Mô hình kênh phađing và các thông số đặc trưng

Chương I mô hình kênh phađing & các thông số đặc trưng 1.1. Giới thiệu Với mục đính của đồ án là trình bầy các giải pháp đồng bộ để định thời và pha sóng mang hay nói cách khác là trình bầy các phương pháp khôi phục sóng mang và định thời ký hiệu cho hệ thống truyền thông trong môi trường kênh pha đinh. Muốn vậy việc đầu tiên là phải biết được tính cách của kênh pha đinh nghĩa là phải biết được các thông số đặc trưng của kênh pha đinh, cách thức mà kênh pha đinh gây ảnh hưởng lên dữ liệu tin được truyền trên nó ở dạng các thông số đặc trưng của kênh pha đinh tác động vào các thông số đặc trưng của dữ liệu tin. Theo đó, chương này đồ án trình bầy mô hình kênh pha đinh liên tục và rời rạc, phân loại kênh pha đinh và rút ra các thông số đặc trưng của kênh pha đinh đồng thời cũng đưa ra các thông số đặc trưng cho một số kênh pha đinh quan trọng. Để đáp ứng yêu cầu gia tăng cả về tính di động và chất lượng vụ của nhiều loại hình dịch vụ chất lượng cao, thì việc truyên thông vô tuyến số cho tiếng số hoá, hình ảnh tĩnh hoặc động, bản tin, các dữ liệu khác đóng vai trò vai trò quan trọng trong thiết kế và thực thi các hệ thống thông tin di động và cá nhân [1,2]. Về mặt bản chất, tất cả các kênh vô tuyên dù ít hay nhiều đều có tính phân tán (dispersive) và tính phụ thuộc thời gian (time-variant). Tuy vậy, nhiều môi trường điện từ như: kênh vệ tinh hoặc kênh Vi ba tầm nhìn thẳng LOS,.. thường được coi là bất biến theo thời gian (time-invariant), khi này có thể áp dụng các cấu trúc máy thu gồm các bộ đồng hồ được rút ra từ các kênh tĩnh. Mặt khác, các môi trường như kênh di động mặt đất (LM: Land-Mobile), di động vệ tinh (SM: Satellite-Mobile), hoặc sóng ngắn tầng điện ly (tần số cao, HF) tỏ ra biến đổi tín hiệu đáng kể trong phạm vi thời gian ngắn (short-term time scale), sự thăng giáng tín hiệu gây ảnh hưởng gần như ở mọi tầng của hệ thống truyền tin. Đồ án tập chung nghiên cứu cho loại điều chế tuyến tính. Các thay đổi lớn về mức tín hiệu thu do phađing cùng với các phần tử của máy thu số; vì vậy độ chính xác cho các bộ chuyển đổi A/D và xử lý tín hiệu số phải cao hơn so với các kênh tĩnh. Đặc biệt, khi xảy ra phađing sâu, cần phải dùng các kỹ thuật phân tập để khắc phục, thường phân tập thời gian ẩn và hiện (được thấy ở dạng các giao thức phát lại hoặc sử dụng mã hoá kênh thích hợp với đan xen), anten, không gian, và phân tập phân cực [3]. Ngoài ra, nếu phân tán kênh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu ISI, thì phải được khắc phục bởi bộ cân bằng (thích ứng). Cuối cùng, việc truyền dẫn trên các kênh pha đinh cần phải có các cấu trúc bộ đồng bộ được thiết kế đặc biệt và các thuật toán, nhìn chung về cơ bản khác so với các kênh tĩnh. Theo đó, đồ án sẽ tập trung rút ra các bộ đồng bộ dưới dạng toán hệ thống, dựa trên mô hình phù hợp cho tất cả các tín hiệu và các hệ thống được cho trong [4]. Đặc biệt quan tâm nhiều nhất vào việc mô hình hoá kênh pha đing thích hợp. Vì khi quan trắc sự thay đổi kênh tại máy thu là ngẫu nhiên, nên ta xét mô hình kênh thống kê. Hơn nữa, do các bộ đồng bộ chủ yếu phải đối phó với các biến đổi ngắn hạn của các đại lượng biên độ và pha của tín hiệu thu, nên thường coi các thuộc tính kênh thống kê là dừng ít nhất trong khung thời gian đủ ngắn. Trên cơ sở đó đồ án sẽ thực hiện xây dựng mô hình toán học đặc trưng hoá cho các kênh pha đinh một cách vắn tắt đối với lớp các kênh phađinh liên tục và rời rạc theo thời gian. Trình bày vắn tắt các đặc tính thống kê của kênh phađinh cũng như việc phân loại kênh phađinh. Đặc biệt mô hình hoá các ảnh hưởng của kênh lên các thông số đồng bộ ở dạng toán học, nhờ đó làm cơ sở nền tảng cho việc ước tính và thực hiện đồng bộ các thông số đồng bộ ở các chương sau. 1.2. Mô hình kênh pha đinh liên tục Trong quá trình truyền tin số trên các kênh tuyến tính, thì tín hiệu băng tần cơ sở phát tương đương s (t) là chuỗi các đáp ứng xung bộ lọc phát , bị trễ bởi kT và được đánh trọng lượng bởi các ký hiệu dữ liệu M-PSK hoặc của M-QAM: (1.1) Do quan tâm đến việc truyền thông vô tuyến giới hạn băng thông chặt. Vì vậy, tất cả các tín hiệu và hệ thống được hiểu là sự trình bày đường bao giá trị phức thông thấp tương đương của các bản sao băng thông của chúng. Tất cả hệ thống và các tín hiệu đường bao thông thấp quy vào sóng mang máy phát sao cho tín hiệu thông băng phát được tập trung xung quanh tần số sóng mang phát. Kênh pha đinh vật lý chỉ là hệ thống tuyến tính thông thấp tương đương được đặc tính hoá bởi đáp ứng xung kênh CIR (Channel Impulse Response) pha đinh phụ thuộc thời gian giá trị phức hoặc hàm truyền đạt kênh tức thời là biến đổi chuỗi Fourier của theo biến trễ tại thời điểm t. Hầu hết các kênh vô tuyến được đặc tính hoá bởi truyền sóng đa đường ở đó tồn tại nhiều tia phản xạ và tán xạ đến phía thu. Kịch bản tán xạ điển hình được cho ở hình 1.1 đối với môi trường vô tuyến di động. Trừ khi bị che khuất, tia LOS (đường nét đứt) đến máy thu sớm nhất, trong khi đó các tia khác (các đường liền) bị phản xạ từ các vật thể khác trong các vùng lân cận. Mỗi một tia được đặc tính hoá bởi suy giảm (biên độ “khuyếch đại” ), dịch pha và trễ truyền sóng riêng. Hai vấn đề trên được biểu diễn hợp bởi hệ số khuyếch đại giá trị phức trong đó là khuyếch đại biên độ phụ thuộc thời gian và là dịch pha ngẫu nhiên. ở đây, các trễ được rút ra từ quan hệ với trễ truyền sóng của tia đến đầu tiên (thường là tia LOS). Quan hệ trễ truyền sóng và khoảng cách truyền sóng giữa máy phát và máy thu là: (1.2) Hình 1.1 Kịch bản tán xạ điển hình trong thông tin di động Trong đó c vận tốc của ánh sáng. Thường, và thay đổi chậm theo thời gian; vì vậy trễ phân biệt tức thời được coi là dừng trong trong khung thời gian phù hợp sao cho chúng có thể được đánh chỉ số . Đáp ứng xung kênh vật lý chứa trễ truyền sóng được trình bày như là sự xếp chồng của N xung Dirac được đánh trọng lượng và bị trễ: (1.3) Trong truyền tin số ở đó các pha đồng hồ máy phát và máy thu có thể khác nhau, nên trễ đồng hồ máy thu (hoặc sớm nhịp, nếu âm) phải được cộng vào trễ truyền sóng. Giả sử tốc độ đồng hồ phát và thu , lệch định thời tương đối là dừng và . Độ trễ truyền sóng bây giờ được biểu diễn theo khoảng thời gian ký hiệu T như sau: (1.4) Với là số nguyên sao cho trễ phụ phân đoạn (hoặc sớm) cũng trong phạm vi . Từ hình 1.2, thấy rõ là trễ phân đoạn của tia đa đường đến đầu tiên theo nhịp đồng hồ ký hiệu máy thu gần nhất. Với mục đích thiết kế máy thu, cần phải đưa ra đáp ứng xung kênh theo chuẩn định thời máy thu: (1.5) Hình 1.2 Các phạm vi thời gian máy phát và máy thu (xem hình 1.2). Tổng quát, do trễ truyền sóng không phải là nguyên lần chu kỳ ký hiệu T, nên trễ định thời có thể nhận giá trị bất kỳ trong phạm vi thậm chí trong trường hợp thích hợp chính xác giữa đồng hồ bộ máy phát và máy thu . Vì vậy, “khởi đầu” của đáp ứng xung kênh (tia đến đầu tiên) có thể bị lệch đi một nửa ký hiệu tương ứng với chuẩn định thời máy thu. Từ mô hình kênh (1.5), cần phải đồng nhất các nhiệm vụ đồng bộ máy thu. Xét về nhất quán hoặc chỉ thu nhất quán vi sai, tồn tại các trọng lượng đường truyền giá trị phức thay đổi ngẫu nhiên cần có một số loại khôi phục sóng mang, nghĩa là phải dùng cơ chế đồng bộ pha và điều khiển khuyếch đại nếu điều chế đa mức (M-QAM). Các trễ định thời và đa đường phân biệt và tương ứng, phục vụ cho đồng bộ định thời. Nếu kênh là không chọn lọc(, xem bên dưới), thì đồng bộ định thời được thực hiện bằng cách ước tính và bù trễ định thời . Trường hợp kênh chọn lọc tần số: Trường hợp các kênh chọn lọc, thì phiên bản đáp ứng xung kim kênh đã được lọc và lấy mẫu phải được ước tính và bù bằng kỹ thuật cân bằng. Ngoài dịch pha ngẫu nhiên do kênh, sự không hoàn hảo của các bộ dao động phát và thu cũng ảnh hưởng đáng kể, thường không ngẫu nhiên nhưng không biết trước dịch tần. Nếu xẩy ra sự lệch rất lớn hoặc vượt quá tốc độ ký hiệu , thì cần phải đồng bộ tần số sơ bộ trong máy thu. Theo đó dưới đây, ta coi rằng dịch tần số nhỏ và ở mức độ vừa phải trong phạm vi , nghĩa là, phổ tín hiệu thu có thể bị dịch lên đến 10-15% tốc độ ký hiệu. Nếu đưa vào mô hình tín hiệu và kết hợp dịch pha sóng mang không đổi vào các trọng lượng đường truyền sóng giá trị phức, thì tín hiệu mang tin [phương trình (1.1)] được truyền qua kênh mang lại tín hiệu thu bị dịch tần thông qua sự quay pha : (1.6) Với là đáp ứng xung kênh hiệu lực phụ thuộc thời gian, bao gồm lọc phát và trễ định thời phân đoạn. CIR và hàm chuyển đạt của nó có thể được khai triển như sau: (1.7) trong đólà phép tích chập, và là CIR & kênh vật lý tương ứng, chỉ lấy xét các trễ phân biệt, vì vậy bỏ qua trễ định thời và truyền sóng. Việc khai triển này hữu hiệu cho việc mô hình hoá và mô phỏng kênh vì các ảnh hưởng của kênh vật lý (pha đing, phân tán), lọc máy phát và lệch định thời (truyền sóng, đồng hồ máy thu) được quy vào các phần tử và tương ứng. Ta chú ý rằng định nghĩa về đáp ứng xung kim kênh được dùng ở đây không bao gồm việc lọc thu và vì vậy khác với các tài liệu thường dùng ở đó hàm ý đến tầng có bộ lọc phát, kênh vật lý và bộ lọc thu. ở đây, n(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) với mật độ phổ công suất N0, Mặc dù, thực tế n(t) bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu đồng kênh (CCI: Co-channel interference) trong môi trường được hạn chế nhiễu. Ngoài ra, n(t) bị tương quan thông qua việc lọc bởi bộ lọc. Tuy vậy, với điều kiện phẳng (, xem bên dưới) được áp dụng cho , thì không bị méo tạp âm trong băng thông xét, như vậy nó không còn quan trọng dù có xét đến ảnh hưởng của hay không. Vì phổ là nguồn tài nguyên cực kỳ quan trọng trong các môi trường đa truy nhập, nên cần có các bộ lọc lấy dạng xung phát hạn chế băng chặt chẽ cho tín hiệu băng hẹp. Theo đó, cũng được ứng dụng cho truyền thông CDMA trong đó thuật ngữ “băng hẹp” coi là tốc độ chip thay cho tốc độ ký hiệu. Việc lấy dạng xung chặt chẽ cũng góp phần khử nhiễu kênh lân cận (ACI: adjacent channel interference). Vì vậy, ta coi rằng bộ lọc được lấy gần đúng bằng băng thông B của tín hiệu RF sao cho kênh [phương rình (1.7)] cũng được giới hạn băng chặt tới B. Thường, chọn bộ lọc phát có hàm truyền đạt là hàm truyền đạt cosin tăng[8]. (1.8) trong đó năng lượng bộ lọc (1.9) bằng khoảng ký hiệu T. Như vậy bộ lọc và kênh có băng được giới hạn băng chặt hai phía là với hệ số dốc mở rộng băng . Biết rằng, bộ lọc thích hợp thu (chuẩn hoá năng lượng) cho trường hợp kênh không lựa chọn (AWGN, không dịch tần) được cho bởi . Do đó, tầng lấy dạng xung và các bộ lọc thích hợp xung bằng (1.10) là xung dốc cosin thoả mãn điều kiện Nyquit về việc truuyền dẫn không có ISI [Chương 2, [1]]. Lưu ý rằng, truyền dẫn băng tần cơ sở thì B được định nghĩa là độ rộng băng tần một phía còn đối với truyền dẫn thông băng thì B được định nghĩa là độ rộng băng tần B tín hiệu RF hai phía. Như được giải thích ở trên, nội dung tần số của tín hiệu thu được phép dịch tần do sự không hoàn hảo bộ dao động đến một giá trị cực đại cụ thể, vì vậy sau biến đổi hạ tần, bộ lọc ở trước bộ chuyển D/ A loại bỏ tín hiệu thu trong khoảng tần số . Chỉ khi, rất nhỏ hoặc đã được bù hiệu quả bằng tầng điều khiển tần số phía trước, thì bỏ qua sự mở rộng giải tần đầu vào máy thu trong thiết kế . Từ phương trình (1.7), thấy rõ kênh dù nhiều hay ít đều thể hiện đặc tính truyền dẫn phụ thuộc tần số. Mức độ lựa chọn lọc tần số phụ thuộc vào kênh vật lý và độ rộng băng thông truyền dẫn B. Đặc biệt, hàm truyền đạt kênh không chọn lọc tần số (không chọn lọc hoặc phẳng) trong độ rộng băng B nếu , trong đó sẽ nằm trong khoảng tốc độ ký hiệu trong các môi trường băng thông bị giới hạn. Vì vậy, kênh không chọn lọc là kênh khi độ phân tán (trải rộng các trễ truyền tia) thoả mãn (trong thiết kế máy thu, tính không chọn lọc thường được giả định nếu ); với kênh chọn lọc tần số thì độ phân tán có thể so sánh được với khoảng thời gian của ký hiệu hoặc vượt quá khoảng thời gian ký hiệu T. Trường hợp kênh không chọn lọc tần số: Hàm truyền đạt kênh và đáp ứng xung rút gọn thành: (1.11) Như vậy tất cả các trọng lượng đường truyền (không khả giải - nonresolvable) đều hợp nhất vào một trọng lượng được gọi là méo nhân (MD: multiplicative distortion) [11], và tất cả các trễ truyền lan lên tới đều có thể được nhận giá trị 0 sao cho cho phép thể hiện trễ định thời . Vì vậy tín hiệu thu được viết như: (1.12) Lệch tần rất nhỏ đôi khi được thấy trong mô hình quá trình méo nhân MD kênh động để tìm được quá trình méo nhân MD kênh tần số kết hợp . Nếu tất cả các thông số đồng bộ đều được biết trước, thì có thể xử lý tín hiệu thu bằng cách sử dụng bộ lọc thích hợp kênh tần số năng lượng chuẩn hoá (lý tưởng). (1.13) [xem ptr(1.7)], bằng cách bù tần số (quay ngược bộ pha phức ) thông qua thành và lọc thích hợp kênh bởi trường hợp pha đinh phẳng, bao gồm hiệu chỉnh pha (pha kênh thay đổi ngẫu nhiên ) thông qua , lọc thích hợp xung bởi , và bù độ trễ định thời thông qua . Chú ý rằng, khi việc lọc thích hợp kênh tần số chính xác, thì không thay đổi thứ tự các hoạt động, nghĩa là, việc hiệu chỉnh tần số và pha được thực hiện trước khi lọc thích hợp xung. Hiển nhiên, lệch tần số lớn và các biến đổi kênh nhanh làm cho tín hiệu thu bị dịch tần số, sao cho phổ của nó thích hợp với xung bộ lọc thích hợp MF. Tuy vây, do chỉ xét các lệch tần số (dư) và độ rộng băng thông phađinh kênh là tương đối nhỏ so với độ rộng băng thông B, nên việc thiết kế máy thu và mô hình truyền dẫn cho các kênh pha đing phẳng được đơn giản đáng kể bằng cách bù tần số và pha như sau: xung MF (được biết trước và không đổi), như vậy tránh được bộ lọc thích hợp kênh tần số (lý tưởng nhưng không được biết trước). Như vậy xung MF có thể được thực hiện hoặc như phần đầu [chẳng hạn, bằng cách kết hợp nó với bộ tiền lọc tương tự:] hoặc như bộ lọc số theo và sự chuyển đổi A/D. Khi đó đầu ra của xung lọc thích hợp MF được viết (1.14) trong đó là tạp âm được lọc với mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan . Tuyệt đại đa số các hệ thống làm việc trên các kênh pha đing được thiết kế sao cho tốc độ phađinh duy trì ở bên dưới tốc độ ký hiệu 1/ T, nên lấy xấp xỉ là hợp lệ trong khoảng của xung mà búp sóng chính thuộc vùng - T < t < T. Số hạng thứ ba của phương trình (1.14) được xác định là độ méo do lọc không thích hợp khi sử dụng -thay cho trước khi hiệu chỉnh tần số. Biết rằng, đối với kênh AWGN thành phần này là nhỏ nếu lệch tần tương đối nhỏ hơn 1. Vì vậy, đầu ra bộ lọc thích hợp xung có thể được xấp xỉ bởi: (1.15) Hình 1.3 Mô hình kênh pha đinh tuyến tính Hình 1.3 tổng hợp thảo luận ở trên và minh hoạ các mô hình kênh truyền dẫn cho các kênh pha đing chọn lọc tần số và không chọn lọc tần số. Như đã được đề cập, chỉ cho phép hoán vị việc hiệu chỉnh tần số và lọc thích hợp xung (như được thấy trên hình) khi các lệch tần tương đối là nhỏ nằm trong khoảng 10 - 15 %. Nếu điều này không được bảo đảm, thì phải dùng một bộ đồng bộ tần số riêng trước . Lọc thích hợp kênh lựa chọn tần số sẽ nhạy hơn đối với các lệch tần vì vậy, nếu bộ lọc thích hợp kênh (phụ thuộc vào thời gian, không được biết trước) được sử dụng để thu gần tôi ưu (chương 13, [1]), thì nên đồng bộ tần số trước khi lọc thích hợp trừ khi dịch tần số trong khoảng hoặc nhỏ hơn tốc độ kênh pha đinh. 1.3. Mô hình kênh phađinh rời rạc Trong tất cả các thực hiện máy thu số, tín hiệu thu r(t) [phương trình (1.6)] được lấy mẫu. Để đảm bảo đủ nội dung thông tin, phải lấy mẫu tại tốc độ tối thiểu là bộ (xem hình 1. 3). Tuy nhiên, cần có một bộ lọc chống chồng phổ (anti-aliasing) thông thấp lý tưởng với độ rộng băng thông (một phía). Vì vậy, nhìn chung không tương xứng với tốc độ ký hiệu và xét dịch tần số nhỏ và các hệ số dốc định dạng xung điển hình α trong phạm vi giữa 0.2 và 0.7, có thể chọn tần số lấy mẫu danh định là . Vì vậy cho phép chuyển giữa thông băng và không thông băng mịn bằng cách đó dễ dàng thực hiện bộ lọc chống chồng phổ . Trong khi tần số lấy mẫu thực tế của đồng hồ máy thu hoạt động tự do không bao giời chính xác bằng 2/T (chương 4, [1]), sự thay đổi tại các thời điểm định thời do các tốc độ không tương xứng được cho là vẫn duy trì đủ nhỏ trong khoảng thời gian đủ ngắn. Điều này đặc biệt phù hợp với các kênh pha đinh ở đó thông tin hầu như được chuyển vào khối hoặc giống như gói. Vì vậy, trong các khoảng thời gian của các khối đó, trễ định thời tương đối có thể được coi là dừng. Tất nhiên, có nhiều thay đổi về việc lấy mẫu. Thí dụ, tín hiệu thu có thể được lấy mẫu ở tốc độ cao hơn 2/T, chọn là 8/T, để chế tạo bộ lọc không tạo tần số giả đơn giản hơn (tần số cắt cao hơn, độ dốc mịn hơn). Tuy nhiên, trong trường hợp đó tín hiệu mẫu có thể chứa tạp âm không và nhiễu kênh lân cận không mong muốn. Việc lọc thông thấp số và quyết định nhận được tín hiệu ở tốc độ 2/T. Một cách khác là chuyển tín hiệu thu vào một vài băng trung gian (hoặc “âm thanh”), sau đó lấy mẫu đầu bộ trộn tại tốc độ cao bằng cách dùng một bộ chuyển đổi A/ D, sau đó chuyển số vào băng tần cơ sở, và cuối cùng quyết định tốc độ 2/ T. Nếu lấy mẫu cách kép ở tốc độ 2/T, thì tín hiệu thu r(t) được lấy mẫu [phương trình (1.6) bao gồm lệch tần] có thể được biểu diễn là: (1.16) có các chỉ số i = 0, 1 ký hiệu cho các mẫu nhận giá trị tại các thời điểm định thời kT (bội nguyên lần của T) và kT + T/2 (bội một phần hai nguyên lần của T). Từ phương trình (1.16), đáp ứng xung kim kênh phân tán rời rạc tương đương (bao gồm lệch định thời máy thu) được coi là: (11-17) Hình 1.4 Mô hình kênh rời rạc cho các kênh pha đinh chọn lọc tần số Vì vậy, chính kênh thể hiện nếu như nó được lấy mẫu trong miền trễ và thời ở tốc độ 2/T. Hơn nữa, chỉ số cụ thể trong các phương trình (1.16) và (1.17) thể hiện việc tách tín hiệu thu thành hai tín hiệu thành phần tương ứng. Mỗi một thành phần của các tín hiệu này phụ thuộc vào kênh dành riêng cho nó trong khi đó nó độc lập với kênh thành phần khác. Vì vậy, hệ thống truyền dẫn có thể được mô hình hoá như là hai hệ thống riêng biệt (các kênh thành phần ) cả hai đều được cung cấp bởi cùng tín hiệu vào (luồng ký hiệu ) và đều tạo ra hai tín hiệu thu riêng. Các quá trình tạp âm mẫu trong phương trình (1.16) có thể được xem là không tương quan riêng biệt (chú ý các thuộc tính tạp âm), nhưng nói chung thông qua các hoạt động của bộ lọc không tạo tần số giả mà các quá trình bị tương quan chéo nhau. Như vậy, tìm được mô hình kênh truyền dẫn từng phần rời rạc tương đương được minh hoạ ở hình 1.4 đối với kênh hai tai. Mô hình này hoàn toàn phù hợp vì tất cả các hệ thống và tín hiệu thành phần rời rạc đều là kết quả của việc lấy mẫu trong miền trễ và miền thời gian ở cùng một tốc độ, tức là tốc độ ký hiệu 1/T (thay vì tốc độ 2/ T như ở trươc đó). Nếu cần thiết, kỹ thuật thành phần hoá này có thể được mở rộng một cách dễ dàng cho việc lấy mẫu ở tốc độ cao hơn nhiều lần tốc độ ký tự. Trường hợp các kênh pha đinh không lựa chon tần số: Mô hình truyền dẫn sẽ đơn giản rất nhiều. Quan sát phương trình (1.11), đáp ứng xung kim kênh lấy mẫu [phương trình (1.17)] được viết là: (1.18) Do các tốc độ pha đinh chậm và vừa phải, nên lấy xấp xỉ và vì vậy để giữ xử lý MD. Bộ lọc bất biến số tương đương là đáp ứng xung máy phát được lấy mẫu được dịch bởi độ trễ định thời nhỏ. Lấy mẫu tín hiệu thu r(t) [phương trình (1.12)] ở tốc độ 2/T khi đó được: (1.19) Như đã được thảo luật ở trên, việc lọc xung thích hợp làm cho mô hình truyền dẫn pha đing phẳng đơn giản hơn. Một khi thực hiện như bộ lọc tương tự và lấy mẫu đầu ra z(t) của nó [phương trình (1.5)], hoặc tương đương, áp dụng lọc thích hợp MF xung số (thành phần) để lọc tín hiệu mẫu (thành phần) [xấp xỉ hoá phương trtình (1.19)]. Như vậy đầu ra MF xung mẫu trở thành: (1.20) Trong đó là xung Nyquist được lấy mẫu bị trễ . Tự tương quan của các quá trình tạp âm thành phần và tương quan chéo giữa hai quá trình thành phần lần lượt được cho bởi: (1.21) Vậy thì, là các quá trình tạp âm trắng riêng biệt có phương sai , xong được ghép tương hố nhau qua việc lọc xung thích hợp xung. Thường biết trước thông số định thời , hoặc thông qua bắt định thời khởi tạo hoặc từ bám liên tục trong quá trình hoạt động ở trạng thái ổn định. Thực tế, trong các kênh pha đing phẳng, việc bám pha định thời hoàn toàn có thể sử dụng các thuật toán như đã dùng cho các kênh AWGN, vì suy giảm hiệu năng (so với việc bám trên các kênh tĩnh) giữ ở mức nhỏ [12]. Vì vậy, có thể được bù bằng cách nội suy số hoặc bằng cách điều chỉnh đồng hồ lấy mẫu sao cho . Với việc khôi phục định thời tựa chính xác, đầu ra MF được giảm xuống tốc độ ký hiệu 1/T mà làm mất thông tin, vì vậy, hai tín hiệu thành phần và các quá trình MD thành phần chỉ còn và . Ngoài ra, ta có do việc lấy dạng xung Nyquist (không có ISI) và việc lọc thích hợp chuẩn hoá năng lượng (energy-normalizing matched filtering). Khi đó mô hình truyền đối với đầu ra xung MF bị triệt được chuyển thành:đó mô hình truyền cho đầu ra MF xung được chuyển thành: (1.22) Trong đó là tạp âm trắng cộng với phương sai , Vì thế, mô hình kênh pha đinh phẳng tương đương khi lệch tần nhỏ và định thời chính xác bao gồm việc điều chỉnh không nhớ nhưng méo nhân phụ thuộc thời gian và quá trình AWGN rời rạc với phương sai . Các mô hình kênh truyền dẫn pha đinh phẳng tương đương rơi rạc khi độ trễ định thời không được biết hoặc được biết/được bù lần lượt thể hiện trên hình 1.5. Hình 1.5. Các mô hình kênh truyền rời rạc cho các kênh phađinh phẳng 1.4. Đặc tính thống kê của kênh phađing Đến đây, ta khảo sát mô hình truyền dẫn đối với hiện trạng trễ kênh, hoặc tương đương với mức độ lựa chọn tần số, nghĩa là các đặc tính của trong các miền tương ứng. Ta trở lại vấn đề thay đổi theo thời gian của các kênh pha đing, nghĩa là sự các biến đổi của trong miền t. Sự thay đổi này do tính không đồng nhất của môi trường (khúc xạ ở tầng điện ly, tầng khí quyển), do sự di chuyển của các chướng ngại vật giữa các đường truyền sóng, hoặc do sự di chuyển của các thiết bị đầu cuối vô tuyến (xem hình 1.1). Các cơ chế vật lý mà tạo ra quá trình phađinh có các tốc độ thay đổi rất khác nhau. Có thế nhận thấy ba tỉ lệ thời gian riêng về phađing, để phân biệt giữa chúng với nhau theo ba loại phađinh tín hiệu phổ biến sau: Phađinh tín hiệu dài hạn (vùng rộng hoặc toàn cầu): Thay đổi chậm về cường độ tín hiệu trung bình, do thay đổi khoảng cách giữa các đầu cuối dẫn đến thay đổi suy hao trong không gian tự do (vô tuyến di động hoặc cá nhân), do tính chất thay đổi của ion hoá và sự uốn cong của các lớp tầng điện ly phản xạ (vô tuyến sóng ngắn), các điều tán xạ tầng đối lưu thay đổi chậm (dải băng VHF và UHF), suy hao do mưa. Sự thay đổi thời gian trung hạn: Một cách điển hình do bởi vật cản trở phụ động của các đường truyền tầm nhìn thẳng LOS (che chắn bởi các toà nhà, các quả đồi, …v.v) trong di động hoặc vô tuyến di động vệ tính. Phađinh tín hiệu ngắn hạn (vùng nhỏ hoặc nội bộ): Các thay đổi tương đối nhanh về biên độ và pha của các tín hiệu mang thông tin ở máy thu, một cách điển hình do chuỗi các thời điểm nhanh của sự giao thoa có tính tăng cường và suy giảm giữa các tia phản xạ và tán xạ. Sự thay đổi tín hiệu dài hoặc trung hạn thường được mô hình hoá là phađinh log, nghĩa là cường độ trường tín hiệu thời gian ngắn hạn theo dB, được hiểu là biến ngẫu nhiên phân bố Gaussian có giá trị trung bình nào đó (cường độ tín hiệu trung bình dài hạn) và phương sai (đánh giá sự dao động quanh mức trung bình dài hạn) [13]. Phađinh dài hoặc trung hạn xác định tính khả dụng kênh (hoặc xác suất không sử dụng) vì vậy ảnh hưởng mạnh đến viêc chọn các giao thức truyền dẫn và các phương pháp mã hoá kênh kiểm soát lỗi. Tuy nhiên, tốc độ phađinh nhanh nhất trong ba cơ chế phađinh kể trên có ảnh hưởng rất sâu rộng đến việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn và máy thu số. Từ quan điểm thiết kế máy thu- cần hoàn thiện các vấn đề mã hoá kênh kiểm soát lỗi, điều chế, cân bằng, thu phân tập, đồng bộ hoá, vì vậy cần tập trung vào (và thường đầy đủ) vào phađinh tín hiệu ngắn hạn. Đáng tiếc, cố gắng tìm cách ánh xạ tất định về tình trạng điện từ thay đổi theo thời gian lên đáp ứng xung kim kênh tức thì là những nỗ lực đầy tham vọng vì cần phải mô hình hoá bản chất về toàn bộ kịch bản tán xạ, bao gồm các thông số liên quan như địa hình (cấu trúc địa chất, các toà nhà, cây cối, sự hút và phản của mặt đất ), khí quyển (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, lượng mưa, sự ion hoá ), chòm sao cản trở các đường truyền sóng dài, các anten phát và thu (trường gần và xa), …v.v. Tuy nhiên, điều này hầu như không thực hiện nổi nếu không muốn nói là tất cả, các thông số tán xạ liên quan thường không được biết. Cần chú ý rằng chỉ có sự thay đổi rất nhỏ trong kịch bản tán xạ đều có ảnh hưởng rất lớn đến tính cách truyền dẫn kênh tức thời. Chẳng hạn, sự thay đổi độ dài đường truyền nhỏ như một phần bước sóng, hậu quả gây ra dịch pha lớn của các tia tán xạ. Mặt khác, việc mô hình hoá bám tia tất định của CIR có thể thực hiện được cho một vài môi trường trong nhà và các tần số sóng mang rất cao (chẳng hạn, 60 GHz) trong đó các đặc tính truyền sóng có thể đạt được từ các thuộc tính vật liệu & hình học, bằng cách dùng các quy luật của phản xạ và truyền dẫn ta tựa quang học. Vì vậy các kết quả đạt được được mong đợi chính xác hơn khi dùng mô hình thông kê WSSUS (được thảo luận sau) tình hợp lệ của nó bị giới hạn cho vùng nhỏ (các môi trường trong nhà khoảng vài mét vuông). Trong vùng di động tế bào nơi không thể thực hiện mô hình hoá bản chất được, sử dụng việc phát hiện tia để xác định trung bình dài hạn về các điều kiện kênh cho mục đích hoạch định ô. Tại mọi tốc độ, việc dùng phương pháp dò cần đến sâu kiến thức chuyên môn và tính toán công suất, và khi nó đến thăm do các đặc tính hoá cho các kênh không biết ở đâu đó, tạo ra sự dự đoán bằng chuỗi bám thường dựa vào kinh nghiệm kiểm tra chéo, kết quả từ các đo đạc. Từ quan điểm truyền thông số, hiếm khi thực thi được và cũng không cần thiết bám chi tiết về tình trạng tán xạ. Hơn nữa, thường phân loại lại việc mô hình hoá thống kê về sự thay đổi kênh ngắn hạn [13]. Việc xây dựng các mô hình thống kê và tìm các thông số của chúng dựa vào các đo đạc (mô hình theo kinh nghiệm), dựa vào mô hình trạng thái vật lý đơn giản (mô hình phân tích) hoặc kết hợp cả hai. Thường coi quá trình pha đinh ngẫu nhiên là quá trình dừng nghĩa rộng (WSS: wide-sense stationary), nghĩa là các quá trình này được đặc tính hoá một cách thích hợp bởi các trung bình và đồng phương sai của nó. Hơn nữa, các tia cơ bản [trọng lượng ] mà nó tạo ra kênh được coi là chịu tác tán xạ không tương quan tương hỗ (US: uncorrelate scanttering), nó là hợp lý vì các tia riêng biệt thường có thể được thuộc tính hoá để phân biệt các bộ tán xạ vật lý. Như vậy, các mô hình quá trình phađinh tán xạ không tương quan dừng nghĩa rộng (WSSUS: Wide-sense stationary, uncorrelated scattering) là tiêu chuẩn được chấp nhận rộng rãi . Các thông số thống kế ngắn hạn cơ bản của các kênh phađinh Các thống kê ngắn hạn của kênh phađinh hoàn toàn được đặc tính hoá bởi một hàm thống kê cơ bản, đó là, hàm tán xạ. Tất cả các thông số còn lại để mô tả thuộc tính thống kê của đều được rút ra từ hàm cở sở này. Hàm tán xạ là một trong bốn hàm tương quan tương đương thống kê trong miền thời gian và miênd tần số: Hàm tương quan phân cách tần số phân cách thời gian : (1.23) Hàm tương quan gian trễ phân cách thời gian : (1.24) Phổ công suất Doppler phân cách tần số: (1.25) Phổ công suất Doppler trễ = Hàm ánh xạ (1.26) Trong đó là biến tần số góc ( = biến tần số) của phổ Doppler. Các quan hệ truyển đổi Fourier giữa bốn hàm tương đương thống kê ở trên được cho ở hình 1.6. Hình 1.6. Các quan hệ chuyển đổi Fourier giữa các hàm thống kê Các quá trình trọng lượng tia cơ bản: (1.27) Tạo ra kênh vật lý [phương trình (1.7), bỏ qua trễ truyền sóng và định thời đồng hồ] được đặc tính hoá bởi thừa số khuyếch đại , dịch Doppler , và dịch pha mà được giả định là không đổi trong trong mỗi khoảng thời gian ngắn. Tuyệt đại đa số số lượng N quá trình là hầu như vô hạn sao cho có độ lợi vô cùng nhỏ. Dựa vào giả định WSSUS, mà các hàm tán xạ và tương quan trễ thời gian cách đều [các phương trình (1.24) và (1.26)] trở thành: (1.28) Mỗi tia cơ bản chính nó thể hiện như là một điểm trong mặt phẳng Doppler-trễ và vô số các tia như vậy làm cho hàm hai chiều tựa liên lục Từ các kết quả đo lường cho thấy, các tia cơ sở tạo thành các cụm (clusters) riêng trong một vài vùng của mặt phẳng Doppler-trễ. Ta phân biệt giữa các cụm bằng cách ký hiệu là hàm tán xạ thành phần của cụm thứ m, vì vậy toàn bộ các hàm tán xạ và tương quan trễ thời gian cách đều: (1.29) cũng có thể được biểu diễn như sự xếp chồng của M hàm hàm tán xạ và tương quan trễ thời gian phân cách cụm tương ứng. Hơn nữa, khi ký hiệu là vùng trong mặt phẳng Doppler-trễcho là khác không, và là tập các chỉ số n cho các tia cơ sở thuộc cụm thứ m. Thì, dưới dạng điển hình có thể phân biệt thành ba loại cụm tia: Tạo cụm mạnh xung quanh một điểm Tạo cụm trong vùng hình chữ nhật với các trễ truyền sóng gần như bằng nhau với mọi và Tạo cụm yếu trong vùng mở rộng. Kịch bản tạo cụm này được minh hoạ ở hình 1.7. Hình 1.7. Các loại cụm trong mặt phẳng Doppler- trễ Kiểu tạo cụm được xác định bởi kịch bản tán xạ vật lý cơ bản, cụ thể là sự phân bố không gian và các thuộc tính vật liệu của các bộ tán xạ (vì thế các cường độ và các góc tới của các tia tán xạ) và vận tốc thiết bị đầu cuối (hoặc các bộ tán xạ). Nếu biết trước về kịch bản tán xạ này, thì hàm tán xạ cho các môi trường cụ thể (thành phố, ngoại ô, …v.v) có thể được rút ra từ mô hình vậy lý này. Việc tạo cụm mạnh xung quanh một điểm trong mặt phẳng được thuộc tính vào hoặc tia LOS hoặc phản xạ ngược lại (tựa quang học) từ điểm tán xạ gần như duy nhất trên các bề mặt mịn như các toà nhà, nhựa đường, vũng nước, và các núi cao. Mặc dù, kịch bản tán xạ là liên tục thay đổi do tính di động của các thiết bị đầu cuối vô tuyến, các chướng ngại vật dọc theo các đường truyền sóng hoặc bản thân bộ tán xạ, kịch bản tán xạ này thường được xem là “tính ổn định”, ít nhất trong khoảng thời gian ngắn, vì vậy mà điểm tán xạ vẫn duy trì tính dừng trong một số thời điểm. Sự phản chiếu từ các điểm tán xạ dẫn đến các sóng phía trước xấp xỉ nhất quán, nghĩa là các tia cở bản cộng tăng cường với nhau. Vì vậy, về cơ bản cụm điểm có thể được mô hình hoá như đường một đường dẫn nhất quán: (1.30) Trong đó Nm là số lượng các tia cơ bản tạo thành cụm điểm thứ m. Phụ thuộc vào sự di chuyển của các đầu cuối hoặc các bộ tán xạ và hướng đến, mà đường dẫn có thể mang dịch Doppler khá lớn . Giải sử tính nhất quán pha , hệ số độ lợi đường truyền hầu như không phụ thuộc thời gian (bất biến)- trở thành . Vì vậy, mô hình đường truyền LOS/phản chếu gồm bộ pha quay theo biên độ cố định và pha nhất quán . Thường, tán xạ lấy xuất hiện trên diện rộng của vùng đất gồ gề (liên quan đến bước sóng) hoặc bề mặt không đều như cây cối hoặc các vật gần các anten. Tán xạ như thế không thuộc loại phản chiếu mà thuộc loại khuếch tán, và cụm các tia tán xạ hỗn độn gồm vô số các tia riêng biệt mà nó thể hiện tính hướng kém và không nhất quán pha. Trong một số trường hợp xét, khi tất cả các tia không nhất quán của một cụm có trễ truyền sóng bằng nhau (xấp xỉ) (hình 1.7), thì trọng lượng cụm tương ứng: (1.31) thể hiện vùng chữ nhật trong mặt phẳng , kết quả trở thành quá trình ngẫu nhiên Gaussian phức. Có thể xác định công suất trung bình và phổ Doppler riêng từ hàm tán xạ tựa liên tục như sau: (1.32) Nếu như kênh bao gồm M cụm với các trễ phân biệt, thì các hàm tán xạ và tương quan trễ thời gian cách đều [các phương trình (1.24) và (1.26)] được đơn giản thành: (1.33) Trong đó: (1.34) là hàm tương quan thời gian cách đều và phổ công suất Doppler của quá trình cụm thứ m cm(t) tương ứng. Rút ra các thông số thống kê ngắn hạn của các kênh phađinh Có thể rút ra hàm mật độ xác suất cũng như các hàm khác và các thông số mà đặc tính hoá cho tính cách động của các kênh phađinh từ hàm tán xạ. Nếu một cụm thể hiện vô số các tia cơ sở không nhất quán, thì hàm mật độ của quá trình trọng lượng của nó (thấy rõ, chỉ số m được bỏ qua trong hàm pdf) là Gaussian phức với pha phân bố đều, biên độ phân bố Rayliegh và năng lượng (công suất) phân bố hàm mũ tương ứng: (1.35) trong đó là năng lượng (công suất) trung bình của quá trình cụm. Chú ý rằng trọng lượng cụm có thể được thuộc tính hoá dạng năng lượng vì nó là (phần của) một hệ thống. Khi đó quá trình ngẫu nhiên c(t) được coi là công suất. Đặc biệt khi xét cho các kênh phađinh phẳng, cụm của các tia có cùng độ trễ có thể bao gồm cả phản chiếu/LOS và thành phần khuyếch tán, vì vậy quá trình trọng lượng tổng hợp c(t) [phương trình (1.11)]: (1.36) Tuân theo mật độ Rician: (1.37) Có là các năng lượng (trung bình) của các thành phần phản chiếu và khuếch tán tương ứng, là năng lượng tổng của c(t), là tỷ số giữa các năng lượng của các thành phần phản chiếu và khuyếch tán (hệ số K ). Tính cách động của các kênh phađinh thường được trình bày ở dạng các đặc tính một chiều (như vậy có tính đơn giản): Hàm tương quan phân cách thời gian : (1.38) Hàm tương phân cách quan tần số : (1.39) Lý lịch trễ công suất: (1.40) Phổ Doppler: (1.41) Lý lịch công suất trễ chứa thông tin cần thiết về sự phân tán kênh và vì vậy mong muốn có được lượng ISI trong khoảng thời gian ký hiệu cho trước T. Hàm tương quan thời gian cách đều và phổ Doppler thay đổi nhẹ trên kênh động, nghĩa là tính phẳng của phađinh. Từ các hàm một chiều xét trên, có thể rút ra các thông số đặc trưng quan trọng sau: Thời gian nhất quán kênh (1.42) Băng thông nhất quán kênh (1.43) Trải trễ kênh rms (1.44) Trải trễ kênh cực đại (1.45) Dịch tần Doppler kênh (1.46) Trải rộng Doppler kênh (1.47) Hệ số trải kênh (1.48) Trong đó: (1.49) Ký hiệu cho các giá trị trung bình và bình căn phương của hàm tương ứng. Thời gian nhất quán Tcoh và băng thông nhất quán Bcoh, cho biết dịch thời gian và tần số trên đó về cơ bản kênh được tương quan. Trải trễ quan hệ mật thiết với với độ rộng băng thông nhất quán thông qua . Tuy nhiên, khi thiết kế máy thu, trải trễ cực đại là lớn hơn so với giá trị rms (một phía) của lý lịch công suất trễ. Độ dịch tần Doppler Hz là sự lệch tần số tổng do kênh vật lý gây ra (không phải do sự lệch tần của các bộ dao động), trải rộng Doppler Hz là độ rộng băng rms (một phía) của phổ Doppler quan hệ với thời gian nhất quán thông qua . Trong một tập các cụm với M trễ khác biệt, thì hàm ánh xạ (1.33) bao gồm M phổ Doppler cụm [phương trình (11-34)] mà từ các dịch Doppler cụm đó và có thể rút ra được sự trải rộng: (1.50) Đôi khi, dịch Doppler và trải rộng Doppler được gộp lại với nhau đạt được sự trải rộng Doppler “hiệu quả” (rộng hơn) mà được dùng để đánh giá toàn bộ mức độ phađinh kênh. Nếu như phổ Doppler được giới hạn băng một cách chặt trẽ (chẳng hạn, trường hợp kênh vô tuyến di động), thì cần nhiều phép đo thích hợp để có được tần số cắt của kênh (tần số Doppler)Hz. Hệ số trải kênh là số đo đánh giá toàn bộ chất lượng kênh phađinh Hình 1.8. Ví dụ về hàm tán xạ, lý lịch trễ công và phổ Doppler Nếu kênh ở dưới mức trải rộng underspread , thif phađinh thay đổi chậm theo sự phân tán vì vậy có thể đạt được truyền dẫn nhất quán nếu nếu áp dụng các kỹ thuật chống phađinh thích hợp. Mặtkhác, nếu kênh ở mức vượt quá trải rộng Overspread (>1), thì kênh thay đổi đang kể trên khoảng của đáp ứng xung, như vậy dưới dạng tổng quát, chỉ có thể thực hiện truyển dẫn không nhất quán. Ví dụ cho hàm tán xạ điển hình đối với kênh gần như có vô hạn đường truyền (path), cùng với lý lịch công suất trễ, phổ Doppler và một vài thông số quan trọng được cho ở hình 1.8. Khi thiết kế đo đạc đánh giá mức độ phađinh (chẳng hạn, tạo ra độ dự trữ phađinh hoặc chọn sơ đồ mã kênh phù hợp) hoặc đánh giá xác suất không hoạt động của hệ thống trên các kênh phađinh, tốc độ xảy ra và quan tâm đến khoảng thời gian “độ sâu” pha đinh. Ta trở lại quá trình phađinh c(t) (chỉ số cụm m đã được bỏ). Tốc độ cắt ngang mức n(C) là lần cắt ngang trung bình (cả hướng lên và hướng xuống ) của quá trình biên độ qua mức ngưỡng phađinh C nào đó. Nếu C nhỏ, điều này tương đương với tốc độ phađinh trung bình. Thời gian trung bình trôi qua từ dưới lên trên chéo qua biên độ pha đinh có mức C là khoảng thời gian phađinh trung bình d(C).Theo đó, các thông số n(C) và d(C) được cho bởi: Tốc độ cắt ngang mức: (1.51) Khoảng thời gian phađinh trung bình: (1.52) Hàm mật độ xác suất hai chiều pdf có thể được ước lượng bằng cách coi rằng quá trình biên độ và qua trình là đạo hàm của nó là không bị tương quan nhau, nghĩa là . Khi đó pdf được tính toán với sự trợ giúp của và hàm tương quan thời gian cách đều. Các thông số thống kê của một vài kênh pha đinh quan trọng Trong phần này, hầu hết các thuộc tính quan trọng của một vài kênh phađinh tương đối khả thi được tổng hợp. Kênh vệ tinh địa tĩnh: xuất hiện một số tia lửa do tính di động của điểm thâm nhập tầng điện ly của các tia sóng ngắn [14]. Trong các điều kiện tia lửa yếu, phân tán cực đại vẫn ở dưới mức 10 ns và trải rộng Doppler ở dưới 1 Hz (<1Hz). Khi xẩy ra điều kiện tia nhấp nháy dữ dội (do sự nhiễu loạn tầng điện ly, góc ngẩng thấp, hoặc dùn tần số VHF thấp), thì trải rộng Doppler lến đến 10 Hz. Khi này, vệ tinh là không địa tĩnh, vì vậy cần phải đối phó với sự dịch Doppler rất lớn này . Thường, tia LOS là trội hơn (trừ khi có cản trở),và pha đinh là Rician có hệ số K lớn. Bởi vì thành phần LOS mạnh, nên tính lựa chọn rất yếu và pha đing chậm, nên kênh vệ tinh thường được xấp xĩ bởi mô hình kênh AWGN cũng có thể chứa dịch tần. Việc tạo ra độ dự trữ phađinh nhỏ cũng đủ để truyền thông tin cậy. Kênh sóng ngắn truyền thẳng : thể hiện phađinh do các vật gần với tia LOS, do sự phản xạ của mặt đất, hoặc do tầng khí quyển và các vật thể gần quả đất cho chỉ số phản xạ ở tầng khí quyển. Siêu khúc xạ (chỉ số khúc xạ rất rộng) làm gia tăng truyền sóng đa đường và nhiễu đồng kênh khoảng cách dài. Mặt khác, khúc xạ ít (chỉ số khúc xạ rất nhỏ) gây ra pha đinh sâu của tia LOS. Trong các điều kiện như vậy, mức độ phân tán lên đến 10 - 100 ns, trải rộng Doppler khoảng vài Hz, thăng giáng tín hiệu lến khoảng 20 dB và có thể xẩy ra nghiêm trọng hơn, vì vậy cần phải sử dụng các kỹ thuật phân tập, độ dự trữ phađinh lớn và biện pháp cân bằng thích ứng phù hợp. Trong các điều kiện truyền sóng thông thường, phân tán và Doppler vẫn duy trì ở mức bên dưới 2 ns và 1 Hz tương ứng. Kênh tán xạ tầng đối lưu: được dùng để truyền dẫn độ rộng băng thông hẹp công suất lớn (lên tới vài trăm KHz) ở các băng sóng ngắn lên đến 10 GHz [15], đặc tả cho các vùng nông thôn bằng phẳng, mặt khác sự phân tán thường rất nhỏ (dưới 1 ), và pha đing hướng đến phần bố Rician do thường xuyên xuất hiện tia LOS mạnh. Kênh vệ tinh di động mặt đất: được dùng để truyền dẫn băng thông nhỏ (điển hình 5 KHz) ở các tần số xung quanh 1 GHz được đặc tính hoá bởi sự che chắn thường xuyên của tia LOS do các vật cản trở như: các toà nhà, các đường hầm, các cầu,… v.v. Sự hấp thụ và khoảng thời gian về các sự kiện che chắn có thể là khá rộng. ảnh hưởng của che chắn thường được mô tả bởi mô hình Gilbert-Elliot với hai trạng thái “kênh tốt” (không có che chắn, tia LOS mạnh, pha đinh Rice không lựa chọn tần số) và “kênh tồi” (độ sâu phađinh do vật cản trở tia LOS, chỉ các tia bị tán xạ, phađinh Rayleigh). Kênh vệ tinh hàng không: được dùng để truyền dẫn tín hiệu băng hẹp (độ rộng băng thông trong phạm vi KHz) là kênh không lựa chọn tần số. Sự phản mặt đất (thường một tia phản xạ) dẫn đến pha đinh Rician. Do các vận tốc máy bay lớn, nên có thể xẩy ra dịch Doppler ở phạm vi 1 KHz và trải rộng Doppler lên đến 200 Hz. Kênh vô tuyến trong nhà: làm tăng thêm độ quan trọng đối với thông tin di động tế bào nhỏ (micro) và siêu nhỏ (pico) bên trong các văn phòng, các nhà máy, các nhà riêng, v.v. Kênh không ổn định mạnh; các khoảng thời gian dài về các điều kiện truyền sóng ổn định có thể bị ngắt bởi các nhiễu loạn (disturbances) do tính di động của thiết bị đầu cuối gây ra, các anten, con người hoặc các vật dọc theo các tia vô tuyến. Các sự kiện như vậy dẫn đến hấp thụ giữa 10 và 30 dB. Thường sự phân tán duy trì ở dưới mức 100 ns, đôi khi trong các toà nhà lớn lên đến . Phạm vi trải rộng Doppler từ mức dưới 10 Hz (các đầu cuối cố định) lên đến 100 Hz (các đầu cuối chuyển động). Hầu hết các thông số thống kê có liên quan của các kênh phađinh quan trọng được tổng kết trong bảng 1.1 đối với các giá trị điển hình của tần số sóng mang và tốc độ ký hiệu 1/ T. Khi cho trước tốc độ ký hiệu, thì các thông số phân tán (dispersion) và phađinh có thể được chuẩn hoá theo tốc độ và khoảng thời gian ký hiệu tương ứng, nghĩa là (biến phân tán) và (biến phađinh).v.v.. Ngoài ra, bảng 1.1 liệt kê các ấn hành bình phẩm mà phải được đặc biệt chú ý khi thiết kế các hệ thống truyền thông cho các kênh này. Các nhận xét Các kênh pha đinh đa đường vật lý có thể được mô hình hoá như các hệ thống thời gian liên tục có đáp ứng xung kim kênh (CIR: channel impulse response) và hàm truyền đạt kênh (CTF: channel transfer function) tương ứng. Việc đưa (chứa đựng, bao gồm) các ảnh hưởng của việc lọc hình dạng xung TX băng bị giới hạn và độ trễ (truyền sóng và định thời) vào trong mô hình kênh đạt được CTF giới hạn băng thông và CIR hiệu quả [phương trình (11-7)]. Kênh pha đinh có thể là không lựa chọn tần số (phẳng) hoặc lựa chọn tần số trong độ rộng băng thông cần quan tâm. Trong trường hợp phađinh phẳng CIR và CTF rút gọn thành méo nhân (multiplicative distortion) c(t). Việc lấy mẫu tín hiệu thu ở tốc độ lớn hơn tốc độ ký hiệu, điển hình ở tốc độ 2/T, dẫn đến các mẫu thu có thể phân thành hai tín hiệu thành phần cách nhau T . Được kết hợp với mỗi một cụm hoặc chế độ tầng điện ly, là sự xếp chồng của vô số các tia vật lý cơ bản, thể hiện độ phân tán tương đối nhỏ (20-200 ). Tuy nhiên, dưới các điều kiện truyền sóng đa đường, phân tán tổng phụ thuộc vào phạm vi và có thể lớn bằng 5 ms. Thỉnh thoảng, các tia yếu có thể bị trễ đến 8 hoặc 10 ms, chẳng hạn dưới các điều kiện rặng đông (có tính quang học). Phổ Doppler cụm thường có hình dạng Gaussian, đôi khi có hai búp sóng (các thành phần ion hoá từ ) [17, 18]. Phạm vi trải rộng và dịch Doppler giữa 0.01 và 0.5 Hz đối với truyền sóng đơn mode, 0.1- 1 Hz cho đa đường, và 5-10 Hz hoặc cao hơn cho các điều kiện cực phát quang. Kênh di động mặt đất (LM: land-mobile) [18] để truyền dẫn băng hẹp và băng rộng ở các tần số dưới 10 GHz dù ít hay nhiều đều thể hiện truyền dẫn đa đường phụ thuộc vào tần số (xem hình 1.1), phụ thuộc vào băng thông, phạm vi (lên đến 20-50 km), và địa hình. Việc giả định dừng gắn hạn là hợp lệ trong khoảng cách di chuyển di động khoảng 10 - 50 độ dài bước sóng. Các tia tán xạ có độ trễ vượt giới hạn nhỏ (tính theo tia LOS mà có thể có hoặc không có) thường được thuộc tính hoá thành các bộ tán xạ khuếch tán như mặt đất hoặc các vật thể gần anten (thí dụ, bộ phận của phương tiện được đặt ở phía sau anten). Các tia phân bố Rayleigh khuếch tán như vậy có xu hướng đến từ mọi phía và thường cụm ở gần gốc toạ độ của mặt phẳng (). Mặt khác, các tia có độ trễ mở rộng (phụ) thường do phản chiếu từ nhiều vật thể lớn như các núi hoặc các toà nhà cao tầng và vì thế có xu hướng dễ thấy hơn hoặc thậm chí mạnh ở các cụm đỉnh. Phụ thuộc vào tốc độ di chuyển tương đối cực đại giữa các đầu cuối di động mà phổ tần Doppler được giới hạn băng chặt trẽ vào tần số Doppler ( tần số sóng mang, c vận tốc ánh sáng). Trong điều kiện giả định về tán xạ đẳng hướng từ mọi hướng, thì phổ phổ Doppler cụm khuếch tán trở thành hình dạng-U (phổ của Jake [20]): (1.53) trong đó ký hiệu cho năng lượng (công suất) trung bình của cụm thứ m. Mặt khác, sự phản chiếu làm cho phổ Doppler có dạng đỉnh [các đỉnh cách lý mạnh với nhau], nghĩa là phổ Doppler cụm gần như quy về một đỉnh xung Dirac với trễ, trọng lượng , và dộ dịch Doppler [xem phương trình (1.30)] trong đó được giới hạn bởi tần số Doppler . Trong địa hình không đều lớn (thanh phố, mật độ cây), các tia chịu hấp thụ lớn như vậy độ phân tán là nhỏ (tiêu biểu 1 - 3 ). Trong các môi trương vùng ngoại ô và trong địa hình đồi núi, lý lịch công suất trễ được biến mất theo quy luật hàm mũ, và độ phân tán quan trọng thường ở khoảng nhỏ hơn 15 - 20 , đôi khi lên tới 30 hoặc lớn hơn. Trong các vùng nhiều núi, độ phân tán của các tia phản xạ lên đến 150 ; tuy nhiên, các giá trị cực lớn này có thể tránh được và phân tán được hạn chế vào khoảng 20 bằng cách hoạch định ô phù hợp [19]. Mặt khác, trong các vùng nông thôn bằng phẳng mức độ tán xạ thường rất nhỏ (dưới 1 ), và pha đinh phân bố có xu hướng phân bố Rician nhiều hơn do thường xuyên tồn tại tia LOS mạnh. Kênh vệ tinh di động mặt đất: được dùng để truyền dẫn băng thông nhỏ (điển hình 5 KHz) ở các tần số xung quanh 1 GHz được đặc tính hoá bởi sự che chắn thường xuyên của tia LOS do các vật cản trở như: các toà nhà, các đường hầm, các cầu,… v.v. Sự hấp thụ và khoảng thời gian về các sự kiện che chắn có thể là khá rộng. ảnh hưởng của che chắn thường được mô tả bởi mô hình Gilbert-Elliot với hai trạng thái “kênh tốt” (không có che chắn, tia LOS mạnh, pha đinh Rice không lựa chọn tần số) và “kênh tồi” (độ sâu phađinh do vật cản trở tia LOS, chỉ các tia bị tán xạ, phađinh Rayleigh). Kênh vệ tinh hàng không được dùng để truyền dẫn tín hiệu băng hẹp (độ rộng băng thông trong phạm vi KHz) là kênh không lựa chọn tần số. Sự phản mặt đất (thường một tia phản xạ) dẫn đến pha đinh Rician. Do các vận tốc máy bay lớn, nên có thể xẩy ra dịch Doppler ở phạm vi 1 KHz và trải rộng Doppler lên đến 200 Hz. Kênh vô tuyến trong nhà: làm tăng thêm độ quan trọng đối với thông tin di động tế bào nhỏ (micro) và siêu nhỏ (pico) bên trong các văn phòng, các nhà máy, các nhà riêng, v.v. Kênh không ổn định mạnh; các khoảng thời gian dài về các điều kiện truyền sóng ổn định có thể bị ngắt bởi các nhiễu loạn (disturbances) do tính di động của thiết bị đầu cuối gây ra, các anten, con người hoặc các vật dọc theo các tia vô tuyến. Các sự kiện như vậy dẫn đến hấp thụ giữa 10 và 30 dB. Thường sự phân tán duy trì ở dưới mức 100 ns, đôi khi trong các toà nhà lớn lên đến . Phạm vi trải rộng Doppler từ mức dưới 10 Hz (các đầu cuối cố định) lên đến 100 Hz (các đầu cuối chuyển động). Hầu hết các thông số thống kê có liên quan của các kênh phađinh quan trọng được tổng kết trong bảng 1.1 đối với các giá trị điển hình của tần số sóng mang và tốc độ ký hiệu 1/ T. Khi cho trước tốc độ ký hiệu, thì các thông số phân tán (dispersion) và phađinh có thể được chuẩn hoá theo tốc độ và khoảng thời gian ký hiệu tương ứng, nghĩa là (biến phân tán) và (biến phađinh).v.v.. Ngoài ra, bảng 1.1 liệt kê các ấn hành bình phẩm mà phải được đặc biệt chú ý khi thiết kế các hệ thống truyền thông cho các kênh này. Bảng1.1. Các thông số của một số kênh pha đinh quan trọng Các ứng dụng điển hình Sự phân tán Pha ding Kênh f0 1/T Các ấn hành bình phẩm LOS của Viba 5 GHz 5 MBd 1 10 - 6 Suy giảm, Phân tán HF tầng điện ly 10 MHz 2 MBd 1 đến 10 10 - 3 Phân tán, pha đinh, tạp âm cộng Troposcatter 5 GHz 100 MBd << 1 < 10 - 3 Pha đing Di động mặt đất 1 GHZ 200 MBd 1 đến 5 10 - 3 Phân tán, pha đinh, nhiễu Vệ tinh di động mặt đất 1 GHZ 2 MBd << 1 0.1 Hiện tượng bóng, Doppler Vệ tinh di động hàng không 1 GHZ 2 MBd << 1 Doppler Vô tuyến trong nhà 1 GHZ 200 MBd < 1 10 - 4 Suy giảm Mặt khác, việc lấy mẫu tín hiệu thu ở tốc độ lớn hơn tốc độ ký hiệu, điển hình ở tốc độ 2/T, dẫn đến các mẫu thu có thể phân thành hai tín hiệu thành phần cách nhau T . Được kết hợp với mỗi tín hiệu là kênh rời rạc tương đương từng phần cách nhau T. Phụ thuộc vào kênh đó là kênh phađinh chọn lọc tần số hay phađinh phẳng và phụ thuộc vào việc lọc thích hợp có hay không có đồng bộ định thời hoàn hảo được dùng (phađinh phẳng), sau đó áp dụng các mô hình truyền dẫn. Phađinh chọn lọc tốc độ lấy mẫu 2/T: Phađinh phẳng tốc độ lấy mẫu 2/T: Phađinh phẳng, xung - đầu ra MF, định thời hoàn hảo, tốc độ lấy mẫu 2/T: Phađinh phẳng, xung-đầu ra MF, định thời hoàn hảo, tốc độ lấy mẫu 2/T: (1.54) Với bộ lọc định dạng xung Tx mẫu và là tầng được lấy mẫu của các bộ lọc định dạng xung phát Tx và thu Rx. Các quá trình phađinh ngắn hạn và dài hạn thường được đặc trưng hoá dưới dạng các thông số thống kê cụ thể, phađinh ngắn hạn là phađinh quan trọng nhất đối với thiết kế máy thu, được chi phối bởi hàm tán xạ, nghĩa là phổ công suất Doppler. Thường quan trắc được việc lấy cụm các tia đa đường trong mặt phẳng . Kiểu lấy cụm cũng xác định mật độ biên độ thăng giáng p(α): tán xạ khuyếch tán (NLOS) dẫn đến phađinh Rayleigh trong khi đó sự xuất hiện một đường truyền thẳng LOS hay phản chiếu dẫn đến phađinh Rice. Có thế rút ra được nhiều thống kê bậc hai từ hàm tán xạ bao gồm lý lịch công suất trễ phổ Doppler Đã đề cập các thuộc tính cơ bản của một số kênh phađinh cơ bản, gồm LOS vi ba và vệ tinh và sóng ngắn tầng điện ly, di động mặt đất và môi trường trong nhà. 1.5 Kết luận Chương này, đã trình bầy các mô hình kênh pha đinh liên tục và rời rạc, phân loại kênh pha đinh thành kênh pha đinh chọn lọc tần số và kênh pha đinh không chọn lọc, tính cách, đặc tính của kênh được thể hiện ở dạng các thông số đặc trưng như các thông số thống kê bậc một và bậc hai. Các tính cách phụ thuộc thời gian và tần số cũng được thể hiện ở chương này. Tính cách động của các kênh phađinh thường được trình bày ở dạng các đặc tính một chiều. Tổng hợp hầu hết các thuộc tính quan trọng của một vài kênh phađinh tương đối khả thi .