Chương 1 : Tổng quan vấn đề nghiên cứu.

-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)

1 f ≥ 0

0 f < 0



trong đó hàm bước đơn vị được định nghĩa là: u ( f ) = 

Tín hiệu s(t) là thực và có phổ bằng:

S( f ) =



1

1

Z ( f − f c ) + Z H (− f − f c )

2

2



(1.3)



Tín hiệu thực s(t) có thể viết là:



{



s (t ) = Re z (t )e j 2πf c t



}



(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 = x2 + y2 + z2 ,





x 



2 

x +y 



z

φ=cos-1  2 2 2

x +y +z





θ=cos-1 





(1.8)



2













z

φ



r

y



θ

x



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:

m



s(t,r)= ∑ s(t , rk )



(1.9)



k =1



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),



-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.

h11



1



1



h12



2



2

3



h1M

hN1

M



N



Rx



Tx

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 s(t ) = [ s1 (t ), s2 (t ),..., sN (t )]T và

của tín hiệu thu là r (t ) = [r1 (t ), r2 (t ),..., rM (t )]T , 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

ET [s(t )s H (t )] = ( Pt / N )I N , trong đó IN là ma trận đơn vị N × N và ET(.) là kỳ



vọng trên toàn bộ thời gian xét nhỏ hơn nhiều lần so với nghịch đảo của tốc

độ pha-đinh.



-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 σ 2 .

Tỉ số công suất sóng mang trên tạp (CNR) tại mỗi nhánh là Γ = Pr / σ 2 ,

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

g(t ) = Pr / Pt h(t ) . Chú ý rằng tỉ số



Pr G = Pt H



sao cho



Pr / Pt là hệ số suy hao trường do suy hao



đường trong không gian tự do. Ma trận hàm truyền của kênh được chuẩn hoá

2



sao cho < H mn >= 1 , 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-



Xử lý không gian-thời gian:

Giảm thiểu pha-đinh và MAI



Anten thông

minh



Tạo búp



Phân tập



Các kỹ thuật xử

lý tín hiệu cao cấp



Cấu trúc máy

thu cao cấp



Sửa lỗi

trước (FEC)



Chia séc-tơ



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



-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 phađinh 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 phađinh 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 ( ρij >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