Apertura de las ofertas

Một giải pháp khác hoặc để bổ sung cho nhiều anten thu, phân tập và tạo búp cũng có thể đạt được bằng cách áp dụng nhiều anten tại phía phát. Sử dụng nhiều anten phát thường được quan tâm cho đường xuống, nghĩa là tại trạm gốc vì khi này có nhiều không gian hơn để lắp đặt kết cấu anten. Trong trường hợp này việc sử dụng nhiều anten phát đảm bảo khả năng phân tập và tạo búp không cần các anten thu bổ sung và chuỗi máy thu tương ứng tại đầu cuối di động. Mặt khác, do phức tạp nên việc sử dụng nhiều anten phát cho đường lên (tại máy đầu cuối di động) ít hấp dẫn hơn. Trong trường hợp này, thông thường hệ thống sử dụng thêm các anten thu và dãy các máy thu tương ứng tại trạm gốc.

Chương4: Kỹ thuật đa anten 137

4.4.1. Phân tập anten phát

Nếu không biết rõ các kênh đường xuống của các anten khác nhau tại máy phát, các anten phát không thể đảm bảo tạo búp mà chỉ đảm bảo phân tập. Đối với phân tập cần đảm bảo tương quan tương hỗ giữa các kênh của các anten khác nhau thấp. Như đã xét ở trên, điều này có thể đạt được bằng cách chọn khoảng cách giữa các anten đủ lớn, hay một giải pháp khác là sử dụng các hướng phân cực anten khác nhau. Có rất nhiều cách tiếp cận khác nhau để thực hiện phân tập bằng nhiều anten phát.

4.4.2. Phân tập trễ

Do kênh pha đinh bị tán thời, nên sẽ có nhiều đường truyền phađinh độc lập với trễ khác nhau đến máy thu và điều này cung cấp phân tập đa đường hay phân tập tần số. Nếu lượng truyền sóng đa đường không quá lớn và sơ đồ truyền dẫn sử dụng các công cụ để chống lại phá hoại tín hiệu do tính chon lọc tần số của kênh vô tuyến (chẳng hạn truyền OFDM hay cân bằng tiên tiến tại phía thu) thì hệ thống có thể lợi dụng được truyền đa đường.

Nếu kênh không bị tán thời, nhiều anten phát có thể được sử dụng để tạo ra tán thời nhân tạo hay tương đương chọn lọc tần số nhân tạo bằng cách phát đi các tín hiệu như nhau với trễ tương đối khác nhau từ các anten khác nhau với tương quan tương hỗ thấp giữa các anten này. Kiểu phân tập trễ này được minh họa trên hình 4.7 cho trường hợp hai anten phát. Trễ tương đối T phải được chọn để đảm bảo lượng phân tập tần số phù hợp trên độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền. Phân tập trễ trên hình 4.7 cũng có thể được mở rộng cho cấu hình có nhiều anten hơn.

Đâu cuối di dộng không nhận biết được trễ phân tập, nó đơn giản coi đây là một kênh vô tuyến bị tán thời. Trễ phân tập có thể được đưa vào các hệ thống thống tin di động hiện có mà không cần bất kỳ một hỗ trợ đặc biệt trong tiêu chuẩn giao diện vô tuyến. Trễ phân tập cũng có thể áp dụng cho mọi sơ đồ truyền dẫn được thiết kế để xử lý cũng

138 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

như lợi dụng phân tập phađinh chọn lọc tần số (WCDMA và cdma2000). RX T Máy phát trạm gốc Đầu cuối di động Hình 4.7. Hai anten phân tập trễ 4.4.3. Phân tập trễ vòng

Phân tập trễ vòng (CDD: Cyclic Delay Diversity) cũng giống như phân tập trễ chỉ khác một điểm là phân tập trễ vòng hoạt động theo từng khối và áp dụng dịch vòng chứ không áp dụng trễ tuyến tính đối với các anten khác nhau (hình 4.8). Như vậy phân tập trễ vòng có thể áp dụng được cho các sơ đồ truyền dẫn theo khối như OFDM và DFTS-OFDM. 0 X 1 X 2 X 3 X 0 X 2 1 j f X e π τΔ 2 2 2 j f X e πΔ τ 2 3 3 j f X e πΔ τ τ Hình 4.8. Phân tập trễ vòng (CDD) hai anten phát

Chương4: Kỹ thuật đa anten 139

Trong trường hợp truyền dẫn OFDM, dịch vòng tín hiệu trong miền thời gian tương ứng với dịch pha phụ thuộc vào tần số và điều này tạo nên tính chọn lọc tần số nhân tạo từ giác độ máy thu. CDD hai anten phát có thể mở rộng cho cấu hình nhiều anten phát hơn.

4.4.4. Phân tập theo mã không gian thời gian

Mã không gian thời gian là một thuật ngữ được sử dụng cho các sơ đồ phát nhiều anten trong đó các ký hiệu điều chế được sắp xếp vào miền không gian và thời gian lên các anten phát để nhận được phân tập nhiều anten phát. Mã hoá khối không gian thời gian (STBC: Space Time Block Code) với hai anten phát đã được sử dụng trong 3G WCDMA với tên gọi STTD (Space-Time Transmit Diversity: Phân tập phát không gian thời gian).

Hình 4.9 mô tả hoạt động của STTD cho các cặp ký hiệu điều chế. Anten thứ nhất phát trực tiếp các kỹ hiệu điều chế, còn anten thứ hai phát các cặp ký hiệu điều chế theo thứ tự ngược lại, ngoài ra các ký hiệu này còn được đảo dấu và chuyển thành liên hợp phức.

Bộ mã hóa STTD RX Đầu cuối di động 0, , , ,...1 2 3 x x x x * * * * 1, ,0 3, ,...2 x x x x − − 0, , , ,...1 2 3 x x x x * * 1 1 , , ,... n n n n x x+ ⇒ −x+ x Máy phát trạm gốc h1 2 h

Hình 4.9. Phân tập phát không gian thời gian (STTD)

Mã hóa không gian thời gian hai anten trên hình 4.9 có thể được coi là có tỷ lệ mã bằng một. Điều này có nghĩa rằng tốc độ ký hiệu đầu vào có cùng tốc độ ký hiệu tại từng anten tương ứng với sự sử dụng băng thông bằng một. Cũng có thể mở rộng mã hóa không gian thời

140 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

gian cho nhiều anten hơn. Tuy nhiên trong trường hợp điều chế phức như QPSK hay 16/64QAM, các mã có tỷ lệ một mà không gây nhiễu cho nhau (các mã không gian thời gian trực giao) chỉ tồn tại cho hai anten. Nếu cần tránh nhiễu giữa các ký hiệu trong trường hợp sử dụng nhiều hơn hai anten, phải sử dụng các mã có tỷ lệ nhỏ hơn một và điều này dẫn đến giảm sự sử dụng băng thông.

Vectơ thu của truyền dẫn STTD có thể được biểu diễn như sau:

1 2 * * * * 1 2 1 1 . . n n n n y h h x y h x y ₊ h h x ₊ − ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ =_{⎢ ⎥}=_{⎢ ⎥ ⎢ ⎥}= ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (4.7)

Trong đó yn và yn+1 là các ký hiệu thu trong khoảng thời gian phát cặp ký hiệu. Cần lưu ý rằng biểu thức trên được rút ra với giả thiết rằng các độ lợi kênh h1 và h2 không thay đổi trong thời gian phát cặp ký hiệu. Vì ma trận h được định cỡ ma trận nhất phân nên có thể khôi phục được các ký hiệu phát xn và xn+1 từ các ký hiệu thu yn, yn+1 mà không xẩy ra nhiễu giữa chúng bằng cách nhân ma trận W=_hH _=h−1 _{với vectơ y (lưu ý: chỉ số -1 ký hiệu cho ma trận đảo).}

4.4.5. Phân tập theo mã không gian tần số

Mã khối không gian tần số (SFBC: Space Frequency Block Code) cũng giống như mã STBC chỉ khác là mã hóa được thực hiện trong miền không gian (anten)/tần số chứ không trong miền không gian (anten)/thời gian. Vì thế SFBC có thể được áp dụng cho các sơ đồ OFDM và các sơ đồ truyền dẫn miền tần số khác. Tương tự như STTD, SFTD được sử dụng cho SFBC (hình 4.10). Từ hình 4.10 ta thấy các ký hiệu điều chế (miền tần số) X X X X₀, ₁, ₂, ₃,... được sắp xếp trực tiếp lên các sóng mang con OFDM của anten thứ nhất, còn khối

các ký hiệu * * * *

1, 0, 3, 2,...

X X X X

− − được sắp xếp lên các sóng mang con

Chương4: Kỹ thuật đa anten 141 RX 0 X 1 X 2 X 3 X * 1 X − * 0 X * 3 X − * 2 X Điều chế OFDM Điều chế OFDM Đầu cuối di động

Hình 4.10. Phân tập phát không gian- tần số với hai anten phát

Cũng giống như mã hóa không gian thời gian, nhược điểm của mã hóa không gian tần số là không thể tăng số anten lớn hơn hai mà không làm giảm tỷ lệ mã.

So sánh hình 4.10 với hình bên phải của hình 4.8, ta có thể nhận thấy sự khác nhau giữa SFBC và phân tập trễ vòng chủ yếu ở cách sắp xếp các ký hiệu điều chế miền tần số lên anten thứ hai. Lợi điểm của SFBC so với CDD là SFBC cung cấp phân tập tại mức ký hiệu điều chế trong khi đó CDD trong trường hợp OFDM phải dựa trên mã hóa kênh kết hợp với đan xen miền tần số để cung cấp phân tập.

4.4.6. Tạo búp tại phía phát

Nếu có được một số hiểu biết và các kênh đường xuống của các anten phát khác nhau và nhất là một số hiểu biết về pha kênh tương đối tại phía phát, các anten phát ngoài phân tập còn có thể đảm bảo tạo búp, nghĩa là tạo dạng cho toàn bộ búp anten theo phương đến máy thu đích. Nói chung tạo búp có thể tăng cường độ tín hiệu tại anten thu

142 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

lên đến thừa số Nt, nghĩa là tỷ lệ với số anten phát. Khi nói về các sơ đồ truyền dẫn dựa trên nhiều anten phát để cung cấp tạo búp, ta cần phân biệt giữa các trường hợp tương quan anten tương hỗ cao và thấp.

Tương quan anten tương hỗ cao liên quan đến cấu hình anten với khoảng cách giữa anten nhỏ như trên hình 4.11a. Trong trường hợp này, các kênh giữa các anten khác nhau và máy thu đặc thù hầu như giống nhau kể cả phađinh kênh vô tuyến ngoại trừ sự khác nhau về pha phụ thuộc vào phương. Khi này có thể lái búp truyền dẫn tổng đến các phương khác nhau bằng cách sử dụng các dịch pha khác nhau đối với các tín hiệu phát trên các anten khác nhau như trên hình 4.11b.

1 j

eϕ ejϕ2 ejϕ3 ejϕ4 _ejϕ₁ ejϕ2 ejϕ3 ejϕ4

Hình 4.11. Tạo búp kinh điển với tương quan anten tương hỗ cao: (a) cấu hình anten và (b) cấu trúc búp

Phương pháp tạo búp phía phát bằng cách sử dụng các dịch pha khác nhau cho các anten có tương quan cao đôi khi được gọi là tạo búp kinh điển. Do khoảng cách giữa các anten nhỏ, búp phát tổng khá rộng và các điều chỉnh phương búp sóng (trong thực tế là điều chỉnh các dịch pha anten) thông thường được thực hiện khá chậm. Điều chỉnh có thể được thực hiện trên cơ sở đánh giá phương đến đầu cuối di động đích được rút ra từ đo đạc trên đường lên. Ngoài ra do giả thiết tương quan cao giữa các anten phát khác nhau, tạo búp kinh điển không thể đảm bảo phân tập chống phađinh kênh vô tuyến ngoài việc chỉ tăng cường độ tín hiệu thu.

Chương4: Kỹ thuật đa anten 143

Tương quan anten tương hỗ thấp liên quan đến khoảng cách giữa các anten đủ lớn (hình 4.12) hay các phương phân cực anten khác nhau. Với tương quan anten tương hỗ thấp, nguyên lý tạo búp cơ sở cũng giống như sơ đồ trên hình 4.11. Tuy nhiên khác với tạo búp kinh điển, các trọng số anten phải có giá trị phức nghĩa là phải có thể điều chỉnh cả pha và biên của tín hiệu phát trên các anten khác nhau. Điều này phản ánh thực tế là do tương quan anten tương hỗ thấp, cả pha và độ lợi tức thời của các kênh anten có thể khác nhau.

1 x x₂ xNt 1 w w2 wNt Tín hiệu cần phát x Bộ tiền mã hóa Vài bước sóng

Hình 4.12. Tạo búp dựa trên bộ tiền mã hóa trong trường hợp tương quan anten tương hỗ thấp

Khi sử dụng các trọng số phức khác nhau cho các tín hiệu cần phát trên các anten khác nhau, ta có thể biêu diễn vectơ tín hiệu cho các anten phát như sau: 1 1 Nt w . w.x w Nt x x x x ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ =_{⎢ ⎥ ⎢}= _⎥ = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ # # (4.8)

Cần lưu ý rằng tạo búp kinh điển trên hình 4.11 cũng có thể được mô tả theo phương trình (4.8), có nghĩa rằng tiền mã hóa anten với hạn chế độ lợi bằng một và chỉ đảm bảo các dịch pha cho các anten phát khác nhau.

Giả thiết rằng các tín hiệu phát đi từ các anten khác nhau chỉ bị pha đinh phẳng (phađinh không chọn lọc tần số) và tạp âm trắng, nghĩa là không có tán thời, để đạt được công suất tín hiệu thu cực đại, cần chọn các trọng số tiền mã hóa như sau:

144 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G * i 2 1 w i Nt k k h h = =

∑

Nghĩa là trọng số phải bằng liên hiệp phức của độ lợi kênh hi được chuẩn hóa để đảm bảo tổng công suất phát cố định. Vectơ tiền mã hóa phải đảm bảo:

Quay pha tín hiệu phát để bù trừ pha tức thời của kênh và đảm bảo các tín hiệu thu được đồng bộ pha

Ấn định công suất cho các anten khác nhau theo nguyên tắc công suất lớn hơn được ấn định cho các anten có điều kiện kênh tức thời tốt hơn (độ lợi kênh |hi| cao)

Đảm bảo tổng công suất phát bằng một (hay một hằng số bất kỳ) Điểm khác nhau căn bản giữa tạo búp kinh điển trên hình 4.11 với giả thiết tương quan tương hỗ giữa các anten cao và tạo búp trên hình 4.12 với giả thiết tương quan tương hỗ giữa các anten thấp là ở chỗ trong trường hợp thứ hai hệ thống cần biết kênh chi tiết để đánh giá phađinh tức thời của kênh. Các giá trị mới của vectơ tiền mã hóa phải được tính trong trong một khoảng thời gian ngắn để bắt kịp các thay đổi của phađinh. Do các điều chỉnh cho các trọng số bộ tiền khuếchđại có xét đến phađinh tức thời (bao gồm độ lợi kênh tức thời), nên tạo búp trên hình 4.12 cũng cung cấp phân tập chống phađinh kênh vô tuyến.

Ngoài ra trong trường hợp thông tin dựa trên ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) trong đó truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng các băng tần khác nhau, nên thông thường phađing giữa đường lên và đường xuống không tương quan với nhau. Vì thế trong trường hợp FDD chỉ đầu cuối di động là có thể đánh giá được phadinh kênh đường xuống. Nên đầu cuối di động phải báo cáo ước tính kênh đường xuống cho trạm gốc thông qua báo hiệu đường lên. Một cách khác, đầu cuối di động có thể tự mình lựa chọn vectơ tiền mã hóa từ một tập hữu hạn các

Chương4: Kỹ thuật đa anten 145

vectơ tiền mã hóa có thể có (được gọi là bảng mã tiền mã hóa) và báo cáo vectơ này cho trạm gốc.

Mặt khác trong trường hợp ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex), trong đó truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần nhưng trong các khe thời gian cách biệt nhau, nên thông thường tồn tại tương quan phađinh cao giữa đường lên và đường xuống. Trong trường hợp này trạm gốc (ít nhất là về mặt lý thuyết) có thể xác định phađinh đường xuống từ đo đạc trên đường lên nhờ vậy tránh được việc phản hồi thông tin. Tuy nhiên điều này chỉ đảm bảo khi coi rằng đầu cuối di động thường xuyên phát trên đường lên.

Các phân tích trên đây được đưa ra với giả thiết là kênh không thay đổi trong miền tần số. Trong trường hợp kênh chọn lọc tần số, rõ ràng rằng không thể chỉ có một hệ số kênh trên một anten được tính toán theo (4.9). Tuy nhiên trong trường hợp OFDM, mỗi sóng mang con thường trải qua một kênh không chọn lọc tần số. Vì thế trong trường hợp truyền dẫn OFDM, tiền mã hóa trên hình 4.12 có thể được thực hiện trên cơ sở từng sóng mang con như trên hình 4.13, trong đó các trọng số của bộ tiền mã hóa của từng sóng mang con được chọn theo (4.9). S/P IFFT IFFT 1,0 w 2,N-1 w 21,0 w 1,N-1 w

Hình 4.13. Tiền mã hóa cho từng sóng mang con trong trường hợp OFDM (hai anten phát)

146 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

Cần lưu ý rằng trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang như trong WCDMA, phương pháp một trọng số trên một anten như trên hình 4.12 có thể được mở rộng để xét đến cả kênh tán thời/tán tần.