập trung trong một khoảng trễ nhỏ và trong phạm vi hướng tới nhỏ ở môi trường vùng nông thôn, ngoại ô và thậm chí trong nhiều môi trường thành thị. - Bằng cánh sử dụng anten định hướng, có thể giảm được sự trải trễ. -23- - Trải góc tăng khi độ cao anten trạm gốc giảm. - Trải góc tăng khi môi trường truyền sóng thay đổi từ nông thôn sang thành thị. - Mảng các phần tử anten với búp sóng nhỏ có thể cung cấp khá chính xác thông tin về hướng tới của máy di động đang di chuyển với tốc độ cao. - Sự thay đổi theo thời gian của ký hiệu không gian có xu hướng tăng lên theo tốc độ di chuyển của máy di động. Người ta cũng thực hiện phép đo tìm hiểu sự biến đổi của ký hiệu không gian cả về thời gian và tần số. Kết quả đo cho thấy rằng khi máy di động và các vật xung quanh không chuyển động, tín hiệu không gian thay đổi nhỏ; khi môi trường và các vật xung quanh chuyển động thì sự thay đổi này ở mức trung bình; và khi máy di động di chuyển thì sự thay đổi tín hiệu không gian ở mức lớn nhất. Các kết quả đo cũng cho thấy tín hiệu không gian thay đổi đáng kể khi tần số sóng mang thay đổi. Trong thực tế, sự thay đổi biên độ tương đối của ký hiệu không gian có thể lớn hơn 10dB khi tần số thay đổi 10MHz. Do đó, ký hiệu không gian ở đường lên không thể được áp dụng trực tiếp cho việc tạo búp sóng ở đường xuống trong hầu hết các hệ thống thông tin di động tổ ong hiện nay (thường có khoảng cách vài chục MHz giữa đường lên và đường xuống). 1.2.4. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian Kỹ thuật không gian-thời gian có khả năng cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động bằng nhiều cách khác nhau. Các ưu điểm nổi bật của kỹ thuật không gian-thời gian là: • Dung lượng tăng (hiệu quả phổ tần tăng) nhờ tăng số người sử dụng tích cực đối với một giá trị BER cho trước. -24- • Giảm nhiễu đồng kênh để cải thiện chất lượng dịch vụ và/hoặc tăng hệ số tái sử dụng tần số. • Giảm trải trễ và pha-đinh. Bằng các kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập, có thể cải thiện tỷ số SINR của hệ thống trong môi trường pha-đinh. Liên quan đến vấn đề này là giảm ảnh hưởng của trải góc của tín hiệu thu được do các vật tán xạ phân bố xung quanh thuê bao nhờ sử dụng các búp sóng hẹp để thu tín hiệu từ thuê bao. • Giảm xác suất mất liên lạc. Bằng cách giảm nhiễu nhờ kỹ thuật không gian-thời gian, xác suất mất liên lạc có thể được giảm xuống. • Tăng hiệu quả truyền dẫn. Do tính định hướng và tăng ích của hệ thống không gian-thời gian cao, bán kính trạm gốc có thể dược mở rộng và thuê bao có thể chỉ cần phát công suất thấp hơn cho phép kéo dài thời gian sử dụng pin. • Gán kênh động. Khi dung lượng của hệ thống tổ ong vượt quá giá trị giới hạn, có thể thực hiện việc chia tách ô để tạo ra các ô mới, mỗi ô mới sẽ được phân bổ một trạm gốc cùng với tần số mới, làm cho tỷ lệ chuyển giao tăng lên. Điều này có thể khắc phục được bằng các bộ xử lý không gian- thời gian cho phép tạo ra các búp sóng độc lập. • Cải thiện độ chính xác định vị bằng cách sử dụng anten mảng nhiều phần tử. • Giảm chi phí, độ phức tạp về cấu trúc mạng. Do không phải lo ngại về các vấn đề như chuyển giao mềm, gán kênh động, tạo búp sóng không linh hoạt. Tuy nhiên, việc sử dụng anten mảng cũng có một số hạn chế đáng kể về chi phí và độ phức tạp sau: -25- • Tăng các yêu cầu về phần cứng cũng như phần mềm khi tăng số lượng phần tử anten của mảng. • Trong các trường hợp thực tế, chỉ tiêu của anten mảng có thể gây ra các ảnh huởng bất lợi bởi các lỗi mô hình kênh, lỗi định chuẩn (calibration), lệch pha và tạp âm tương quan giữa các phần tử anten. 1.3. Phân loại anten Các kỹ thuật anten thông minh có thể được phân thành ba loại chính [37]: Tạo búp sóng, phân tập, chia séc-tơ. Tùy theo phương thức thực hiện mà các kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập có thể tiếp tục được phân loại cụ thể hơn nữa như Hình 1.4. Một anten mảng thích nghi bao gồm một nhóm các phần tử phát xạ được phân bố theo không gian, mỗi phần tử tương ứng với bản sao có độ tương quan cao của tín hiệu có ích. Đầu ra của mỗi phần tử được đặt trọng số thích nghi và kết hợp với các đầu ra khác để tách ra tín hiệu hữu ích bằng cách xếp chồng các tín hiệu thu được. Hình 1.4. Phân loại anten thông minh Anten thông minh Tạo búp sóng Phân tập Chia séc-tơ Thích nghi Chuyển búp Phát -26- Các yếu tố như môi trường tán xạ, phân bố người dùng, môi trường pha- đinh.v.v. đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chỉ tiêu của hệ thống di động không gian-thời gian. Một hệ thống thông tin di động được thiết kế tốt phải sử dụng phần truyền dẫn chung sao cho: tổng lưu lượng thông tin phát trung bình càng lớn càng tốt; xác suất lỗi trung bình ở phía người dùng càng nhỏ càng tốt; và trễ trung bình càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên không phải mọi tiêu chí này đều có thể được thoả mãn đồng thời; một thiết kế tốt đòi hỏi phải cân đối được các tiêu chí này. Ví dụ, kỹ thuật tạo búp sóng có thể được dùng để giảm xác suất lỗi của hệ thống bằng cách giảm nhiễu CDMA. Điều này được thực hiện bằng cách kết hợp thông minh các tín hiệu thu được từ nhiều phần tử anten ở trạm gốc hoặc máy di động. Trong một hệ thống thông tin di động dùng anten mảng, thành phần tín hiệu pha-đinh nhanh tạo ra biên độ và pha ngẫu nhiên cho tín hiệu thu được trên mỗi phần tử anten, làm nhiễu loạn véc-tơ quay của mảng. Trong trường hợp pha-đinh Rayleigh hoặc Nakagami, pha có thể là giá trị bất kỳ trong khoảng (0, 2π], và không thể xác định được hướng tới của sóng nếu chỉ giám sát tín hiệu trong một thời gian ngắn. Tương tự, khái niệm giản đồ phương hướng của mảng dựa trên giả thiết sóng phẳng tới các phần tử của mảng có biên độ không đổi. Do đó, trong môi trường pha-đinh, việc thực hiện các bộ tạo búp để tạo và triệt (null) búp tương ứng về phía nguồn tín hiệu mong muốn và nhiễu có thể là không hiệu quả. Khi pha-đinh nhanh có tương quan mạnh giữa các phần tử, nó có thể được coi như một nhân vô hướng với vec-tơ quay, tác động đều lên các phần tử. Do đó có thể thực hiện việc khôi phục lại véc-tơ quay này. Tuy nhiên, sẽ không có được tăng ích phân tập thu do kỹ thuật này dựa trên pha-đinh không tương quan. Chính vì thế phát sinh mâu thuẫn giữa việc tránh làm nhiễu búp sóng và mong muốn có được phân tập thu. -27- Từ những phân tích ở trên, ta thấy rằng có thể loại bỏ bớt được ảnh hưởng của kênh với thiết kế máy thu tốt hơn. Tuy nhiên, do yêu cầu hạn chế độ phức tạp ở máy đầu cuối và do đặc tính của đường xuống, giải pháp được sử dụng để cải thiện đường xuống sẽ là dùng nhiều anten phát ở trạm gốc, nhờ đó không làm tăng độ phức tạp của máy đầu cuối. 1.4. Đặt vấn đề nghiên cứu Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát. Các kỹ thuật phổ biến được biết là sử dụng anten dẻ quạt (séc-tơ) (xử lý tín hiệu theo không gian), phân tập (xử lý tín hiệu theo không gian-thời gian) và anten mảng tạo búp sóng (xử lý tín hiệu theo không gian-thời gian) có thể được xem như những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian-thời gian. [16,17,19, 28, 36] Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thể được xem như bộ xử lý không gian-thời gian. Các bộ xử lý không gian-thời gian tiên tiến hơn bao gồm cả bộ tách đa người sử dụng, và mã hóa không gian- thời gian sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. [6, 16, 52] Kỹ thuật MIMO tổng quát dùng nhiều anten ở cả đầu thu và phát sẽ làm cho dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến lớn hơn đáng kể so với các hệ thống thông thường. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu cần tiếp tục phát triển để có thể áp dụng kỹ thuật này vào thực tế [1, 4, 16, 27]. Luận án nghiên cứu kỹ thuật xử lý không gian thời gian bằng Anten thông minh. Anten thông minh ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân sự từ khá lâu, nhưng mới thực sự được nghiên cứu sử dụng trong -28- các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây [17, 29, 36, 38, 55]. Việc tăng tính định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng (thường được áp dụng trong thành phố) và mở rộng vùng phủ sóng (áp dụng cho vùng nông thôn). Nhờ sử dụng nhiều búp sóng, anten thông minh giúp triệt nhiễu tốt hơn do đó đem lại những ưu điểm sau cho hệ thống: [4, 17, 21, 22, 37] - Cho phép sử dụng mẫu tái sử dụng tần số chặt hơn; - Có thể cải thiện chất lượng thông tin thoại trên ô tô nhờ tăng tỉ số C/I; - Có thể giảm hiệu ứng đa đường, do đó giảm yêu cầu dự trữ công suất. Việc xử lý tín hiệu trên anten mảng có thể dựa trên hai kỹ thuật chính là phân tập hoặc tạo búp. Với kỹ thuật phân tập, tín hiệu ở các nhánh anten khác nhau được giả thiết là không tương quan, nghĩa là chỉ tiêu hệ thống càng tốt khi mức độ tương quan của tín hiệu ở các nhánh càng nhỏ. Trong khi đó, kỹ thuật tạo búp lại dựa trên giả thiết là tín hiệu ở các nhánh tương quan với nhau [1, 25, 34]. Chính vì vậy khoảng cách giữa các phần tử trong anten của hệ thống tạo búp sóng nhỏ hơn so với hệ thống phân tập. Trên lý thuyết, đã có rất nhiều các thuật toán khác nhau được phát triển cho anten thông minh trong thông tin di động [15, 19, 29, 36, 38]. Tuy nhiên, do tính chất thay đổi liên tục của môi trường thông tin di động, cũng như những hạn chế về khả năng xử lý của thiết bị thực tế mà các hệ thống thử nghiệm đều chỉ sử dụng các thuật toán kinh điển như trung bình bình phương nhỏ nhất, bình phương nhỏ tối thiểu đệ qui [27, 34]... Với hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp, luận án đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thực hiện kết hợp trên cả kênh hoa tiêu và kênh lưu lượng cho phép đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn. Luận án cũng đã nghiên cứu hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh đối với cấu hình hệ thống GSM hiện đang được triển khai [4, 5, 7], làm cơ sở để đề xuất sử dụng mẫu tái sử dụng tần số mới khi triển khai anten thông -29- minh cho mạng GSM ở Việt Nam và xem xét đánh giá ảnh hưởng của pha- đinh và che khuất với trường hợp nhiễu đồng kênh trong mạng thông tin di động tổ ong thực tế. Phân tích sâu sắc hơn nữa, ta thấy rằng kỹ thuật phân tập thu dựa trên việc kết hợp các tín hiệu không tương quan (do pha-đinh không tương quan) thu được từ các phần tử khác nhau của anten mảng, hệ thống phân tập không làm tăng chỉ tiêu trong môi trường tạp Gauss trắng cộng - AWGN [16,17]. Khi mức nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA cao thì nó là tác nhân chính ảnh hưởng đến chỉ tiêu BER và kênh sẽ tiến tới xấp xỉ kênh Gauss nên hiệu quả của hệ thống phân tập giảm [16, 52, 55]. Trong khi đó, hệ thống tạo búp (hay thậm chí hệ thống sec-tơ hoá) sẽ làm giảm mức nhiễu bằng cách “loại bỏ” nhiều người dùng khỏi hệ thống, làm cho chỉ tiêu BER tốt hơn [10]. Khi số người dùng ít và kênh bị pha-đinh mạnh (như trường hợp truyền sóng ở điều kiện không nhìn thẳng), hệ thống tạo búp không cải thiện được tín hiệu thu do không bổ sung được thông tin mới nào vào tín hiệu thu được, mà chỉ hạn chế được nhiễu đa truy nhập. Do đó, hệ thống tạo búp không làm tăng chỉ tiêu nhiều. Trái lại, hệ thống phân tập kết hợp được một số tín hiệu bị pha- đinh mạnh sẽ làm cải thiện chỉ tiêu hệ thống, đặc biệt khi pha-đinh có tác động mạnh hơn ảnh hưởng của nhiễu đa truy nhập.[9] Một hệ thống phối hợp cả tạo búp và phân tập sẽ có được ưu điểm của việc giảm nhiễu búp sóng mà vẫn có được phân tập thu đặc biệt là trong môi trường pha đinh khi tín hiệu tới các phần tử anten mảng không bao giờ có thể là tương quan hoàn toàn. Đây cũng là một đề xuất áp dụng cho WCDMA của luận án, kết quả đã được thực hiện bằng mô phỏng và so sánh với các kết quả đo được sử dụng riêng biệt kỹ thuật phân tập (DIV) hoặc tạo búp trên hệ thống thử nghiệm anten thông minh tại Viện Nghiên cứu Điện tử và Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) để đánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất. -30- Kết quả mô phỏng cho thấy rằng trong môi trường nhiều người dùng, pha-đinh mạnh, kỹ thuật phối hợp cả tạo búp và phân tập cho chỉ tiêu tốt hơn hệ thống tạo búp ở giá trị Eb/No lớn hơn 8dB, mặc dù dưới giá trị này chỉ tiêu của hệ thống tạo búp vẫn lớn hơn. Như vậy, có thể thấy rằng kỹ thuật phối hợp được luận án đề xuất sẽ đặc biệt có ý nghĩa để triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao, đòi hỏi có tỉ số Eb/No lớn. Kết quả đo kiểm trên hệ thống anten thông minh cho W-CDMA IMT- 2000 tại Viện nghiên cứu ETRI [27] cho trường hợp anten-DIV và anten-ABF đã được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của các kết quả mô phỏng. Ta thấy rằng kết quả đo chỉ tiêu cho trường hợp anten-DIV rất giống với kết quả mô phỏng. Còn trường hợp anten-ABF chỉ tiêu đo được tốt hơn kết quả mô phỏng do hệ thống đo kiểm sử dụng 8 anten để tạo búp trong khi kết quả mô phỏng được thực hiện cho chỉ 4 anten. Như vậy, kết quả mô phỏng là phù hợp với các kết quả đo kiểm và chứng tỏ được độ tin cậy của phương án đề xuất. Tuy nhiên, để áp dụng vào thực tế cần có những nghiên cứu tiếp theo về cấu trúc cụ thể của anten mảng đáp ứng được cho kỹ thuật này. -31- Chương 2. Kỹ thuật xử lý đối với anten mảng 2.1. Kỹ thuật phân tập Ảnh hưởng của pha-đinh đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập theo không gian (anten ở máy thu gồm nhiều phần tử). Trong môi trường pha-đinh, công suất sóng mang cần phải phát cao hơn công suất trung bình để có thể đạt được một tỉ lệ lỗi bít (BER) mong muốn nào đó. Trong một anten mảng, tín hiệu thu được bởi các phần tử khác nhau có thể được lấy trọng số phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từng tín hiệu thành phần. Anten mảng này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn so với trường hợp chỉ sử dụng anten một phần tử, mà vẫn đạt được BER mong muốn. Để hệ thống phân tập không gian hoạt động một cách hiệu quả, các tín hiệu thu được từ các nhánh anten khác nhau phải không hoặc ít tương quan với nhau để nếu tín hiệu ở một phần tử bị pha-đinh sâu thì vẫn có thể phục hồi được bằng cách thu nó ở phần tử anten khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách chọn khoảng cách giữa các phần tử một cách phù hợp. Khoảng cách yêu cầu giữa các phần tử anten để đảm bảo độ không tương quan (giải tương quan) phụ thuộc vào việc nối ghép cặp giữa các phần tử anten và vị trí của các vật tán xạ gây ra truyền dẫn đa đường. Ví dụ, khi không có ảnh hưởng của việc nối ghép cặp thì khoảng cách cần thiết giữa các phần tử anten của máy di động có các vật tán xạ đồng nhất bao quanh phải là khoảng λ/2. Trong khi đó, khoảng cách này phải là 10λ hoặc lớn hơn để đảm bảo giá trị giải tương quan tương đương ở trạm gốc. Điều kiện thứ hai cần thiết để cho kỹ thuật phân tập là cường độ tín hiệu trung bình của các đường truyền phân tập phải xấp xỉ bằng nhau. Những nghiên cứu sâu về các kỹ thuật kết hợp tuyến tính đã được đưa ra trong [32] và [53]. Một số phát triển gần -32- đây của việc ứng dụng phân tập anten trong thông tin di động được phân tích trong [55]. Trong phần này, ta sẽ xem xét cơ sở của các kỹ thuật kết hợp phân tập không gian. Giả sử các phần tử anten có khoảng cách phù hợp sao cho hoàn toàn không có tương quan giữa các nhánh khác nhau (một nhánh có thể được coi là 1 anten), ta hãy xem xét khả năng cải thiện của anten mảng với các kỹ thuật kết hợp phân tập khác nhau; Sau đó mới phân tích đến ảnh hưởng của sự tương quan nhánh gây ra do nối ghép giữa các phần tử anten hoặc trải góc của tín hiệu đến. Chỉ tiêu BER của các cơ cấu điều chế cơ bản với anten mảng phân tập cũng được đánh giá. Có 3 cách cơ bản để kết hợp tín hiệu: - Chọn lọc: Bộ chọn lọc là phương pháp đơn giản nhất trong các kỹ thuật phân tập: từ một tập hợp M phần tử anten, nhánh có tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất được chọn ra và kết nối trực tiếp tới máy thu. Như vậy, anten mảng có M càng lớn thì khả năng có được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn. - Tỉ lệ cực đại: Phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại tận dụng tốt nhất khả năng của các nhánh phân tập trong hệ thống. Tất cả M nhánh được nhân trọng số với các tỉ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng. Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha sao cho tín hiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất. Tín hiệu tổng chính là tín hiệu đầu ra thu được của mảng. Phương pháp Tỉ lệ cực đại có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tập lựa chọn nhưng phức tạp hơn; do phải đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồng pha với nhau và các trọng số phải được cập nhật chính xác. -33- - Tăng ích đều: Là một biến thể của kỹ thuật kết hợp tỉ lệ tối đa; Trong trường hợp này tất cả các giá trị tăng ích của các nhánh đều bằng nhau và không thay đổi trong quá trình hoạt động. Giống với trường hợp trước, đầu ra sẽ là tổng của các tín hiệu đồng pha của tất cả các nhánh. Hình 2.1. Anten mảng phân tập M phần tử Tín hiệu thu được bởi các phần tử được kết hợp tuyến tính như trong Hình 2.1. Trọng số để kết hợp được chọn là *1w , *2w ,... *Mw , trong đó ký hiệu * là biểu diễn liên hợp phức. Ký hiệu liên hợp phức được sử dụng trong biểu diễn trọng số chỉ nhằm tiện lợi về mặt toán học để đầu ra kết hợp có thể được viết gọn là wHs. Trong phần này, giả thiết rằng các nhánh là không tương quan. Tín hiệu thu được ở mỗi phần tử sẽ không phải là hằng số, mà dao động theo hệ số pha-đinh. Hệ số pha-đinh phụ thuộc vào tốc độ của máy di động và tần số tín hiệu vô tuyến và được chứng minh là xấp xỉ bằng biến đổi Doppler cực đại. Biến đổi Doppler cực đại fdM tương ứng với tần số fG (tính bằng GHz) và với máy di động di chuyển ở tốc độ v là: fdM = 1,4815 fG v (2.1) W1* W2* Wm* WM* ∑ 1 2 ... m M Phần tử d Sn(t) Đầu ra kết hợp U(t) -34- Theo đặc tính của kênh vô tuyến, thời gian nhất quán của kênh vô tuyến xấp xỉ bằng nghịch đảo của hệ số pha-đinh. Môi trường đa đường giữa anten phát và anten thu được coi như một bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian và mỗi nhánh M được đặc trưng hoá bằng một hàm truyền đạt thông thấp tương đương Tm(f;t), m = 1,...,M, với biến số (agumen) t biểu diễn những thay đổi theo thời gian của đáp ứng kênh vô tuyến và biến số f biểu diễn tính chất chọn tần của kênh. Giả sử rằng pha-đinh ở mỗi nhánh phân tập là không chọn tần (hay pha-đinh phẳng), ta có thể biểu diễn hàm truyền đạt bằng Tm(f;t)=gm(t), trong đó gm(t) là một đại lương thống kê Gauss phức trung bình-bằng không (zero-mean). Như vậy các tín hiệu thu được ở các nhánh phân tập có thể được biểu diễn dưới dạng: sm(t) ])()([])([ 22 tfj m tfj m cc etutgeetre ππ ℜ=ℜ=∆ (2.2) trong đó: fc là tần số sóng mang danh định, u(t) là đường bao phức của tín hiệu phát, và rm(t) là đường bao phức của tín hiệu thu. Giả sử pha-đinh là phẳng cho trường hợp truyền dẫn băng hẹp, trễ xuất hiện trong các thành phần đa đường đều nhỏ hơn nhiều so với khoảng thời gian của một ký hiệu. Và giả sử rằng khoảng thời gian của ký hiệu Ts nhỏ hơn nhiều so với nghịch đảo của tốc độ pha-đinh sao cho mẫu pha-đinh trên đó là không thay đổi. Để thuận tiện, ta chuẩn hoá tín hiệu phát sao cho công suất trung bình là hằng số 1|)(|1)|)((| 2/ 2/ 22 == ∫ − ∆ dttu T tuE s s T Ts T (2.3) trong đó: ET là toán tử kỳ vọng-thời gian hay trung bình-theo thời gian. -35- Đường bao phức của tạp cộng trong nhánh máy thu thứ m được giả thiết là νm(t) với mật độ trung bình trên mỗi khoảng thời gian ký hiệu hoặc dài hơn bằng mommT PPtutE === 22 |)(|2 1)|)((| 2 1 ν (2.4) trong đó: - dấu ngoặc nhọn biểu diễn trung bình thống kê, và - giả thiết rằng mọi Pm đều bằng Pmo. Ta định nghĩa tỉ số sóng mang-trên-tạp (CNR) tức thời (γm) và trung bình (Гm) cho nhánh thứ m là: γm moinhanhptrungbinhcongsuatta moinhanhgbinhcucbongmangtruncongsuatso∆= (2.5) mo mT P trE )|)(| 2 1( 2 = (2.6) ≈ mo m P tg 2 |)(| 2 , (do gm(t) ≈ hằng số trên Ts ) (2.7) Γm moinhanhptrungbinhcongsuatta kemoinhanhgbinhthongngmangtruncongsuatso∆= (2.8) = 〈γm〉 mo o P P∆= (2.9) trong đó: Po là công suất trung bình thống kê bằng |gm|2/2 trên khoảng pha- đinh (khoảng thời gian nhất quán). Chú ý rằng do phép chuẩn hoá (2.3), ta đã sử dụng vùng cục bộ của đường bao tín hiệu thu được trên mỗi nhánh là: 2222 |)(||)(||)((|)|)((| tgtutgEtrE mmTmT ≈= (2.10) Như vậy, |gm(t)| có thể được coi là đường bao trung bình cục bộ của tín hiệu thu được. Giả sử pha-đinh là pha-đinh Rayleigh, hàm mật độ xác xuất cho đường bao tín hiệu thu được là: [27] -36- p(|gm|) = om Pg o m e P g 2/|| 2|| − (2.11) và hàm của γm là p(|γm|) = m m e m Γ− Γ γ 1 (2.12) Trong phần sau, ta chỉ tập trung vào phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại cho đường lên từ máy di động đến trạm gốc. Phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại hay được sử dụng trong mô phỏng, có chỉ tiêu tốt nhất, nhưng cũng phức tạp nhất khi thực hiện. 2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực đại Trong kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC), tín hiệu ở các nhánh được lấy trọng số và kết hợp sao cho đạt được CNR tức thời cao nhất có thể với các kỹ thuật kết hợp tuyến tính. Sử dụng phương trình (2.2), đường bao phức tổng ở nhánh thứ m có tạp cộng νm(t) có thể được viết là zm(t) = gm(t)u(t) + νm(t) (2.13) Nếu tín hiệu thu được được lấy trọng số bằng wm* thì đầu ra kết hợp U(t) của mảng là: U(t) = wHz = u(t)wHg + wHν, (2.14) trong đó: H ký hiệu liên hợp Hermitian (liên hợp phức, chuyển vị), w = [w1,...,wm]T, ν = [ν1,...,νm]T, g = [g1,...,gm]T. Giả sử rằng mỗi thành phần tạp là độc lập với nhau, thì tổng công suất tạp đầu ra Pmo(o/p) là: Pmo(o/p)= 2 1 〈|wHν|2〉 = m M m m Pw 2 1 |*|∑ = (2.15) Do đó CNR đầu ra tức thời là: -37- ( ) ∑ ∑=∑= = = = N n mm M m mm M m mm H T Pw gw Pw gwtuE 1 2* 2 1 * 1 2* 2 || 2 1 || |)(| 2 1 γ (2.16) Các trọng số tối ưu được xác định khi các biến thiên trong γ liên quan đến phần thực và phức của wm bằng không. Nói cách khác, các trọng số này có thể thu được bằng cách áp dụng bất đẳng thức Schwarz vào phương trình (2.16). Viết wm= ξ + jη và tách γ hoàn toàn theo hai tham số ξ và η và đặt bằng không ta có: wm* = m m P g* (2.17) với ý nghĩa là các tín hiệu này phải được kết hợp với trọng số tỉ lệ thuận với liên hợp phức của tín hiệu ở các nhánh và tỉ lệ nghịch với công suất tạp trên các nhánh đó. Như vậy, các nhánh có CNR cao sẽ được lấy trọng số lớn hơn các nhánh có CNR thấp. Cũng cần chú ý rằng các tín hiệu đã lấy trọng số đều cùng pha và là cộng nhất quán. CNR đầu ra với các trọng số ở trên là: ∑∑ == == ∑ ∑= = = M m m M m m m Pg Pg P g M m mm M m mm 11 2 /|*| /|| || 2 1 2 1 1 2 2 1 2 γγ (2.18) Đại lượng này được coi là tổng CNR của từng nhánh. Việc thực hiện bộ kết hợp tỉ lệ cực đại sẽ tốn kém do các trọng số cần bám cả biên độ và pha của đáp ứng kênh (gm(t)s). Hơn nữa, cần có các bộ chuyển pha và bộ khuyếch đại tuyến tính trên một dải dộng rộng các tín hiệu đầu vào. Do đó, kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại mang tính lý thuyết cao và thường được dùng được dùng để so sánh với các chỉ tiêu của các kỹ thuật kết hợp tuyến tính khác. Do biểu diễn tổng trong (2.18), các phân bố thống kê của CNR đầu ra trong trường hợp này có thể được dễ dàng rút ra từ hàm đặc trưng của nó. Một -38- lần nữa, trường hợp mà mọi nhánh có CNR trung bình bằng nhau lại tiếp tục được xem xét. Do mỗi CNR đều là đại lượng dương, việc dùng biến đổi Laplace để xác định hàm đặc trưng sẽ tiện hơn so với biến đổi Fourier. Xét biến đổi Laplace F(s) ∏∫ = − ∞ −∆− === M m ssmrc M s mm eedPesF 10 )()( γγγ γγ Sử dụng hàm mật độ xác suất trong (2.12), ta có ∏ = Γ+= M m ms sF 1 1 1)( (2.19) Nghịch đảo Laplace của phương trình trên cho ta hàm mật độ xác suất )(γmrcMp . Vậy, hàm mật độ xác suất cho bộ kết hợp tỉ lệ cực đại M-nhánh là: ∫ ∏ ∞+ ∞− = Γ+ = jc jc M m m s mrc M ds s e j p 1 )1(2 1)( γ πγ , c ≥ 0 = Γ− − Γ− / 1 )!1( 1 γγ e M M M , Γm = Γ (2.20) Hàm mật độ xác suất này có phân bố Erlang [48] – do cộng M phân bố theo hàm mũ độc lập và giống nhau. CNR trung bình ở đầu ra của bộ kết hợp là 〈γ〉 = ∑∑ == Γ=Γ= M m M m n M 11 γ (2.21) Hàm phân bố tích luỹ (c.d.f) tương ứng là ∫∫ Γ −− −==<= / 0 1 0 )!1( 1)()(obPr)( ss dxex M dpP xMmrcMss mrc M γγ γγγγγ = ∑− = Γ−    Γ− 1 0 / ! 11 M m m s m e s γγ (2.22) -39- = ∑∞ = Γ−    ΓMm m s m e s ! 1/ γγ (2.23) = 1/ 1 )!1( )( −Γ− −    Γ−− M s s mrc M M eP s γγ γ (2.24) Hình 2.2 trình bày hình vẽ hàm phân bố tích luỹ )(γmrcMP của kỹ thuật kết hợp tỉ số cức đại với M là tham số. Ta thấy rằng 99% dộ tin cậy phân tập tỉ lệ cực đại tiết kiệm 12dB công suất với hai nhánh và tiết kiệm 19 dB với bốn nhánh. Cũng cần chú ý rằng hàm mật độ xác suất bị giới hạn khi M -> ∞. Từ (2.20) và (2.21), dễ dàng thấy rằng hàm mật độ xác suất tiệm cận hàm delta với M lớn )()(lim)( γγδγγ −== ∞>− ∆ ∞ mrc Mm mrc PP (2.25) Tức là, hàm mật độ xác suất này giảm đến hàm của tín hiệu thu được trong môi trường không gian tự do không có pha-đinh. -40 -30 -20 -10 0 10 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 -40 -30 -20 -10 0 10 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 Pm rc M (g am a s ) 10log(gamas/I _) M=1 M=2 M=3 M=4 Hình 2.2. Hàm phân bố tích luỹ (c.d.f) của γs so với γs/Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại. -40- Chỉ tiêu của mọi kỹ thuật điều chế số ở điều kiện phân tập có thể được đánh giá bằng cách xem xét tỉ lệ lỗi bít (BER) với γ không đổi và lấy trung bình kết quả trên hàm mật độ xác suất của γ. Ví dụ, với điều chế BPSK nhất quán, BER cho kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại với giả thiết tạp giống nhau trên mọi nhánh là: ∫∫ ∞ Γ−−∞ Γ−== 0 / 1 0 )!1( 1)( 2 1)( γγγγγ γ de M erfcdpPP M M mrc MBPSK mrc BPSK ∫∞ −−Γ−= 0 1)( )!1(2 1 dxexxerfc M xM = ∑ =    ++−   − − M m mM m mM M 0 2 1 ! )!1( 2 1 )!1( 1 µµ (2.26) ~ )!1(! )!12( 4 1 − −   Γ MM MM với Γ >> 1 (2.27) trong đó γ γµ +=Γ+ Γ= M1 (2.28) Ta thấy rằng BER giảm theo tỉ lệ 1/ГM với M và Г đủ lớn. Tại giới hạn khi M ->∞, BER bằng nhkhongphadi BPSK mrc BPSK PerfcP == )(2 1 γ (2.29) Kết quả này đúng như mong muốn vì đầu ra của bộ kết hợp sẽ tiến tới một giá trị bền (ổn định) khi M lớn. Hình 2.3 trình bày hình vẽ BER so với ‹γ› = MГ cho BPSK với M là tham số. -41- -10 0 10 20 30 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 -10 0 10 20 30 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 BE R =(MI_) (dB) khong pha-dinh M=4 M=2 M=1 Hình 2.3. BER so với ‹γ› = MГ khi M thay đổi 2.1.2. Tăng ích phân tập Tăng ích phân tập của một mảng M-phần tử được xác định bởi phần cải thiện năng lượng đường truyền ứng với một chỉ tiêu kỹ thuật nhất định khi sử dụng kỹ thuật phân tập. Chỉ tiêu kỹ thuật này thường là tỉ lệ lỗi bít (BER). Ví dụ, trong Hình 2.3, ta thấy rằng để có BER bằng 10-2 với BPSK nhất quán, tỉ số tín hiệu trên tạp (CNR) trung bình phải là 4,3 dB và 13,8 dB tương ứng khi không có và có pha-đinh Rayleigh. Như vậy, công suất đầu ra trung bình trong trường hợp có Pha-đinh Rayleigh phải cao hơn 9,5 dB. Việc dùng 2 anten (tức là 2 nhánh phân tập) giảm yêu cầu về công suất xuống 8,4 dB, và ta có thể nói rằng mảng 2 phần tử tạo ra tăng ích phân tập là 5,4 dB (=13,8-8,4). Rõ ràng là tăng ích phân tập cực đại có thể đạt được với nhiều anten kết hợp tỉ lệ cực đại là 9,5 dB ở mức BER này, và giá trị này sẽ đạt tiệm cận với M lớn như chứng minh trong (2.29). Ta cũng thấy rằng tốc độ tăng của tăng ích phân tập giảm khi M tăng. Do đó tăng ích phân tập khi M di chuyển từ M=10 đến M=20 thấp hơn nhiều khi M chạy từ 1 đến 2. -42- 2.1.3. Tăng ích anten Ta cần phân biệt rõ tăng ích phân tập với tăng ích anten (được định nghĩa là tỉ số của tỉ số sóng mang-trên-tạp đầu ra của mảng trên tỉ số sóng mang- trên-tạp đầu ra của một phần tử đối với các tín hiệu đầu vào có tính tương quan cao- ví dụ như một sóng tới phẳng). Như đã biết với một sóng tới phẳng, đáp ứng ở các phần tử khác nhau chỉ khác nhau bởi một hệ số exp(jα), trong đó α = kodcosф phụ thuộc vào khoảng cách các phần tử, tần số cao tần, và góc tới của sóng phẳng so với trục của anten mảng. Tín hiệu đầu vào cho tăng ích anten sẽ được giả thiết là có dạng u(t) oP2 [1, exp(jα), exp(j2α), ..., exp(j[M-1]α)]T ψoPtu 2)( ∆= , trong đó Po là công suất trung bình của mỗi nhánh. Với kỹ thuật kết hợp chọn lọc, chỉ một nhánh được kích hoạt tại một thời điểm, do đó không có tăng ích anten. Ở trường hợp kết hợp tỉ lệ cực đại và kết hợp tăng ích đều các trọng số tương ứng sẽ bằng hoặc là một phần của w= ψoP2 /Pmo, trong đó Pmo là công suất tạp đầu vào ở mỗi nhánh. Tín hiệu kết hợp cộng với điện áp tạp cho một sóng phẳng tới là: U(t) = ])(2[2 νψψψ HHo mo o tuP P P + = νψ H mo o mo o P P tu P MP 2 )( 2 + (2.30) Công suất sóng mang trung bình ở đầu ra là ET(|[2MPou(t)/Pmo]2|)/2 = 2M2(Po/Pmo)2, trong khi công suất tạp ở đầu ra là Po 2/ moHH Pψννψ =2MPo/Pmo, giả sử tạp là không tương quan ở các nhánh và dùng )(2 tmυ =2 moP . CNR đầu ra khi đó bằng: mo o P MP=γ (2.31) Từ đó ta thấy rõ ràng là tăng ích anten mảng bằng M. Chú ý rằng mức cải thiện CNR trung bình của bộ kết hợp tỉ lệ cực đại là như nhau bất kể các -43- nhánh có tương quan với nhau hay không. Vấn đề này sẽ được tiếp tục đề cập chi tiết hơn ở phần sau. Kết quả trên cũng có thể thu được từ lý thuyết anten chuẩn. Lý thuyết này dự đoán mức độ định hướng của một anten mảng theo độ dài của nó. Sự định hướng của một mảng theo chiều rộng, phân bố đều M phần tử phụ thuộc vào d/λ với hệ số M. Với d = nλ/2, n là số nguyên, độ định hướng của mảng bằng M. Với các khoảng cách khác giữa các phần tử, độ định hướng dao động quanh M, tiến tới tiệm cận M ở d/λ lớn. Với d = nλ, trong đó n là số nguyên, độ định hướng bị giảm mạnh do tác động của các búp bên. 2.1.4. Ảnh hưởng của tương quan nhánh Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập sẽ giảm khi các nhánh không hoàn toàn bất tương quan với nhau - vấn đề này cũng đã được đề cập trong [32] hoặc [53]. Sự tương quan nhánh có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như sự giải-trải góc của các sóng tới hay việc nối ghép cặp giữa các phần tử anten. Ví dụ, với một sóng tới phẳng, hai nhánh sẽ luôn tương quan với nhau bất kể khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu. Để minh hoạ ảnh hưởng này, ta xét trường hợp hai nhánh dùng kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại, tín hiệu Gauss phức ở các nhánh là tương quan với nhau với hệ số tương quan phức là ρ12. Hệ số này xác định mức độ tương quan giữa các tín hiệu thu được ở hai điểm cách nhau một khảng cách d. Với sóng phẳng từ mặt phẳng xy, hệ số tương quan này được định nghĩa là: φρ cos12 djkoe−= (2.32) trong đó: - dấu ngoặc nhọn biểu thị trung bình thống kê đối với biến góc ф. - d là khoảng cách tương ứng với khoảng cách d giữa các phần tử trong Hình 2.4. -44- Hình 2.4. Hai phần tử với các tín hiệu tương quan Đường bao tương quan giữa 2 nhánh là ρe ≈ |ρ12|2. Trong trường hợp có tương quan giữa các nhánh, hàm phân bố tích luỹ của tín hiệu kết hợp trong (2.23) sẽ được biến đổi thành: [32] [ ]Γ−−Γ+− −−+−= |)|1/(12|)|1/(12 12 1212 |)|1(|)|1( ||2 11)( ργργ ρρργ ss eeP s (2.33) và hàm mật độ xác suất tương ứng sẽ trở thành: [ ]Γ−−Γ+− −Γ= |)|1/(|)|1/(12 1212||2 1)( ργργργ ss eep (2.34) CNR trung bình của tín hiệu kết hợp sẽ duy trì ở ‹γ› = 2Г (độc lập với |ρ12|) và có thể được kiểm tra dễ dàng từ (2.34). Tuy nhiên, phân bố của γ sẽ phụ thuộc vào |ρ12| như thấy trong Hình 2.5. BER cho cơ cấu điều chế cơ bản như BPSK nhất quán có thể được thực hiện như phần trước và bằng ∫∞= 0 )()( 2 1 γγγ dperfcPe                     Γ−+ −−+           Γ++ −+= |)|1( 11 11|)|1( |)|1( 11 11|)|1( ||4 1 12 12 12 12 12 ρ ρ ρ ρρ (2.35) ρ12 d -45- -20 -10 0 10 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 -20 -10 0 10 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 P( γ s) 10log(γs/I _) |ro12|2 =0.00 |ro12|2=0.50 |ro12|2=0.75 |ro12|2=1.00 Hình 2.5. Ảnh hưởng của tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu ra ở bộ kết hợp tỉ lệ cực đại gồm 2 nhánh phân tập. Với trường hợp đặc biệt là tương quan hoàn hảo, tức là ρ12=1, biểu diễn trên có thể rút gọn tương ứng với trường hợp M=1 (chỉ có 1 nhánh anten). Hệ số tương quan phụ thuộc vào phân bố của sóng tới theo góc tà - phụ thuộc vào vị trí phân bố của các vật tán xạ nằm giữa anten phát và anten thu. Nếu các sóng tới phân bố đồng đều theo mặt phẳng nằm ngang từ mọi góc, như đối với trường hợp máy thu di động nằm trong môi trường có nhiều vật tán xạ xung quanh, thì có thể áp dụng mô hình 2D Clarke cổ điển. Ngược lại, các sóng thu được ở trạm gốc ở trên cao sẽ có hướng tới nằm trong một góc tương đối hẹp, và ta cần dùng mô hình tán xạ tròn để mô tả trường hợp này. Trong mô hình tán xạ tròn, các vật tán xạ được giả thiết là phân bố đều trong đướng tròn bán kính R quanh máy di động. Sóng truyền từ máy di động đến trạm gốc được coi như truyền qua một cạnh tán xạ của vật tán xạ. Do vùng tán xạ là hữu hạn, các sóng phát ra từ máy di động sẽ tới trạm gốc trong phạm vi một góc nhỏ quanh hướng từ trạm gốc tới máy di động. Nếu khoảng cách giữa -46- máy di động và trạm gốc là D, thì tương quan không gian giữa hai phần tử với mô hình tán xạ tròn là: DdRk DdRkJ o o / )/( 2 112 =ρ (2.36) trong đó: Jn(.) là hàm Bessel loại một bậc n. Góc trải của sóng tới sẽ phụ thuộc vào kích thước tương đối của R và D. Sử dụng d/λ = 5, chỉ tiêu BER được tính từ (2.35) cho các giá trị độ trải góc khác nhau được trình bày trong Hình 2.6 theo ‹γ› (tính bằng dB). Với mô hình đã chọn, căn trung bình bình phương độ trải góc là 1o (xét từ trạm gốc) làm tăng đường bao tương quan lên bằng 0,74. Rõ ràng là, khi độ trải góc tăng, tín hiệu ở các nhánh ít tương quan hơn và đường BER tiến tới đường phân tập 2-nhánh (ρ12=0) lý tưởng. So sánh với Hình 2.3, ta thấy rằng khi giá trị căn trung bình bình phương của độ trải góc bằng 2o thì hai tín hiệu hầu như không tương quan với nhau. Ở giá trị BER=10-2, tăng ích phân tập cho trường hợp phân tập 2-nhánh giảm đi khoảng 5 dB (= 14-9 dB) khi tín hiệu thay đổi từ không tương quan sang tương quan hoàn toàn. -10 -5 0 5 10 15 20 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 -10 -5 0 5 10 15 20 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 P e =2I _ phi rms=0 (ro=1) phi rms=0.5 (ro=0.93) phi rms=1 (ro=0.74) phi rms=1.5 (ro=0.49) phi rms=2 (ro=0.26) Hình 2.6. BER so với ‹γ› (dB) của bộ kết hợp tỉ lệ cực đại 2 nhánh có pha- đinh tương quan -47- 2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng 2.2.1. Chuyển búp sóng Anten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra của chúng có thể thay đổi để chiếu tới một hoặc nhiều máy thu nhất định. Do đó, một ô trong hệ thống sẽ được chia nhỏ bởi một nhóm các búp sóng liên tục. Anten mảng bám pha động cũng có thể được coi là một loại anten chuyển búp sóng, nhưng nó sử dụng thêm thông tin hướng tới từ người dùng mong muốn để quay hướng cực đại búp sóng về phía người đó nên có chỉ tiêu tốt hơn anten chuyển búp sóng thông thường. Còn đối với anten thích nghi, cấu trúc búp sóng có thể biến đổi thích nghi với môi trường tín hiệu cao tần, định hướng búp sóng tới người sử dụng mong muốn, đồng thời làm suy giảm tăng ích anten ở hướng gây nhiễu. Tuy có chỉ tiêu tốt hơn, nhưng anten mảng thích nghi thường phải sử dụng những xử lý số phức tạp nên có chi phí tốn kém hơn hệ thống chuyển búp sóng. Hệ thống chuyển búp sóng đơn giản chỉ bao gồm một mạch tạo búp sóng, một chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn búp sóng mong muốn. Mỗi máy thu phải có một cơ chế lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa vào các vector trọng số đã định. Cơ chế để lựa chọn búp sóng hiệu quả là khá phức tạp và tuỳ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA hay FDMA. Anten chuyển búp sóng tạo ra một tập hợp cố định các búp sóng tương đối hẹp. Đầu ra cao tần tới các búp sóng này có thể là tín hiệu cao tần hoặc tín hiệu đã qua xử lý băng gốc số. Mỗi vùng phủ dẻ quạt (120o) được phục vụ bởi một mảng các chấn tử phát xạ nối với nhau qua mạch chuyển búp sóng. Trong trường hợp lý tưởng, các búp sóng được tạo ra là độc lập với nhau. Số búp sóng có thể thay đổi, ví dụ: sáu búp sóng có độ rộng 20o hay bốn búp sóng có độ rộng 30o cho mỗi vùng phủ dẻ quạt. -48- Với anten mảng tuyến tính, độ rộng búp sóng theo phương nằm ngang được xác định bởi chiều dài của mảng và bước sóng. Ở chiều thẳng đứng, các phần tử anten được xếp chồng lên nhau để giảm độ rộng búp sóng theo chiều này. Điều đó cũng làm tăng tăng ích anten vì tăng ích này phục thuộc vào cả độ rộng búp sóng theo chiều nằm ngang và thẳng đứng. Tăng ích có thể tính bằng: G = ηGd(θ,φ) (2.37) trong đó: η là hiệu suất anten, Gd là tăng ích định hướng, θ và φ là độ rộng búp sóng tương ứng theo phương nằm ngang và thẳng đứng, tính bằng độ [o]. Mạch thông dụng nhất để tạo lập búp sóng trong kỹ thuật chuyển búp sóng là ma trận Butler [49]. Ma trận tạo búp sóng Butler của hệ thống 8 búp sóng liên tiếp có 8 cổng vào và 8 cổng ra. Đây là một cấu trúc thuận nghịch, mỗi đầu có thể là cả đầu vào hoặc đầu ra cao tần. Ma trận này gồm 4 bộ chuyển đổi hay bộ nối ghép cặp theo hướng và các bộ chuyển pha cố định thụ động. Số lượng mỗi loại phục thuộc vào số búp sóng phát ra. Ví dụ, với anten mảng tuyến tính M phần tử, số lượng bộ nối ghép cặp là: c = (M/2) log2M (2.38) trong đó: M là số búp sóng. Số bộ chuyển pha số định là: s = M/2 log2(M-1) (2.39) Khi số cổng (búp sóng) lớn, thì giá trị trên là khá lớn. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thông tin di động tổ ong, giá trị này ở mức có thể chấp nhận được. -49- Các mảng Butler có thể lập lên mọi mẫu búp sóng là bội số nhân của 2: 2, 4, 8, 16, 32 .v.v. Số búp sóng sẽ bằng số phần tử của mảng. Các kỹ thuật tạo búp sóng có thể sử dụng trong các mảng hai chiều bằng cách phối hợp đầu ra các cột phần tử anten thành các ma trận, sau đó phối hợp các đầu ra của ma trận cột này thành một nhóm ma trận hàng. Ở giữa băng thông của anten, khi khoảng cách giữa các phần tử anten bằng 1/2 độ dài bước sóng, vị trí của búp sóng tính bằng: sinθ = 2k - 1 / M (2.40) trong đó: θ là góc lệch, và k là số búp sóng Độ rộng búp sóng và khoảng cách búp sóng biến đổi ngược nhau so với tần số, nên có thể duy trì mức giao cắt không đổi ở giữa các búp sóng. Ngoài xử lý bằng kỹ thuật tương tự (analog) như trên, anten chuyển búp sóng cũng có thể được thực hiện bằng kỹ thuật xử lý số. Khi đó, tín hiệu cao tần được biến đổi xuống trung tần, rồi xuống băng gốc. Sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số trong bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D). Tín hiệu này tiếp tục được xử lý ở máy thu số rồi chuyển đến mạch tạo búp sóng số. Các hệ thống anten thông minh chuyển búp sóng có ưu điểm là đơn giản và chi phí không quá cao, nhưng vẫn có một số nhược điểm sau: - Thứ nhất là không tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các hướng gần với hướng của tín hiệu mong muốn, do hệ thống dựa vào mạch tạo búp sóng cố định mà thường nhậy cảm với tán xạ góc của các thành phần đa đường hơn là các hệ thống dựa vào các bộ xử lý mảng thích nghi. - Thứ hai là không có khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường bằng cách kết hợp các thành phần đa đường. -50- - Thứ ba là công suất nhận được từ thuê bao sẽ bị thăng giáng khi thuê bao di chuyển vòng tròn quanh trạm gốc do hiện tượng vỏ sò (scalloping) - một đường đẳng mức của giản đồ phương hướng anten phụ thuộc hướng tới thay đổi theo đường kính của mỗi búp sóng được tạo ra bởi mạch tạo búp sóng; Thông thường các mạch này tạo ra các búp sóng đan chéo nhau, do đó cường độ tín hiệu của thuê bao thay đổi khi thuê bao di chuyển từ giữa búp sóng đến biên vùng phủ của một búp sóng nào đó. Mặc dù có những nhược điểm như trên song hệ thống chuyển búp sóng vẫn được sử dụng phổ biến vì các lý do sau: - Có khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng từ các hệ thống phức tạp. Tuỳ theo môi trường truyền sóng, các hệ thống chuyển búp sóng có thể làm giảm độ trải trễ, hỗ trợ môi trường thuê bao tốc độ cao... - Vì việc tạo búp sóng cố định là trường hợp đơn giản nhất của kỹ thuật Anten thông minh nên chi phí thiết kế và vấn đề sử dụng các hệ thống này sẽ thấp hơn các kỹ thuật phức tạp khác. Khả năng tăng dung lượng khi sử dụng anten thông minh chuyển búp sóng trong các hệ thống thông tin di động được đánh giá cụ thể trong Chương 3. Với anten thích nghi, chắc chắn chỉ tiêu hệ thống đạt được còn tốt hơn nữa. 2.2.2. Tạo búp sóng thích nghi Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi cho phép hiệu chỉnh một cách mềm dẻo giản đồ phương hướng của anten mảng để tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thu được. Trong quá trình quay búp sóng, búp sóng chính của mảng có thể thay đổi hướng một cách liên tục hoặc theo từng bước nhỏ. Anten mảng sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi có thể loại bỏ tín hiệu gây nhiễu có hướng tới khác hướng tín hiệu mong muốn. Anten mảng đa phân cực cũng có thể loại bỏ các tín hiệu gây nhiễu có các trạng thái phân cực khác trạng thái phân cực của tín hiệu mong muốn, ngay cả khi chúng có cùng -51- hướng tới với tín hiệu mong muốn. Những khả năng đặc biệt này có thể được sử dụng để cải thiện dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Dạng hình học của anten mảng và các yếu tố khác như giản đồ phương hướng, hướng, phân cực của các phần tử đều có ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng của anten mảng. Các trọng số phức của mỗi phần tử trong anten mảng có thể được tính toán nhằm tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thu được. Điều này không phải luôn luôn thực hiện được; ngay cả với một anten mảng có một búp sóng định hướng tối đa theo tín hiệu mong muốn vẫn có thể không tạo ra được tín hiệu anten mảng đầu ra tối ưu. Thông thường, việc tối ưu anten mảng được thực hiện bằng cách tạo ra các búp có giá trị bằng không (null) theo hướng tín hiệu gây nhiễu. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi là một phép lặp xấp xỉ của tạo búp sóng tối ưu. Với một anten mảng tổng quát, tín hiệu đầu ra của mảng y(t) là tổng có trọng số của các tín hiệu nhận được si(t) ở các phần tử mảng có giản đồ phương hướng gm(θ,φ ) (tăng ích) và tạp âm nhiệt n(t) từ các máy thu nối với các phần tử (Hình 2.7). Trong trường hợp chúng ta đang xét, s1(t) là tín hiệu mong muốn, và có L tín hiệu khác được xem như là nguồn gây nhiễu. Trong một hệ thống thích nghi, trọng số wm được xác định theo phương pháp lặp dựa trên tín hiệu đầu ra y(t), một tín hiệu tham khảo d(t) – là tín hiệu gần đúng của tín hiệu mong muốn, và các trọng số quá khứ (được xác định ở các bước lặp trước). Tín hiệu tham khảo được giả thiết là giống hệt với tín hiệu mong muốn. Trong thực tế giả thiết này có thể đạt được hoặc gần đúng khi chúng ta sử dụng một chuỗi huấn luyện hoặc chuỗi đồng bộ hoặc một mã trải phổ CDMA mà đã được máy thu biết trước. Ở đây, ta sẽ xác định các thành phần trọng số tối ưu cho phép tối thiểu hoá lỗi bình phương trung bình ε(t) giữa tín hiệu đầu ra của anten mảng và tín -52- hiệu tham khảo. Tín hiệu mong muốn s1(t), L tín hiệu gây nhiễu, và tạp âm Gauss trắng cộng được coi là cùng một nguồn. Giản đồ phương hướng không nhất thiết phải giống nhau đối với mọi phần tử anten. Hình 2.7. Anten mảng thích nghi Đầu ra của mảng được tính bằng: y(t)=wHx(t) (2.41) trong đó wH là biến đổi liên hợp phức chuyển vị của vectơ trọng số w. 2.2.2.1. Vectơ đáp ứng của mảng Vectơ đáp ứng của mảng đối với một tín hiệu có hướng tới là ),( φθ và trạng thái phân cực P có thể được viết như sau:           = ),,( : ),,( ),,( ),,( 2 1 2 1 Pge Pge Pge Pa M j j j M φθ φθ φθ φθ ζ ζ ζ (2.42) Điều khiển -53- Trong đó: mζ là dịch pha tương ứng với trễ pha không gian của mặt sóng phẳng của tín hiệu tới theo hướng ),( φθ , và ),,( Pgm φθ là hệ số giản đồ phương hướng anten của phần tử thứ m. 2.2.2.2. Vết không gian-phân cực Vết không gian-phân cực là đáp ứng tổng của mảng đối với tín hiệu có N thành phần đa đường và được biểu diễn như sau: ∑ = = N n nnnn Pa 1 ),,( φθαν (2.43) Trong đó: nα là biên độ và pha của thành phần thứ n. nnn P,,φθ là góc tới và trạng thái phân cực của thành phần thứ n. 2.2.2.3. Ma trận vết không gian-phân cực Đáp ứng của mảng đối với nhiều tín hiệu (trong trường hợp một tín hiệu mong muốn và L tín hiệu gây nhiễu) có thể được biểu diễn theo ma trận vết không gian-phân cực. Các cột của ma trận là các vết không gian-phân cực của bản thân các tín hiệu. Ma trận được viết như sau: [ ] [ ]id L UU U | ...| 121 = = +ννν (2.44) Trong đó: Ud là đáp ứng đối với tín hiệu mong muốn s1(t), Ui là đáp ứng đối với các tín hiệu gây nhiễu. Đầu ra của M máy thu trước khi thực hiện nhân trọng số là: x(t)=U s(t)+n(t) (2.45) -54- 2.2.2.4. Tín hiệu và tạp âm Các tín hiệu tới (bất kể hướng tới và phân cực) có thể được viết là: 1 2 +1( ) = [ ( ), ( ),..., ( )] = [ ( ) | ( )] T T L d is t s t s t s t s t s t (2.46) Trong đó: sd(t)=s1(t) là tín hiệu mong muốn, và si(t) là các tín hiệu còn lại (tín hiệu gây nhiễu). Trong trường hợp tất cả các tín hiệu được xem như không tương quan với nhau và có dạng sk(t)= ks uk(t)e jωt trong đó ks là biên độ của tín hiệu và uk(t) là tín hiệu điều chế băng gốc chuẩn. Tạp âm tại M máy thu được tính bằng: n(t) = [n1(t), n2(t), ...,nM(t)]T (2.47) Tạp âm tại các nhánh máy thu khác nhau là không tương quan. 2.2.2.5. Trọng số tối ưu Để tối ưu các trọng số ở mỗi phần tử, chúng ta cần giảm thiểu lỗi trung bình bình phương giữa đầu ra của mảng và tín hiệu chuẩn d(t). Việc tối ưu hoá SINR sẽ làm cho các trọng số lệch đi một đại lượng nhân vô hướng so với các trọng số trình bày ở đây. Xử lý chênh lệch này như đối với trường hợp các phần tử đẳng hướng, và nghiệm của các trọng số tối ưu là [78]: -1=opt xx xdw R r (2.48) trong đó: )()( txtxR Hxx = là ma trận hiệp biến (covariance) của tín hiệu, và )()(* txtdrxd = là ma trận tương quan chéo giữa d(t) và x(t) Kết quả này giống với biểu diễn các trọng số tối ưu đối với anten mảng bao gồm các phần tử đẳng hướng [78]. Tuy nhiên, trong trường hợp này, Rxx, rxd, và do đó cả wopt đều phụ thuộc vào góc tới của L+1 tín hiệu, và giản đồ phương hướng của các phần tử. -55- Như vậy, vấn đề là cần cập nhật trọng số tối ưu với một thuật toán nào đó có chỉ tiêu tốt nhưng vẫn đảm bảo được khả năng thực hiện với thiết bị thực tế. 2.2.3. Các thuật toán thích nghi Các thuật toán tạo búp thích nghi thực hiện các phép lặp tiến tới xấp xỉ các trọng số tối ưu nói trên. Có rất nhiều thuật toán định dạng thích nghi đã được phát triển. Ưu nhược điểm của một số thuật toán cơ bản hay được sử dụng trong kỹ thuật tạo búp sóng cho thông tin di động được tóm tắt sau đây. 2.2.3.1. Trung bình bình phương nhỏ nhất Thuật toán trung bình bình phương nhỏ nhất (LMS) sử dụng phương pháp có bước giảm dần và tính toán vectơ trọng số đệ quy sử dụng phương trình: ][][]1[)( 1 * 11 npnnwnw LMSpεµ+−= (2.49) trong đó: pµ là hằng số tăng ích và điều khiển tốc độ thích nghi. Thuật toán LMS yêu cầu biết trước thông tin về tín hiệu mong muốn. Điều này có thể thực hiện được trong một hệ thống số bằng cách phát theo chu kỳ một chuỗi huấn luyện được máy thu biết trước, hoặc sử dụng mã trải phổ trong trường hợp hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp. Thuật toán này hội tụ chậm nếu dải véc-tơ riêng của Rxx lớn. Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ Nhược điểm: Yêu cầu tín hiệu tham khảo 2.2.3.2. Nghịch đảo ma trận liên hợp lấy mẫu trực tiếp Công thức cập nhật trọng số trong thuật toán này vẫn là công thức (2.48), nhưng Rxx và rxd được đánh giá từ dữ liệu được lấy mẫu trên một khoảng thời gian xác định. Đánh giá các tham số này là: -56- ,)()(ˆ 2 1 ∑ = = N Ni H xx ixixR (2.50) ∑ = = 2 1 )()(*ˆ N Ni xd ixidr (2.51) Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ; Tốc độ hội tụ nhanh hơn LMS. Nhược điểm: Yêu cầu tín hiệu tham khảo; tính toán phức tạp 2.2.3.3. Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy Thuật toán bình phương tối thiểu đệ qui (RLS) ước lượng Rxx và rxd sử dụng các tổng trọng số như sau: (2.52) và (2.53) Nghịch đảo ma trận hiệp biến có thể thực hiện bằng cách đệ quy, và điều này dẫn đến phương trình cập nhật trọng số: )]()1(ˆ)(*)[()1(ˆ)(ˆ nxnwndnqnwnw H −−+−= (2.54) trong đó: )()1()(1 )()1()( 11 11 nxnRnx nxnRnq xx H xx −+ −= −− −− γ γ (2.55) và )]1()()()1([ 1111 −−−= −−−− nRnxnqnRR xxxxxx γ (2.56) Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ; Tốc độ hội tụ nhanh gấp 10 lần so với LMS Nhược điểm: Yêu cầu đánh giá ban đầu về Rxx-1 và tín hiệu tham khảo. 2.2.3.4. Các thuật toán quyết định trực tiếp Trong thuật toán quyết định trực tiếp, các trọng số có thể được cập nhật bằng bất kỳ thuật toán nào ở trên, nhưng tín hiệu chuẩn được lấy ra từ quá -57- trình thực hiện giải điều chế tín hiệu y(t), tức là không yêu cầu thông tin chuẩn từ bên ngoài. Tuy nhiên, thuật toán này không đảm bảo sự hội tụ vì y(t) có thể khác d(t). 2.2.3.5. Thuật toán hằng số theo khối Thuật toán hằng số theo khối là thuật toán mù dược đề xuất bởi Goddard, Treichler và Agee [17]. Thuật toán này không yêu cầu biết trước thông tin về tín hi