1 Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu màng.

-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.