Tài liệu Phân tập đa người dùng trong hệ thông tin băng rộng luận văn ths. công nghệ điện tử viễn thông 60 52 70

  ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ             NGUYỄN TRUNG DŨNG           PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG                 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG                    HÀ NỘI – 2012 I   ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ             NGUYỄN TRUNG DŨNG           PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG     Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70             LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THÀNH HIẾU                                              Nguyễn Thành Hiếu     HÀ NỘI – 2012 III    MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA…………………………………………………...…………….I LỜI CAM ĐOAN……………………………....................................................... II MỤC LỤC .............................................................................................................. III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. VII MỞ ĐẦU ................................................................................................................ IX CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP ..................................................... 1 I. PHÂN TẬP .......................................................................................................... 1 1. Phân tập thời gian .......................................................................................... 1 2. Phân tập tần số ............................................................................................... 2 3. Phân tập không gian ....................................................................................... 2 4. Các phương pháp kết hợp phân tập................................................................ 3 4.1. Kết hợp lựa chọn ...................................................................................... 3 4.2. Kết hợp chuyển mạch............................................................................... 4 4.3. Kết hợp tối đa tỉ lệ .................................................................................... 5 4.4. Kết hợp cùng hệ số ................................................................................... 6 II. VẤN ĐỀ ĐA NGƯỜI DÙNG ............................................................................ 6 1. Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) ................................................... 7 2. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) .............................................. 8 3. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) ....................................................... 9 4. Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) ......................................... 10 CHƯƠNG 2: KÊNH VÔ TUYẾN ........................................................................ 12 I. KÊNH VÔ TUYẾN CHUNG ............................................................................ 12 1. Mô hình vào-ra của kênh vô tuyến ............................................................... 12   IV    1.1. Kênh vô tuyến là một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian ....... 12 1.2. Mô hình băng cơ sở tương đương .......................................................... 13 1.3. Mô hình băng cơ sở rời rạc .................................................................... 16 1.4. Ồn trắng cộng tính.................................................................................. 17 2. Mô hình thống kê của kênh vô tuyến ............................................................ 18 II. KÊNH MIMO .................................................................................................. 19 1. Mô hình tán xạ vật lý .................................................................................... 19 2. Mô hình tương quan không gian................................................................... 21 3. Mô hình rời rạc ............................................................................................. 22 3.1. Chuẩn hóa............................................................................................... 22 3.1.1. Kênh ................................................................................................ 22 3.1.2. Năng lượng tín hiệu ......................................................................... 23 3.1.3. Ồn .................................................................................................... 23 3.2. Mô hình tín hiệu kênh MIMO rời rạc .................................................... 23 3.2.1. Kênh phẳng...................................................................................... 23 3.2.2. Kênh lựa chọn tần số ....................................................................... 23 4. Kênh đa người dùng và can nhiễu ................................................................ 24 4.1. Kênh đa người dùng ............................................................................... 24 4.2. Can nhiễu ............................................................................................... 25 4.2.1. Can nhiễu SIMO.............................................................................. 25 4.2.2. Can nhiễu MISO.............................................................................. 25 CHƯƠNG 3: DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG ..................... 27 I. DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG BĂNG THÔNG HẸP....... 27 1. Mô hình ......................................................................................................... 27 1.1. Các anten độc lập với nhau .................................................................... 29 1.2. Các anten tương quan với nhau ............................................................. 29 1.3. Dung năng ngưng kênh .......................................................................... 30   V    2. Mô phỏng ...................................................................................................... 30 2.1. Trường hợp 1: Không phân tập. ............................................................. 30 2.2. Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan. ......................................... 31 2.3. Trường hợp 3: Phân tập, tương quan. .................................................... 33 2.4. Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin .......................................... 34 II. DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG BĂNG THÔNG RỘNG . 36 1. Mô hình ......................................................................................................... 36 1.1. Các anten độc lập với nhau .................................................................... 38 1.2. Các anten tương quan với nhau ............................................................. 38 2. Mô phỏng ...................................................................................................... 39 2.1. Trường hợp 1: Không phân tập. ............................................................. 39 2.2. Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan. ......................................... 39 2.3. Trường hợp 3: Phân tập, tương quan ..................................................... 40 2.4. Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin .......................................... 41 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 45 PHỤ LỤC A ............................................................................................................ 46 PHỤ LỤC B ............................................................................................................ 47 PHỤ LỤC C ............................................................................................................ 49 PHỤ LỤC D ............................................................................................................ 50 PHỤ LỤC E ............................................................................................................ 51 PHỤ LỤC F............................................................................................................. 53   VI    DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT SNR: Tỉ số công suất tín hiệu trên công suất ồn. TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian. FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số. CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã. SDMA: Đa truy cập phân chia theo không gian. AWGN: Ồn Gauss trắng cộng tính. OFDM: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao. MUD: Tách đa người dùng. MIMO: Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra. SIMO: Một đầu vào, nhiều đầu ra. MISO: Nhiều đầu vào, một đầu ra. ZMCSCG: Biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng vòng có trung bình bằng 0. SISO: Một đầu vào, một đầu ra. N N : Ma trận (N hàng) x (N cột). : E( ):   Vết của ma trận . Kỳ vọng. : Chuyển vị của ma trận H. : Chuyển vị liên hợp phức của ma trận H. VII    DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn. ................................................................. 3 Hình 1.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch. .......................................................... 4 Hình 1.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ. ............................................................... 5 Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số. ............................................................. 7 Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian. ........................................................ 9 Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã. ................................................................ 10 Hình 1.7: Đa truy cập phân chia theo không gian.................................................... 11 Hình 2.1: Minh họa nâng tần từ lên , sau đó hạ tần Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống từ tín hiệu phát băng cơ sở sở trở lại . ... 14 đến tín hiệu thu băng cơ . ................................................................................................................... 15 Hình 2.3: Một sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh. ............................................................... 18 Hình 2.4: Sơ đồ sóng phát trên một anten mảng. ..................................................... 19 Hình 2.5: Minh họa bộ tán xạ gây trễ và góc tới trong kênh: a) SIMO; b) MISO .................................................................................................................................. 20 Hình 3.1: Mô hình đường xuống của hệ thống MIMO đa người dùng giao tiếp với một điểm truy cập. .................................................................................................... 27 Hình 3.2: Dung năng kênh SISO (ứng với mỗi người dùng) băng hẹp. .................. 31 Hình 3.3a: Dung năng kênh MIMO N 2 băng hẹp. .......................................... 32 Hình 3.3b: Dung năng kênh MIMO N 4 băng hẹp. .......................................... 33 Hình 3.4: Dung năng kênh MIMO N 4 băng hẹp trong 2 trường hợp các anten độc lập và tương quan với hệ số 0.8......................................................................... 34 Hình 3.5a: Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO 4 ứng với SNR = -10dB................................................................................ 35 Hình 3.5b: Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO 4 ứng với SNR = 10dB. ................................................................................ 36 Hình 3.6: Dung năng kênh SISO (ứng với mỗi người dùng) băng rộng. ................ 39   VIII    Hình 3.7: Dung năng kênh MIMO 4 băng rộng. .......................................... 40 Hình 3.8: Dung năng kênh MIMO 4 băng rộng 8 người dùng với các hệ số tương quan khác nhau. ............................................................................................. 41 Hình 3.9: Đồ thị phân phối tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO 4 băng rộng. .................................................................................................. 43   IX    MỞ ĐẦU Kỹ thuật phân tập đã có nhiều ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động dùng TDMA, CDMA giúp nâng cao độ tin cậy truyền tin, nhưng xét chủ yếu trên hệ đơn người dùng từ điểm đến điểm. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Phân tập đa người dùng trong hệ thông tin băng rộng” làm luận văn tốt nghiệp. Trong luận văn này, chúng tôi muốn đề cập đến ưu điểm của phân tập trong hệ thống đa người dùng giúp nâng cao tổng dung lượng hệ thống. Nội dung luận văn gồm 3 chương: - Chương I: Phân tập và đa truy cập. - Chương II: Kênh vô tuyến. - Chương III: Dung năng kênh MIMO đa người dùng. Tôi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Thành Hiếu đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng muốn cám ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn.   1    CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP I. Phân tập Trong truyền thông không dây, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm thiểu hậu quả của pha-đinh đa đường và làm tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần tăng công suất truyền hoặc hy sinh băng thông. Kỹ thuật này yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát ở bên thu, chúng đều mang cùng thông tin nhưng với tương quan nhỏ trong thống kê pha-đinh. Ý tưởng cơ sở của phân tập là: nếu hai hay nhiều bản sao của một tín hiệu được phát, chúng sẽ suy giảm theo các cách không tương quan với nhau, một số bị suy giảm rất lớn, trong khi số khác suy giảm nhỏ. Điều này nghĩa là xác suất tất cả các bản sao đồng thời nhỏ hơn một mức nào đó thấp hơn bất kỳ xác suất bản sao nào nhỏ hơn mức đó. Do đó, một sự kết hợp phù hợp nhiều bản sao sẽ giảm thiểu đáng kể pha-đinh sâu, và từ đó, tăng độ tin cậy truyền tin. Trong các hệ thống truyền thông không dây, một số kỹ thuật phân tập được sử dụng để đạt được hiệu năng mong muốn. Tùy theo miền phân tập được đưa vào, người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian. 1. Phân tập thời gian Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền các bản tin giống hệt nhau trên các khe thời gian khác nhau, đưa đến các tín hiệu pha-đinh không tương quan ở bên thu. Khoảng cách giữa các khe thời gian được yêu cầu không nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh. Thời gian kết hợp là một đại lượng thống kê cho biết khoảng thời gian mà quá trình pha-đinh còn tương quan. Mã điều khiển lỗi thường dùng trong kỹ thuật truyền thông số cũng được sử dụng để cung cấp độ lợi mã hóa. Trong truyền thông di động, nó được kết hợp với kỹ thuật ghép xen để đạt được phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các bản sao của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian giữa các bản sao được tạo ra do ghép xen để đạt được pha-đinh độc lập tại đầu vào của bộ giải mã. Vì ghép xen gây ra trễ giải mã nên kỹ thuật này thường hiệu quả đối với môi trường pha-đinh nhanh, trong đó thời gian kết hợp của kênh nhỏ. Trong pha-đinh chậm, ghép xen có thể gây nên trễ vượt mức cho phép đối với các ứng dụng nhạy trễ như thoại. Điều này khiến phân tập thời gian bị loại bỏ trong một số hệ thống di   2    động. Một trong các hạn chế của kỹ thuật này là mất mát băng thông do có sự dư thừa trong miền thời gian. 2. Phân tập tần số Trong phân tập tần số, nhiều tần số khác nhau được sử dụng để truyền cùng một bản tin. Các tần số này phải tách biệt nhau để đảm bảo pha-đinh ứng với mỗi tần số độc lập với các tần số khác. Để đạt được điều này, khoảng cách tần số phải lớn gấp vài lần băng thông kết hợp của kênh. Băng thông kết hợp với các môi trường lan truyền khác nhau là khác nhau. Trong truyền thông di động, các bản sao của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền tần số được thực hiện bởi trải phổ như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần. Các kỹ thuật trải phổ hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ. Nhưng khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải thì trễ đa đường sẽ liên quan tới chu kỳ ký hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Cũng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm mất mát băng thông do gây ra sự dư thừa trong miền tần số. 3. Phân tập không gian Phân tập không gian là một kỹ thuật phổ biến trong truyền thông vi ba. Nó còn được gọi là phân tập anten. Phân tập không gian thường được thực hiện sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp cạnh nhau trong không gian để phát hoặc thu. Các anten được đặt cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu riêng rẽ không tương quan với nhau. Khoảng cách yêu cầu thay đổi theo độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số. Thông thường, giá trị này chỉ cần cỡ một vài bước sóng là đủ để đạt được các tín hiệu không tương quan. Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu phát được gửi đến bộ thu theo dạng dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm mất mát băng thông. Đặc tính này rất hấp dẫn đối với truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai. Phân tập phân cực và phân tập góc là hai ví dụ của phân tập không gian. Trong phân tập phân cực, các tín hiệu phân cực ngang và dọc được phát đi bởi hai anten phân cực khác nhau và được nhận cũng bởi hai anten phân cực khác nhau. Việc phân cực khác nhau đảm bảo hai tín hiệu không tương quan mà không cần đặt hai anten cách xa nhau. Phân tập góc thường áp dụng trong việc phát với tần số sóng mang lớn hơn 10GHz. Trong trường hợp này, khi các tín hiệu phát tán xạ   3    mạnh trong không gian thì các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau. Do đó, hai hoặc nhiều anten định hướng có thể được đặt theo các hướng khác nhau ở bên thu để thu được các bản sao không tương quan của tín hiệu phát. Tùy theo nhiều anten được sử dụng cho việc thu hay phát, chúng ta có thể chia phân tập không gian thành hai loại: phân tập thu và phân tập phát. Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở bên thu để lấy các bản sao độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao này được kết hợp thích hợp để làm tăng SNR và làm giảm phađinh đa đường. Trong phân tập phát, nhiều anten được khai thác ở bên phát. Bản tin được xử lý ở bên phát sau đó trải trên nhiều anten. 4. Các phương pháp kết hợp phân tập Đặc trưng then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất suy giảm sâu đồng thời của các kênh con thấp. Nói chung, hiệu năng của các hệ thống truyền thông sử dụng phân tập phụ thuộc vào việc các bản sao tín hiệu được kết hợp ở bên thu như thế nào để làm tăng SNR (Signal-to-noise ratio). Do đó, các kỹ thuật phân tập còn có thể được phân loại theo phương pháp kết hợp được khai thác ở bên thu. Dựa vào độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh cần biết ở bên thu, có bốn phương pháp kết hợp chính: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp cùng hệ số và kết hợp tối đa tỉ lệ. 4.1. Kết hợp lựa chọn Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn[3].   4    Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Xét một hệ thống phân tập thu với anten thu. Trong hệ thống này, các tín hiệu có SNR tức thời lớn nhất ở mỗi khoảng ký hiệu được lựa chọn làm đầu ra, để SNR đầu ra bằng SNR của tín hiệu vào tốt nhất. Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất phát cộng công suất ồn cao nhất thường được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR. 4.2. Kết hợp chuyển mạch Trong hệ thống phân tập kết hợp chuyển mạch, bên thu quét tất cả các nhánh phân tập và chọn một nhánh với SNR cao hơn một ngưỡng đặt trước. Tín hiệu này được chọn làm đầu ra cho đến khi SNR của nó rơi xuống dưới ngưỡng. Khi điều này xảy ra, bên thu quét lại và chuyển tới nhánh khác. Kỹ thuật này còn được gọi là phân tập quét. Hình 1.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch[3]. So sánh với phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch kém hơn vì nó không lấy liên tục tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên, nó dễ thực hiện hơn khi không yêu cầu theo dõi liên tục tất cả các nhánh phân tập. Với cả hai kỹ thuật trên, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một trong số tất cả các nhánh phân tập. Hơn nữa, chúng không yêu cầu thông tin trạng thái kênh. Chính vì vậy, hai kỹ thuật này có thể được sử dụng kèm với điều chế kết hợp hoặc không kết hợp.   5    4.3. Kết hợp tối đa tỉ lệ Kết hợp tối đa tỉ lệ là phương pháp kết hợp tuyến tính. Trong một quá trình kết hợp tuyến tính nói chung, các đầu vào được nhân trọng số rồi cộng lại để có được tín hiệu ra. Các trọng số được lựa chọn theo nhiều cách. Hình 1.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ[3]. Hình 1.3 chỉ ra sơ đồ khối của phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ. Tín hiệu đầu ra là kết hợp tuyến tính của các bản sao với trọng số, được cho bởi: ∑ (1.1) Với là tín hiệu thu được ở anten thu thứ , và là nhân tử trọng số cho anten thu . Trong kết hợp tối đa tỉ lệ, nhân tử trọng số của mỗi anten thu được chọn tỉ lệ với tỉ số điện áp tín hiệu trên công suất ồn của chính nó. Gọi và ∅ lần lượt là biên độ và pha của tín hiệu thu . Giả sử rằng các anten thu có cùng công suất ồn trung bình, nhân tử trọng số được biểu diễn như sau: ∅   (1.2) 6    Phương pháp này được gọi là kết hợp tối ưu vì nó làm tối đa SNR đầu ra. Nó chỉ ra rằng SNR đầu ra tối đa bằng tổng các SNR tức thời của các tín hiệu riêng lẻ. Trong kỹ thuật này, các tín hiệu riêng lẻ phải đồng pha, được nhân với biên độ tương ứng với nó rồi lấy tổng. Kỹ thuật này không yêu cầu pha của tín hiệu và biên độ pha-đinh của kênh. Bởi vậy, nó có thể được sử dụng kèm với tách sóng kết hợp, nhưng không thích hợp với tách sóng không kết hợp. 4.4. Kết hợp cùng hệ số Kết hợp cùng hệ số là phương pháp kết hợp tuyến tính gần tối ưu nhưng đơn giản. Nó không yêu cầu ước lượng biên độ pha-đinh của mỗi nhánh. Thay vào đó, bên thu đặt biên độ của các nhân tử trọng số là đồng nhất. ∅ (1.3) Theo cách này, tất cả các tín hiệu thu là đồng pha và được cộng với nhau với cùng hệ số. Hiệu năng của kết hợp cùng hệ số chỉ kém hơn một chút so với kết hợp tối đa tỉ lệ, nhưng độ phức tạp của nó giảm đi đáng kể. II. Vấn đề đa người dùng Trong hệ thống đa người dùng, tài nguyên được chia cho nhiều người sử dụng. Chúng ta đã biết tín hiệu có băng thông B và thời gian T chiếm không gian 2BT. Để hỗ trợ nhiều người dùng, không gian tín hiệu của hệ thống phải được cấp phát cho nhiều người dùng khác nhau. Việc cấp phát không gian tín hiệu tới những người dùng cụ thể được gọi là đa truy cập. Các kỹ thuật truy cập chia tổng không gian tín hiệu thành các kênh rồi cấp những kênh này tới những người dùng khác nhau. Các phương pháp phổ biến nhất thường dùng là chia không gian tín hiệu theo các trục thời gian, tần số hoặc mã. Sau đó, các kênh người dùng khác nhau được tạo nên từ việc phân chia trực giao hoặc không trực giao trên các trục này: đa truy cập phân chia theo thời gian (Time division multiple access: TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency division multiple access: FDMA) là các phương pháp kênh hóa trực giao, trong khi đa truy cập phân chia theo mã (Code division multiple access: CDMA) có thể trực giao hoặc không trực giao phụ thuộc vào thiết kế mã. Anten định hướng, thường đạt được thông qua việc xử lý anten mảng, thêm vào một không gian góc mà cũng có thể được sử dụng để kênh hóa không gian tín hiệu. Kỹ thuật này được gọi là đa   7    truy cập phân chia theo không gian (Space divison multiple access: SDMA). Hiệu năng của các phương pháp đa truy cập khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của chúng và việc chúng được sử dụng ở đường lên hay đường xuống. TDMA, FDMA và CDMA trực giao là tương đương theo nghĩa chúng chia trực giao không gian tín hiệu, do đó chúng tạo ra số lượng kênh trực giao bằng nhau. Đặc biệt, với một không gian tín hiệu 2BT cho trước, chúng ta có thể tạo ra N kênh trực giao 2BT/N, không phụ thuộc vào việc phương pháp kênh hóa nào được sử dụng. Kết quả là, tất cả các kỹ thuật đa truy cập mà chia trực giao không gian tín hiệu có dung năng bằng nhau trên kênh AWGN (Additive white Gaussian noise). Tuy nhiên, sự làm suy yếu kênh như pha-đinh phẳng và pha-đinh lựa chọn tần số ảnh hưởng tới các kỹ thuật này theo các cách khác nhau, dẫn tới các dung năng kênh và hiệu năng khác nhau trong thực tế. 1. Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Trong FDMA, không gian tín hiệu được chia trên trục tần số thành các kênh không trùng lặp, mỗi người dùng được cấp một kênh tần số khác nhau. Giữa các kênh thường có khoảng bảo vệ để bù cho các bộ lọc không hoàn hảo, nhiễu kênh lân cận và trải phổ do Doppler. Nếu các kênh này đủ hẹp thì ngay cả khi tổng băng thông hệ thống là lớn, chúng cũng không phải chịu pha-đinh lựa chọn tần số. Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số[1]. Việc truyền liên tục theo thời gian có thể làm phức tạp chức năng phần mào đầu như ước lượng kênh vì các hàm này phải được thực hiện đồng thời và trong   8    cùng băng thông với dữ liệu truyền. FDMA cũng yêu cầu máy thu nhạy tần có thể điều chỉnh tới các sóng mang khác nhau ứng với các kênh khác nhau. Rất khó để gán nhiều kênh tới cùng một người dùng trong FDMA vì điều này yêu cầu máy thu tách đồng thời các tín hiệu trên nhiều kênh tần số. FDMA là tùy chọn đa truy cập phổ biến nhất trong các hệ thống truyền thông tương tự. Đa truy cập trong các hệ thống OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), còn được gọi là OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access), thực hiện FDMA bằng cách cấp các sóng mang con khác nhau cho các người dùng khác nhau. 2. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong TDMA, không gian hệ thống được chia dọc theo trục thời gian thành các kênh không trùng lặp, và mỗi người dùng được cấp một khe thời gian khác nhau, mỗi khe này lặp lại đều đặn theo chu kỳ. Các kênh TDMA này chiếm toàn bộ băng thông hệ thống, thường là băng rộng, đặt ra yêu cầu cần làm giảm ISI (Intersymbol interference). Vì các khe thời gian tuần hoàn nên việc truyền không diễn ra liên tục cho mỗi người dùng. Do đó, phương pháp này yêu cầu kỹ thuật truyền số cho phép sử dụng bộ đệm. Việc truyền không liên tục giúp đơn giản chức năng phần mào đầu, như ước lượng kênh, vì các chức năng này có thể hoàn thành trong các khe thời gian đang được sử dụng bởi những người dùng khác. TDMA còn có thuận lợi nữa là dễ dàng khi cấp nhiều kênh tới một người dùng, đơn giản chỉ cần cấp cho người đó nhiều khe thời gian. Khó khăn lớn nhất của TDMA, ít nhất với đường lên, là yêu cầu về việc đồng bộ giữa các người dùng khác nhau. Cụ thể, trong đường xuống, tất cả các tín hiệu bắt nguồn từ cùng một bộ phát và truyền trên cũng một kênh tới bất kỳ bộ thu nào. Do đó, trong kênh pha-đinh phẳng, nếu các người dùng truyền trên các khe thời gian trực giao thì tín hiệu thu được vẫn duy trì tính trực giao này. Tuy nhiên, với đường lên, các người dùng truyền trên các kênh khác nhau với trễ tương ứng khác nhau. Để duy trì các khe thời gian trực giao trong các tín hiệu thu được, các bộ phát đường lên khác nhau phải đồng bộ hóa để sau khi truyền qua các kênh tương ứng, tín hiệu thu được vẫn trực giao với nhau.Việc đồng bộ hóa này thường được sắp đặt bởi trạm cơ sở hoặc điểm truy cập và có thể đòi hỏi mào đầu đáng kể. Đa đường cũng có thể phá hủy tính trực giao ở cả đường lên và đường xuống nếu trễ đa đường chiếm tỉ lệ đáng kể so với khe thời gian. Do đó, các kênh TDMA thường có khoảng bảo vệ giữa chúng để bù cho lỗi đồng bộ và đa đường. Khó khăn nữa của   9    TDMA là với tính tuần hoàn của khe thời gian, đặc tính kênh thay đổi trên mỗi chu kỳ. Do đó, các chức năng thu yêu cầu ước lượng kênh, như cân bằng, cần ước lượng lại kênh trên mỗi chu kỳ. Khi việc truyền diễn ra liên tục, kênh được bám, nên hiệu quả hơn. Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian[1]. 3. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Trong CDMA, tín hiệu của các người dùng khác nhau được điều chế bởi mã trải trực giao hoặc không trực giao. Các tín hiệu trải chiếm cùng thời gian và băng thông. Bộ thu dùng cấu trúc mã trải để tách riêng các người dùng khác nhau. Dạng phổ biến nhất của CDMA là trải phổ đa người dùng với trải phổ chuỗi trực tiếp hoặc trải phổ nhảy tần. Đường xuống thường sử dụng các mã trải trực giao như Walsh-Hadamard, dù trực giao có thể bị mất bởi đa đường. Đường lên thường sử dụng các mã không trực giao do khó khăn trong việc đồng bộ và phức tạp trong việc duy trì trực giao mã khi đa đường. Một trong các ưu điểm lớn nhất của CDMA không trực giao trong đường lên là yêu cầu sự kết hợp ít động giữa các người dùng theo thời gian và tần số vì các người dùng có thể được tách bởi đặc tính mã riêng. Thêm vào đó, vì TDMA và FDMA chia không gian tín hiệu một cách trực giao nên có một giới hạn cứng bao nhiêu kênh trực giao có thể được tạo ra. Điều này cũng đúng đối với CDMA sử dụng mã trực giao. Nhưng nếu mã không trực giao được sử dụng thì không có giới hạn cứng về số kênh có thể được tạo. Tuy nhiên, mã không trực giao gây nhiễu giữa các người dùng, đồng nghĩa với việc càng nhiều người dùng đồng thời chia sẻ băng thông hệ thống sử dụng mã không trực giao, mức can nhiễu càng lớn, điều   10    này làm giảm hiệu năng của tất cả người dùng. Kỹ thuật CDMA trực giao còn yêu cầu điều khiển công suất trên đường lên để bù hiệu ứng gần-xa. Hiệu ứng này xuất hiện trong đường lên bởi vì hệ số kênh giữa bộ phát và bộ thu của mỗi người dùng khác so với các người dùng khác. Cụ thể, giả sử có một người dùng rất gần trạm cơ sở hoặc điểm truy cập, và một người khác đứng rất xa. Nếu cả hai phát cùng công suất thì nhiễu từ người dùng ở gần sẽ tràn ngập tín hiệu người dùng ở xa. Do đó, điều khiển công suất được sử dụng để công suất tín hiệu thu được của tất cả người dùng xấp xỉ bằng nhau. Các hệ thống CDMA sử dụng mã không trực giao cũng có thể sử dụng tách đa người dùng (Multiuser detection: MUD) để giảm nhiễu giữa các người dùng. MUD giúp cải thiện hiệu năng đáng kể ngay cả với điều khiển công suất hoàn hảo, và tốt hơn khi điều khiển công suất được tối ưu đồng thời với kỹ thuật MUD. Cuối cùng, rất đơn giản để cấp nhiều kênh tới một người dùng với CDMA bằng cách cấp cho người dùng đó nhiều mã. Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã[1]. 4. Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) SDMA sử dụng hướng (hay góc) như một chiều khác trong không gian tín hiệu mà có thể được kênh hóa và cấp cho các người dùng khác nhau. Kỹ thuật này thường được thực hiện với các anten hướng tính. Các kênh trực giao chỉ được cấp khi khoảng cách góc giữa các người dùng lớn hơn độ phân giải góc của anten hướng tính. Nếu sử dụng một anten mảng thì để đạt được độ phân giải góc chính xác cần một mảng rất lớn, điều này có thể phi thực tế với trạm cơ sở hoặc điểm truy cập và tất nhiên là không thể với thiết bị đầu cuối của người dùng.   11    Hình 1.7: Đa truy cập phân chia theo không gian[1]. Trong thực tế, SDMA thường được thực hiện nhờ sử dụng các anten mảng phân vùng. Trong các mảng này, góc 360 độ được chia thành N vùng, mỗi vùng có hệ số hướng tính cao và ít chịu nhiễu từ các vùng khác. TDMA hoặc FDMA cũng có thể được sử dụng để kênh hóa trong mỗi vùng. Tổng kết chương 1 Phân tập là kỹ thuật gửi nhiều bản sao của cùng một tín hiệu trên các đường truyền độc lập. Bằng cách này, sẽ có một xác suất cao một bản sao bị suy giảm nhỏ, giúp bên thu dễ dàng tách được tín hiệu, tức là tăng độ tin cậy truyền tin. Dựa vào miền phân tập, người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian. Có 4 phương pháp kết hợp phân tập: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp tối đa tỉ lệ và kết hợp cùng hệ số. Đa truy cập là việc cấp phát không gian tín hiệu cho các người dùng trong hệ thống đa người dùng. FDMA, TDMA, CDMA và SDMA là các phương pháp đa truy cập phổ biến.