Hệ thống MIMO 1

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông Hệ thống MIMO

Chương 1

ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH

KÊNH TRUYỀN SÓNG MIMO

Tối ưu và thích ứng cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên (tăng dung lượng)của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER cũng như việc dung hòa các tham

số đối lập của hệ thống như đảm bảo tính công bằng giữa các người dùng với côngsuất hữu hạn, chất lượng dịch vụ, điều kiện kênh truyền Trong một phạm vi nhấtđịnh, thích ứng được hiểu là thay đổi các tham số đặc trưng của hệ thống theo kịchbản kênh truyền sao cho đạt được hiệu năng tốt nhất Chẳng hạn khi xét hệ thốngtrong miền không gian như hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênhtruyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh không gian, hay nóicách khác khi kịch bản kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng về việcchọn phân tập (nhận được ưu điểm của phân tập là cải thiện hiệu năng BER) ngượclại khi kịch bản kênh tốt hệ thống hướng về lựa chọn ghép kênh không gian (nhậnđược ưu điểm của ghép kênh không gian là cải thiện hiệu năng dung lượng), lấytrung bình hiệu năng dung lượng (hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần) ta nhận đượcdung lượng của hệ thống được tăng lên nhiều lần nhưng vẫn đảm bảo chất lượngBER Cách lập luận như vậy tương tự cho các hệ thống CDMA thích ứng, OFDM

thích ứng Tất cả các hệ thống này đều đạt được hiệu năng tốt nhất hay hiệu quả sửdụng tài nguyên tốt nhất cũng như khắc phụ nhược điểm vốn có của môi trườngtruyền thông Tuy nhiên ở đây ta mới chỉ nhìn nhận hệ thống ở góc độ từ kênh vật lý

mà chưa đề cập các kênh logic Vì vậy một cách sơ bộ có thể thấy rằng, một hệ thốngthông minh sẽ phải có tính thích ứng cao và giải thuật tối ưu, và cũng là xu hướng tấtyếu của các hệ thống truyền tin hiệu đại, ở đó sẽ khẳng định sự hội tụ các công nghệphần cứng cũng như phần mềm, hội tụ các tinh túy của các giải pháp kỹ thuật

Vấn đề then chốt có ý nghĩa quyết định lên tính khả tin của hệ thống truyền

thông thích ứng trong các miền (tài nguyên) được xét cho hệ thống là: (i) kênh truyền (mô phỏng kênh và thể hiện một cách chính xác nhất kịch bản kênh thực tế); (ii) thông tin trạng thái kênh CSI (ước tính và dự đoán kênh); (iii) các ngưỡng quyết định; (iv) tập các khối chức năng đặc trưng cho hệ thống cụ thể như: điều chế/giải

điều chế, mã hóa/giải mã, bộ lọc, cân bằng, khuyêhc đại, mã hóa kiểm sát lỗi chúngthuộc loại tất định

Chương này, ta tập trung vào việc mô hình hóa kênh truyền sóng nhằm lột tảhoạt động và ảnh hưởng của nó ở dạng các tham số đặc trưng Các tham số này sẽlàm đầu vào để xây dựng mô hình và giải thuật, làm cơ sở để thiết kế các hệ thốngthông minh cho các nghiên cứu của ta sau này

Như vậy, trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di động

có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng không những ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượngtruyền dẫn mà còn ảnh hưởng lên dung lượng hệ thống Trong các hệ thống vô tuyếnthông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kêdài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống Nhưng trong các

hệ thống thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng,cấn phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thông kê ngắn hạn thậm chí tứcthời của kênh

Các nhân tố cơ bản làm hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môitrường vô tuyến là:

 Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách, thường trong khoảng từ 50

đến 150 dB tùy theo khoảng cách

 Che chắn: Các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tin

hiệu

 Phađinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm

méo tín hiệu thu ở dạng trải rộng chúng theo thời gian Tùy vào băng thông của

hệ thống, yếu tố này dẫn đến làm thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ranhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference)

 Nhiễu: Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận gây nhiễu

cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung

Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" và

"phađinh phạm vi hẹp" Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất

trung bình thu tại các khoảng cách cho trước so với máy phát Đối với các khoảngcách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng Phađinhphạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đađường trong khoảng thời gian ngắn (hay trên cự ly di chuyển ngắn) Phađinh trongtrường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường Các kênh vô tuyến là các kênh cóbản tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bịche chắn nghiêm trọng tại các vị trí khác nhau Ở dạng tổng quát kênh là hàm của batham số: thời gian, không gian và tần số

Hình 1.1(a) kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị tríkhác nhau, đặc tính này được gọi là tính cách chọn lọc không gian (hay phân tậpkhông gian), phađinh tương ứng được gọi là phađinh chọn lọc không gian Hình 1.1(b) kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau, được gọi là tính cáchchọn lọc tần số (hay phân tập tần số), pha đinh tương ứng là phađinh chọn lọc tần số.Hình 1.1 (c) kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau, được gọi là

H×nh 1.1 TÝnh chÊt kªnh trong miÒn kh«ng gian, miÒn tÇn sè vµ miÒn thêi gian

tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian), tương ứng là phađinh chọn lọc thờigian Dựa trên các đặc tính trên, ta có thể phân loại phađinh kênh thành: phađinhchọn lọc không gian (phadinh phân tập không gian), phađinh chọn lọc tần số(phađinh phân tập tần số), phađinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ) Vì thế,dưới đây ta sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số.

Kênh vô tuyến của hệ thống thông tin không dây thường được trình bày bằngkhái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) và không trực xạ (NLOS:

None Line of Sight): (i) Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp và đường

truyền không bị che chắn từ máy phát đến máy thu Đường truyền LOS đòi hỏi hầuhết vùng Fresnel không có bất kỳ vật chắn nào, nếu không thì cường độ tín hiệu sẽ bịsuy giảm đáng kể Việc xác định khoảng hở cần thiết phụ thuộc vào tần số công tác

và cự ly giữa máy phát và máy thu; (ii) Trong đường truyền không trực xạ NLOS, tín

hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ Vì vậy, tín hiệu tại máy thu gồm

các thành phần từ: (1) đường truyền trực tiếp; (2) các đường phản xạ, tán xạ và nhiễu

xạ Các tín hiệu này có các trải trễ, suy hao, phân cực và độ ổn định khác nhau so vớitín hiệu của đường trực tiếp

Hiện tượng đa đường có thể dẫn đến thay đổi phân cực, vì thế sử dụng phâncực vuông góc cho tái sử dụng tần số như thường thấy trong các triển khai LOS cóthể nguy hiểm trong các điều kiện NLOS Để đảm bảo dịch vụ trong điều kiệnNLOS, hệ thống vô tuyến phải biết cách biến các yếu điểm của truyền sóng đa đườngthành lợi điểm Điều kiện phủ sóng LOS và NLOS đều phụ thuộc vào đặc tính củamôi trường, tổn hao đường truyền và quỹ đường truyền vô tuyến Triển khai hệ thốngkhông dây trong điều kiện NLOS có một số ưu điểm, như yêu cầu thiết kế ngặt ngèo,

và hạn chế về chiều cao anten không cho phép đặt nó để đạt điều kiện LOS Hơn nữa,khi triển khai mạng tổ ong diện rộng ta cần áp dụng tái sử dụng tần số, hạ thấp chiềucao anten để giảm nhiễu đồng kênh giữa các trạm gần nhau Khi này, BS thường phảilàm việc trong điều kiện NLOS Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao anten

vì có thể ảnh hưởng đến yêu cầu truyền trực tiếp giữa BS và SS NLOS cũng chophép giảm được việc cần thiết phải khảo sát điểm đặt trạm và tăng độ chính xác côngcông cụ quy hoạch

Công nghệ tiên tiến, các tính năng tăng cường trong các hệ thống không dâythế hệ mới như WiMax, HSPA cũng cho phép sử dụng nó cho thiết bị khách hàng

đặt trong nhà Trường hợp này cần phải giải quyết hai vấn đề: (1) khắc phục được suy hao thâm nhập tòa nhà; (2) phủ sóng cự ly xa khi công suất phát và độ lợi anten

thấp

Trên cơ sở các lập luận trên để có được các thông số đặc trưng, các tính chất

và phân loại kênh vô tuyến di động, thông tin trạng thái kênh CSI, chúng làm dữ liệuđầu vào cho việc xây dựng mô hình, giải thuật đặc biệt là giải thuật phân bổ tàinguyên thích ứng và lập lịch động cho các hệ thống vô tuyến, cùng với mục đích của

đề tài Chương này được tổ chức như sau: phần 1.2 Phân bố Rayleigh và Rice; phần

1.3 mô hình kênh phạm vi hẹp và phân loại phađinh phạm vi hẹp; phần 1.4 Mô hình

kênh truyền sóng MIMO; phần 1.5 kết luận

1.2 PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE

Phân bố Rayleigh và Rice là hai phân bố thường được sử dụng để mô tả môitrường truyền sóng NLOS, hoặc NLOS kết hợp LOS

trong đó: Ri là biên độ ngẫu nhiên của sóng thứ i, i là pha ngẫu nhiên phân bố đều

của sóng thứ i Tần số của sóng i được biểu diễn như sau:

M Qi i=1

(t) (t) = arctang

(1.13)trong đó  là biến ngẫu nhiên,  là giá trị của biến ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên (t)

Theo định lý giới hạn trung tâm, khi M đủ lớn, ta có thể coi a1(t) và a2(t) làcác quá trình ngẫu nhiên Gauss không tương quan có trung bình không và phương sai

2 2 2

u v 2 U,V

1

2

+ - s

nÕu kh¸c

2 2

ìï b

ï

b = s íï ïï ïî

(1.20)

Phân bố (1.20) được gọi là phân bố Rayleigh

Biểu diễn (1.8) ở dạng hàm phức sau đây:

x(t) = A cos2fct + a1(t).cos2fct - a2(t).sin2fct (1.23)trong đó A là biên độ của tín hiệu đi thẳng

Có thể viết lại (2.22) như sau:

x(t)=a'1(t)cos2fct-a2(t)sin2fct (1.24)trong đó

Từ (1.25) và nhận xét trong phân trước, có thể nói rằng : (1) a'1(t) là quá trìnhngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss có trung bình bằng A, phương sai 2; (2) a2(t) làquá trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss trung bình không, phương sai 2

(t) (t) = arctang

2 2 2

( u A) v 2 U,V

1

2

- + - s

A 2Arcos 2

2

b + - y -

trong đó ,  là biến và giá trị ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên (t); ,  là biến

và giá trị ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên (t); trong trường hợp này không thểbiểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp f (r, )x Y, y là tích của hàm mật độ xác suất f()

và f(), vì tích cos gồm hai biến  và  phụ thuộc nhau (do các giá trị kháckhông của A trong các thành phần này)

Để tìm hàm phân bố xác suất đường bao tín hiệu thu của biến  ta lấy tíchphân cho tất cả các giá trị có thể có của  để nhận được hàm mật độ xác suất biênnhư sau:

2

, 0

Nếu đặt x=A/s 2, thì (1.31) được viết lại như sau:

2 2 2

A 2 0

A

b + - s x

2

A 2

g=

s

Từ các kết quả trên cho thấy: Phân bố Rayleigh là trường hợp đặc biệt củaphân bố Rice, khi A=0 I0(0)=1 Thay I0(0)=1 vào (1.33) ta được phân bố Rayleightheo (1.20) Ngoài ra khi A=0, =0 ta được f() phân bố đều theo (1.13)

1.3 MÔ HÌNH KÊNH PHA ĐINH PHẠM VI HẸP

Việc xây dựng mô hình kênh là điều không thể thiếu khi nghiên cứu kênh vôtuyến Trong phần này ta sẽ xét mô hình kênh phạm vi hẹp trong miền thời gian vàmiền tần số

1.3.1 Đáp ứng xung kim kênh (CIR)

CIR (Channel Impulse Response) là tín hiệu đầu ra kênh khi đưa vào kênh làhàm delta (t) như trên hình 1.2

Kênh vô tuyến

b) Đáp ứng xung kim băng gốc

c j2 f t

h '(t, ) h(t, )et  t 

Hình 1.2 Đáp ứng xung kim kênh a) CIR băng thông, (b) CIR băng gốc

Trong đó t-t là thời điểm xuất hiện xung kim ở đầu vào kênh, t là thời điểmquan trắc được đáp ứng xung kim ở đầu ra kênh

1.3.2 Mô hình kênh vô tuyến di động đa đường

Để mô tả kênh vô tuyến di động đa đường ta sử dụng mô hình elip của Parsons

và Bajwa (hình 1.3) Tất cả các elip đều đồng tiêu cự, nghĩa là chúng có cùng các tiêuđiểm Tx và Rx, trùng với vị trí của máy phát (Tx) và máy thu (Rx) Vì elip là tập hợpcủa các điểm có tổng khoảng cách đến các tiêu điểm bằng nhau, vì vậy cho phép sửdụng chúng để mô hình hóa các đường truyền có cùng độ dài (hay cùng độ trễ truyềnsóng) Từ hình 1.3, cho thầy các đường truyền Tx-A-Rx và Tx-C-Rx có cùng độ dài,nhưng các góc tới tương ứng khác nhau, và vì thế các tần số Doppler tương ứng (dochuyển động của máy phát hoặc máy thu) cũng sẽ khác nhau Trái lại, đường truyềnTx-A-Rx và Tx-B-Rx có độ dài khác nhau, nhưng góc tới lại bằng nhau dẫn đến tần

số Doppler bằng nhau

Hình 1.3 Mô hình kênh vô tuyến đa đường theo mô hình các elip của Parsons và

Bajwa

Độ dài đường truyền của từng sóng sẽ xác định trễ truyền sóng và công suấttrung bình của sóng tại anten thu Mỗi sóng trong vùng tán xạ được đặc trưng bởihình elip thứ  chịu cùng một trễ truyền sóng

t t  t 0  , 0,1, , L 1 (1.35)

trong đó t là trễ truyền sóng của thành phần đi thẳng (LOS), t là trễ truyền sóng0

và L là số đường truyền khả phân giải có trễ truyền sóng khác nhau Để tiện, thườngđặt t =0 khi này t0  được gọi là trễ trội

1.3.3 Mô hình kênh vô tuyến di động phạm vi hẹp miền thời gian

1.3.3.1 Mô hình kênh vô tuyến di động băng hẹp miền thời gian

Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp vớiđáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động Nếu x(t) biểu diễn tín hiệu phát, y(t)biểu diễn tín hiệu thu và h(t,t) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đađường thay đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu là tích chập của tínhiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau:

trong đó t là biến thời gian, t là trễ đa đường của kênh tại một giá trị t cố định

Theo (1.21), ta có thể biểu diến hàm đáp ứng xung kim kênh băng gốc nhưsau:

1 (t, (t)) 2 (t, (t))

 t   t ; a  là biên độ tương đối của đường truyền  Trên cơ sở các phân tích trên, ta có thể lập mô hình kênh vô tuyến phađinh diđộng chọn lọc tần số bằng đường trễ đa nhánh như trên hình 1.5

Hình 1.6 mô tả đáp ứng xung kim theo phương trình (1.36).

Hình 1.6 Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian và lý lịch trễ đa đường

Lưu ý rằng trong môi trường thực tế, { (t,t)}, {(t,t)}, {tl(t)} thay đổi theothời gian Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng ), { (t,t)}, {t(t)} có thểcoi là ít thay đổi Tuy nhiên các pha {(t)} thay đổi ngẫu nhiên có phân bố đềutrong khoảng [cos2- ]

1.3.3.2 Các thông số kênh miền thời gian

Tất cả các thông số kênh được được định nghĩa từ lý lịch trễ công suất (PDP:Power Delay Profile) PDP được định nghĩa bằng |h(t,t)|2 Từ (1.36) PDP được xácđịnh như sau:

Các thông số kênh miền thời gian được liệt kê dưới đây:

1 Công suất thu (chuẩn hóa) là tổng công suất của các đường:





(1.39)

2 Thừa số Rice là tỷ số của công suất đường truyền vượt trội và công suất của

các tia tán xạ, được xác định như sau:

0

, ax

, ax

, p

4 Trải trễ trung bình quân phương (RDS:Root Mean Squared Delay Spread), t,

là môment bậc hai của PDP chuẩn hóa, được biểu diễn như sau:

5 Trễ trội cực đại (tại XdB) của lý lịch trễ công suất: được định nghĩa là trễ thời

gian mà ở đó năng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại

6 Thời gian nhất quán (coherence time) được xác định như sau:

C d

T f

Thời gian nhất quán xác định tính "tĩnh" của kênh Thời gian nhất quán là thời

gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh Ta ký hiệu thời gian nhất quán là TC.Các ký hiệu truyền qua kênh trong khoảng thời gian nhất quán chịu ảnh hưởngphađinh như nhau Vì thế ta nhận được một kênh phađinh khá chậm Các kýhiệu truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quán sẽ bị ảnh hưởng phađinhkhác nhau Khi này ta được một kênh phađinh khá nhanh Như vậy do ảnhhưởng của phađinh nhanh, một số phần của ký hiệu sẽ chịu tác động phađinhlớn hơn các phần khác Bằng cách ấn định giá trị cho một thông số nhất địnhcho hệ thống truyền dẫn, ta có thể nhận được kênh phađinh chậm thay vì kênhphađinh nhanh và nhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn

Rõ ràng rằng biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo nên mô hìnhkênh miền thời gian Ta có thể rút ra được quy luật phân bố sau đây cho biên,pha và mô hình lý lịch trễ công suất cho kênh:

 Các pha của các đường truyền độc lập tương hỗ nhau (không tương quan)

và có phân bố đều trong khoảng [cos2-, ]

 Nếu coi: (i) tất cả các đường truyền đều được tạo ra từ cùng một quá trình thống kê; (ii) quá trình tạo đường truyền này là quá trình dừng nghĩa rộng

so với biến t, thì biên độ của các đường truyền tán xạ (NLOS) sẽ tuân theophân bố Rayleigh (được xác định theo phương trình 2.20) và PDF biên độcủa tất cả các đường truyền (gồm cả LOS) sẽ tuân theo phân bố Rice (xácđịnh theo phương trình 1.33)

1.3.4 Mô hình kênh trong miền tần số

1.3.4.1 Phổ công suất trễ (DPS)

Sự thay đổi trễ t dẫn đến thay đổi tần số (ta ký hiệu tần số này là f') Hàmtruyền đạt tương ứng với trường hợp này được gọi là hàm truyền đạt theo thời gianhay phổ công suất trễ (DPS: Delay Power Spectrum) là biến đổi fourier lên đáp ứngxung kim kênh theo t Theo đó, DPS được xác định như sau: