Xét về mặt lịch sử cũng như sự phổ biến, cấu hình thường gặp và được biết từ lâu đó là cấu hình sử dụng nhiều anten tại máy thu. Phương pháp này thường được gọi là phân tập thu hay phân tập RX, mặc dù mục đích của nó không phải luôn luôn chỉ để nhận được phân tập chống phađinh.
130 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
Hình 4.1 mô tả nguyên lý kết hợp tuyến tính các tín hiệu thu y1, …, yNr từ Nr anten thu bằng cách nhân tín hiệu thu này với các thừa số
trọng số phức * * *r
1 2 N
w , w ,..., w trước khi cộng chúng với nhau. Vectơ nhận được sau kết hợp anten thu tuyến tính này có thể được biểu diễn như sau: 1 * * H 1 Nr w ...w . Nr y y ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ =⎣ ⎦ ⎢ ⎥= ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ x #
w
y (4.1)Trong đó chỉ số H kí hiệu cho chuyển vị Hermitian
1 y Nr y * 1 w * Nr w x
Hình 4.1. Kết hợp anten thu tuyến tính
Nếu coi rằng tín hiệu phát không bị phađinh chọn lọc (không có tán thời) và tạp âm là tạp âm Gauss trắng cộng, tín hiệu thu tại các anten khác nhau trên hình 4.1 có thể được biểu diễn như sau:
1 1 1 . . r Nr Nr N y h y x h x y h ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ =⎢ ⎥ ⎢= ⎥ +⎢ ⎥= + ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ # # # η η η (4.2)
Chương4: Kỹ thuật đa anten 131
Trong đó x là tín hiệu phát, vectơ h bao gồm Nr độ lợi kênh phức và vectơ η bao gồm tạp âm trắng tại Nr nhánh thu từ các anten khác nhau (xem hình 4.2). 1 y Nr y * 1 w * Nr w x 1 h Nr h Nr η 1 η
Hình 4.2. Các kênh truyền trong kết hợp anten thu tuyến tính
Có thể dễ dàng chứng minh rằng để đạt được tỷ số tín hiệu trên tạp âm cực đại sau kết hợp tuyến tính, cần chọn vectơ trọng số w như sau:
MRC
w = h (4.3)
Kết hợp này còn được gọi là kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC: Maximum Ratio Combining). Các trọng số MRC thực hiện hai mục đích:
Quay pha tín hiệu thu được tại các anten khác nhau để bù trừ pha của kênh tương ứng và đảm bảo rằng các tín hiệu đồng pha khi cộng với nhau (kết hợp nhất quán)
Đánh trọng số các tín hiệu tỷ lệ với các độ lợi kênh tương ứng,nghĩalà sử dụng trọng số cao cho các tín hiệu thu mạnh hơn.
Trong trường hợp các anten không tương quan với nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các anten đủ lớn hay các anten có phân cực khác nhau, thì các độ lợi kênh h1, h2, …, hNr sẽ không tương quan nhau và kết hợp phân tập tuyến tính cung cấp phân tập bậc Nr. Đối với tạo búp phía thu, việc chọn các trọng lượng anten theo (4.3) tương ứng với
132 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
búp thu có độ lợi cực đại Nr trong phương hướng đến máy phát đích. Vì thế viêc sử dụng nhiều anten thu có thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm sau kết hợp tỷ lệ với số lượng các anten thu.
MRC là một chiến lược kết hợp anten khi tín hiệu thu chủ yếu bị phá hoại bởi tạp âm. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp của thông tin di động, tín hiệu thu chủ yếu bị phá hoại bởi nhiễu từ các máy phát khác trong hệ thống chứ không phải tạp âm. Trong trường hợp số lượng các tín hiệu nhiễu khá lớn, kết hợp tỷ lệ cực đại vẫn là lựa chọn tốt chẳng hạn trong trường hợp tổng nhiễu thể hiện giống như tạp âm và không có hướng đến đặc thù. Tuy nhiên trong trường hợp chỉ có một nguồn nhiễu lớn (hoặc trong trường số nguồn nhiễu lớn có hạn) như mô tả trên hình 4.3, hiệu năng chỉ có thể được cải thiện nếu thay vì chọn các trọng số anten để đạt được tỷ số tín hiệu trên tạp âm cực đại sau kết hợp anten (MRC), các trọng số anten được chọn sao cho các nguồn nhiễu này bị triệt tiêu. Đối với tạo búp phía thu, điều này tương ứng với búp thu có suy hao cao tại hướng đến nguồn nhiễu chứ không tương ứng với búp thu có độ lợi cực đại theo hướng đến tín hiệu đích. Việc sử dụng kết hợp anten với mục đích triệt tiêu các nguồn nhiễu đặc thù thường được gọi là kết hợp loại bỏ nhiễu (IRC: Interference Rejection Combining).
1 h 2 h hI,2 ,1 I h I x
Hình 4.3. Kịch bản đường xuống với một nguồn nhiễu vượt trội chỉ có hai anetn thu
Chương4: Kỹ thuật đa anten 133
Trong trường hợp chỉ có một nguồn nhiễu vượt trội như trên hình 4.3, ta có thể biểu diễn công thức (4.2) như sau:
,1 1 1 1 , . . . . ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ =⎢ ⎥ ⎢= ⎥ +⎢ ⎥ +⎢ ⎥= + ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ # # # # r I I I I Nr Nr I Nr N h y h y x x h x h x y h h η + η η (4.4)
Trong đó xI là tín hiệu nhiễu và vectơ hI gồm các độ lợi kênh phức từ nguồn nhiễu đến Nr anten thu. Áp dụng các biểu thức từ (4.1) đến (4.4) ta thấy rằng tín hiệu nhiễu hoàn toàn bị triệt tiêu nếu vectơ trọng số w được chọn để thực hiện biểu thức sau:
H
w .hI = 0 (4.5)
Trong đó (.)H là chuyển vị Hermitian.
Trong trường hợp tổng quát, (4.5) có Nr lời giải khác không cho phép linh hoạt chọn trọng số. Tính linh hoạt này có thể được sử dụng để triệt các nguồn nhiễu chính khác. Đặc biệt hơn nữa trong trường hợp tổng quát với Nr anten thu, về mặt lý thuyết có thể hoàn toàn triệt tiêu Nr-1 nguồn nhiễu tách biệt. Tuy nhiện việc lựa chọn các trọng số anten để triệt tiêu hoàn toàn một số các nguồn nhiễu lớn có thể dẫn đến tăng mức tạp âm sau khi kết hợp anten. Điều này tương ứng với tăng lớn mức tạp âm trong trường hợp bộ cân bằng cưỡng bức về không.
Vì thế giống như trường hợp cân bằng tuyến tính, phương pháp tốt hơn là chọn vectơ trọng số anten w để đạt được sai số trung bình bình phương cực tiểu:
2
ε = ⎡ − ⎤
⎣ ⎦
E x x (4.6)
Phương pháp này thường được gọi là kết hợp sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error).
134 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
Mặc dù hình 4.3 chỉ minh họa kịch bản đường xuống với một trạm gốc gây nhiễu chủ yếu, IRC cũng có thể được áp dụng cho đường lên để triệt tiêu nhiễu từ các đầu cuối di động đặc thù. Trong trường hợp này, đầu cuối di động gây nhiễu có thể nằm trong cùng ô như đầu cuối di động đích (nhiễu nội ô) hoặc trong ô bên cạnh (nhiễu giữa các ô) (hình 4.4). Triệt nhiễu nội ô liên quan đến trường hợp đường lên không trực giao, nghĩa là khi nhiều đầu cuối di động phát đồng thời bằng cách sử dụng cùng một tài nguyên thời gian-tần số. Việc triệt nhiễu nội ô bằng IRC đôi khi còn được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian (SDMA: Space Division Multiple Access).
Hình 4.4. Kịch bản máy thu bị một máy đầu cuối di động gây nhiều mạnh: Nhiễu nội ô, b) Nhiễu giữa các ô
Trong thực tế kênh vô tuyến luôn luôn bị tán thời ở một mức độ nhất định hay nói một cách khác có tính chọn lọc tần số và điều này dẫn đến phá hoại tín hiệu băng rộng. Một biện pháp để chống lại sự phá hoại tín hiệu kiểu này là áp dụng cân bằng tuyến tính miền thời gian hay miền tần số. Cũng cần nhấn mạnh rằng viêc kết hợp anten thu tuyến tính nói trên có rất nhiều điểm tương đồng với cân bằng tuyến tính:
Lọc/cân bằng tuyến tính miền thời gian thực chất là áp dụng xử lý tuyến tính cho tín hiệu thu tại các thời điểm khác nhau (hay các tần số khác nhau) để đạt được SNR sau cân bằng cực đại (cân bằng dựa trên MRC), cũng là một sự lựa chọn để loại bỏ sự phá hoại tín hiệu do tính
Chương4: Kỹ thuật đa anten 135
chọn lọc tần số của kênh vô tuyến (cân bằng cưỡng bức không, cân bằng MMSE...)
Kết hợp anten thu tuyến tính là quá trình xử lý tuyến tính áp dụng cho các tín hiệu thu từ các anten khác nhau chẳng hạn xử lý trong miền thời gian nhằm đạt được SNR sau kết hợp cực đại (kết hợp dựa trên MRC), cùng là một sự lựa chọn để triệt các nguồn nhiễu đặc thù (dựa trên IRC, MMSE)
Vậy, trong trường hợp tổng quát kênh chọn lọc tần số và nhiều anten thu, ta có thể áp dụng lọc/xử lý không gian thời gian hai chiều như trên hình 4.5 trong đó lọc tuyến tính được nhìn nhận như là tổng quát hóa của đánh trọng số anten trên hình 4.1. Các bộ lọc phải được lựa chọn kết hợp để giảm thiểu tổng ảnh hưởng của tạp âm, nhiễu và các phá hoại tín hiệu khác do chọn tọc tần số của kênh.
1
w
2
w
x
Hình 4.5. Xử lý tuyến tính không gian thời gian hai chiều (hai anten thu)
Một cách khác, đặc biệt là trong trường hợp chèn CP được áp dụng tại phía phát, có thể áp dụng xử lý tuyến tính tần số/không gian như trên hình 4.6. Các trọng số tần số không gian cần được chọn kết hợp để giảm thiểu tổng ảnh hưởng của tạp âm, nhiễu và phá hoại tín hiệu do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến.
Xử lý tần số/không gian trên hình 4.6 không dùng IDFT cũng có thể được áp dụng nếu phân tập thu được áp dụng cho truyền dẫn OFDM. Trong trường hợp truyền dẫn OFDM không có phá hoại tín
136 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
hiệu do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến. Vì thế các trọng số trên hình 4.6 được chọn với mục đích chỉ để giảm nhiễu và tạp âm. Về nguyên lý sơ đồ này giống như các sơ đồ kết hợp anten đã nói ở trên (MRC và IRC) được áp dụng cho từng sóng mang.
Lưu ý rằng mặc dù trên các sơ đồ hình 4.5 và hình 4.6 ta chỉ xét hai anten, nhưng có thể mở rộng cho các sơ đồ nhiều hơn hai anten.
* 1,0 w * 1,P-1 w * 2,0 w * 2,P-1 w ˆx
Hình 4.6. Xử lý tuyến tính không gian/tần số hai chiều (hai anten)