Nghiên cứu mô hình kênh truyền của hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten

kế mô hình kênh cho MIMO cỡ rất lớn ra sao và đánh giá hiệu quả của mô hìnhkênh đến năng lực của hệ thống sao cho càng sát với thực tế càng tốt.Từ những động lực nói trên, theo định hướn

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Văn Quang Dũng

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KENH TRUYEN CUA HỆ THONG

THÔNG TIN MIMO SỬ DỤNG RÁT NHIÊU ĂNG-TEN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

HÀ NỘI - 2015

Người hướng dẫn khoa học: TS Trương Trung Kiên

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Văn Yêm

Phản biện 2: TS Hoàng Văn Võ

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: gid ngà A nam 2015

Co thê tìm hiéu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự bùng no phát triển của công nghệ thông tin cũng nhưviễn thông làm cho đời sống con người thay đổi hoàn toàn cách giao tiếp vớithé giới và giữa con người với nhau Với sự phổ biến của các thiết bi di độngthông minh, nhu cầu về giao tiếp thông qua mạng viễn thông di động ngày cànglớn, với yêu cầu dịch vụ ngày càng cao và đi kèm với nó là băng thông, tốc độ

dữ liệu cần thiết phải đủ lớn Trước những yêu cầu đó, các nhà phát triển khôngngừng nghiên cứu ra đời những hệ thống thông tin di động mới, từ 2G lên 3Grồi phát triển lên 4G, 5G, với thế hệ sau cho tốc độ cao hơn, đáp ứng nhiềunhu cau về chất lượng, nhiều loại hình dịch vụ hơn Một trong những công nghệtruyền thông được nhắc đến nhiều trong thời gian gần đây là hệ thống thông tinMIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten hay còn gọi là hệ thống thông tin MIMO cỡrất lớn (Massive MIMO) Công nghệ này được đề cử trong phiên bản 12 và sau

đó của bộ tiêu chuẩn 3GPP LTE/LTE-Advanced, dần trở thành một lĩnh vựcnghiên cứu quan trọng và là hướng nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm

của các nhà khoa học trên thê giới.

Hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten được định nghĩa là

hệ thống mà trạm gốc sẽ có hàng trăm ăng-ten thay vì chỉ có số lượng ăng-tenhạn chế như trong công nghệ MIMO đã được ứng dụng Hệ thống này hỗ trợ đangười dùng và đầu cuối của mỗi người dùng chỉ cần sử dụng một ăng-ten Hệthống này khi triển khai sẽ vừa phát huy tối ưu tốc độ truyền dữ liệu, bảo mật

dữ liệu, hiệu quả sử dụng phổ, hiệu quả sử dung năng lượng, đồng thời yêu cầuvới mỗi thiết bị đầu cuối người dùng sẽ có chỉ phí rẻ Vấn đề là cần phải làmthé nao dé có thé cụ thể hóa và đáp ứng yêu cầu trên, các tham số vật lý như thénào, sử dụng tài nguyên tần số, đánh giá hiệu quả sử dụng ra sao Mô hìnhkênh là một cách tiếp cận đầu tiên để giải quyết bài toán đó Tìm hiểu và thiết

kế mô hình kênh cho MIMO cỡ rất lớn ra sao và đánh giá hiệu quả của mô hìnhkênh đến năng lực của hệ thống sao cho càng sát với thực tế càng tốt.

Từ những động lực nói trên, theo định hướng của người hướng dẫn khoa

học, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu mô hình kênh truyền của hệthống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten” làm nội dung nghiên cứu

của luận văn cao học.

Luận văn được chia thành nội dung như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung Chương này đưa ra những khái quát chung

về hệ thông thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten và giới thiệu kiến thức

cơ bản về các mô hình kênh truyền trong hệ thống MIMO nói chung đã được

nghiên cứu.

Chương 2: Mô hình kênh trong hệ thống thông tin MIMO sử dụngrất nhiều ăng-ten Trong chương này, dựa vào các nghiên cứu có được một số

mô hình kênh truyền của hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten

đã được đề xuất, từ đó phân tích đánh giá lựa chọn ra mô hình kênh phù hợp

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá đặc tính kênh truyền trong hệthống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten Phần này tập trung mô tảngữ cảnh mô phỏng, đưa ra các kết quả mô phỏng bằng Matlab Từ đó, đưa ranhững nhận xét, đánh giá về các tác động của tham số mô phỏng đến hiệu năngcũng như đặc tính kênh truyền của hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten

Kết luận và khuyến nghị Trong phần này đưa ra những kết luận vấn đềlàm được trong luận văn và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Với những vấn đề làm được trong luận văn, học viên hy vọng đây sẽ làmột tài liệu tham khảo tiếng Việt có giá trị cho những người bắt đầu tìm hiểu vànghiên cứu về hệ thống thông tin MIMO cỡ rat lớn

Chuong1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều

1.1.2 Uu điểm của hệ thống thông tin MIMO sử dung rất nhiều ăng-ten

Công nghệ MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten dựa vào sự kết hợp pha

(phase-coherent) nhưng tính toán dựa trên quá trình xử lý tín hiệu đơn giản từ

tất cả các ăng-ten ở trạm gốc Các ưu điểm dễ nhận thấy của hệ thống MIMO sửdụng rất nhiều ang-ten là [1] [4]:

e Hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten có thé tăng dung lượng lên

gấp 10 lần và hơn thế, đồng thời cải thiện hiệu quả năng lượng bức xạ gấp

100 lần

e Hệ thống MIMO sử dung rất nhiều ten có thể xây dựng với các

ăng-ten thành phần có công suất thấp, giá thành rẻ

e MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten cho phép giảm độ trễ đáng ké trong giao

diện vô tuyến

e MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten đơn giản hóa lớp đa truy nhập

e MIMO sử dung rất nhiều ăng-ten tăng độ tin cậy đối với nhiễu không

mong muốn đo con người cũng như nhiễu gây hại (sử dụng bộ tạo nhiễu,

phá sóng).

1.1.3 Thách thức của hệ thong MIMO sử dung rất nhiều ăng-ten

Ngoài những ưu điểm rất lớn của hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ten, nó cũng gặp phải những thách thức không nhỏ để có thể triển khai trongthực tế [11]:

ăng-e_ Vấn dé sử dụng chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD) và song

công phân chia theo tần số (FDD);

e Nhiễu kênh hoa tiêu;

e Độ phức tạp trong tính toán lớn;

e Thực hiện phan cứng và thiết kế mạch với chi phí cao

1.2 Mô hình kênh và tính cần thiết phải có mô hình kênh

1.2.1 Khái niệm về mô hình kênh

Thuật ngữ kênh vô tuyến đề cập đến phương tiện truyền tải giữa ăng-tenphát và ăng-ten thu Đặc tính của kênh vô tuyến thay đổi khi truyền từ ăng-tenphát đến ăng-ten thu Các đặc tính này phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai ăng-ten, đường dẫn tín hiệu và môi trường xung quanh đường truyền dẫn Thông tin

về tín hiệu nhận được có thé suy ra được từ tín hiệu phát đi nếu ta có một môhình truyền dẫn giữa bên phát và bên thu Mô hình này được gọi là mô hình

kênh.

1.2.2 Tính cần thiết của mô hình kênh

Mô hình hóa kênh là việc đưa ra các tham số và đánh giá ảnh hưởng của

nó đối với kênh truyền trong toàn bộ quá trình truyền sóng vô tuyến — thực chất

là truyền sóng điện từ từ máy phát qua các môi trường và bị phản xạ, tán xạ,nhiễu xạ bởi tường, mưa, tòa nhà và các đối tượng khác trước khi đến máy thu.Theo lý thuyết, dé tính toán chi tiết của quá trình truyền sóng ta có thé thực hiệnbăng cách giải các phương trình Maxwell với các điều kiện biên mô tả đặc tính

vật lý của các đối tượng vật cản Điều này yêu cầu việc tính toán mặt cắt ra-đa

(RCS: Radar Cross Section) của các câu trúc lớn va phức tạp Do việc tính toánnày là rất khó khăn và nhiều khi các tham số không day đủ, việc xấp xỉ hóađược đưa ra để mô tả việc truyền sóng tín hiệu mà không cần dùng đến các

phương trình Maxwell [3 |.

Bằng cách sử dụng mô hình kênh, chúng ta có thể đánh giá được hiệunăng của hệ thống, các tham số ảnh hưởng xét trong các điều kiện khi cố địnhcác tham số khác cũng như tính tương quan lẫn nhau Một hệ quả có được từ

mô hình kênh là so sánh, đánh giá hiệu năng của các hệ thông với nhau, có vai

trò quan trọng trong việc định hướng, lựa chọn công nghệ, giải pháp của hệ

thống thông tin thế hệ sau

1.3 Một số cách tiếp cận để xây dựng được mô hình kênh được nghiên cứu trong hệ thống thông tin MIMO

Có rất nhiều cách tiếp cận để xây dựng mô hình kênh được nghiên cứutrong hệ thống thông tin MIMO [12] Một cách để phân biệt giữa các mô hìnhkênh là dựa vào loại kênh cần quan tâm ví dụ như mô hình kênh băng hẹp (pha-định phăng) với mô hình kênh băng rộng (pha-dinh lựa chon tần số), mô hìnhkênh biến đổi theo thời gian và mô hình kênh bat biến theo thời gian, Với cáckênh biến đổi theo thời gian, cần thêm điều kiện cho mô hình do có thêm cácđặc tính của hiệu ứng Doppler Để đáp ứng việc phân biệt được giữa các mô

hình nêu trên, người ta phân loại thành các mô hình vật lý và mô hình phân tích.

1.3.1 Mô hình vật lý

Mô hình kênh vật lý đưa ra đặc trưng của môi trường dựa trên cơ sở của

truyền sóng điện từ băng cách mô tả một đường truyền sóng đa đường 2 hướng

giữa vi trí mảng ăng-ten phát va vi trí mảng ăng-ten thu.

Các mô hình kênh MIMO vật lý cũng có thể được phân chia tiếp thành

các mô hình xác định (deterministic models), mô hình ngẫu nhiên hình học (geometry-based stochastic models) và mô hình ngẫu nhiên phi hình học (non-

geomatric stochastic models).

1.3.1.1 M6 hinh kénh xac dinh

Mô hình truyền sóng vật lý được gọi là “xác định” nếu chúng tái tạo được

quá trình truyền sóng vô tuyến vật lý thực tế cho một môi trường nhất định.Một trong các mô hình xác định được sử dụng nhiều nhất trong truyền sóng vôtuyến là mô hình dò tia (RT: Ray Tracing) Mô hình dò tia sử dụng lý thuyết về

quang hình học đê phản xạ và truyền sóng trên các mặt phăng và tán xạ trên các mặt go, trong đó giả thiệt rang bước sóng là rat nhỏ so với kích thước của vật cản trong môi trường.

1.3.1.2 Mô hình kênh ngẫu nhiên hình học

Mô hình ngẫu nhiên hình học được xác định bởi các vị trí mặt tán xạ.

Trong mô hình này thì các mặt tán xạ được lựa chọn một các ngẫu nhiên tuân

theo một phân bố xác suất nào đó, không như mô hình xác định là đã đoán định

được trước dựa trên cơ sở dữ liệu có được trước đó Đáp ứng xung của kênh

thực tế sau đó được tính theo quá trình do tia đơn giản ở trên

1.3.1.3 Mô hình kênh ngẫu nhiên phi hình học

Mô hình ngẫu nhiên phi hình hoc mô ta các đường truyền từ máy phátđến máy thu chỉ thông qua các tham số thống kê mà không cần tham chiếu đến

hình dạng của môi trường vật lý.

1.3.2 Mô hình phân tích

Mô hình kênh phân tích đặc tả đáp ứng xung (hàm truyền đạt) của kênh

giữa các ăng-ten phát và thu riêng theo toán học/ phân tích mà không quan tâm

một cách rõ ràng đến quá trình truyền sóng Đáp ứng xung độc lập được gộptrong một ma trận kênh MIMO Các mô hình phân tích có thê được chia thành

mô hình truyền sóng động (propagation-motivated model) và mô hình dựa trên

tương quan (correlation-based model).

1.3.3 Kết luận chương

Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu được tổng quan về hệ thốngMIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten, các ưu điểm thấy rõ của hệ thống về dunglượng, tiết kiệm năng lượng với các phần tử ăng-ten nhỏ công suất thấp, dễ

dàng thay thế riêng lẻ cũng như tăng độ tin cậy với các loại nhiễu không mongmuốn đồng thời cũng chỉ ra các thách thức của hệ thống khi đối mặt với vấn đề

về độ phức tạp trong tính toán, nhiễu kênh hoa tiêu hay khi thực hiện phầncứng, thiết kế mạch

Trong chương cũng đã đưa ra khái niệm về mô hình kênh và tính cần thiếtcủa việc xây dựng mô hình kênh truyền trong việc tính toán thiết kế một hệthống thông tin vô tuyến nói chung cũng như hệ thống thông tin vô tuyếnMIMO nói riêng cũng như tìm hiểu và trình bày một số cách tiếp cận dé xâydựng mô hình kênh thường được sử dụng trong hệ thống thông tin MIMO baogồm 2 hướng chính là mô hình vật lý và mô hình phân tích

Chương2 | MÔ HÌNH KÊNH TRONG HE THONG THONG

TIN MIMO SU DUNG RAT NHIEU ANG-TEN

2.1 Phan loại các mô hình kênh truyền trong hệ thong thông tin

MIMO sử dụng rat nhiều ăng-ten

Có 2 loại mô hình kênh: mô hình ngẫu nhiên tương quan (CBSM) và mô

hình ngẫu nhiên hình học (GBSM) được sử dụng rộng rãi để đánh giá hiệu năngcủa hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten

2.1.1 Mô hình ngẫu nhiên tương quan (CBSM)

Mô hình ngẫu nhiên tương quan được sử dụng chủ yếu như mô hình lýthuyết để đánh giá hiệu năng của hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten.CBSM có thé phân chia tiếp thành 3 loại kênh: mô hình kênh pha-dinh

Rayleigh, mô hình kênh tương quan và mô hình kênh hỗ cảm:

- M6 hình kênh pha-dinh ¡.i.d Rayleigh: được chấp nhận rộng rãi để phân

tích lý thuyết hệ thống MIMO cỡ rất lớn khi nó giả thiết răng, không có

tương quan và hỗ cảm giữa các ăng-ten phát và ăng-ten thu.

- Mô hình kênh tương quan: dé phản ánh sự tương quan của ăng-ten do

không gian ăng-ten hẹp và môi trường tán xạ, mô hình kênh tương quan

được thiết lập để đánh giá hiệu năng của hệ thống MIMO cỡ rất lớn

Mô hình kênh hỗ cảm: do số lượng ăng-ten tăng lên rất lớn trong hệ thongMIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten, trở kháng hỗ cảm phải được đánh giá trongđiều kiện không gian bị giới hạn của mảng ăng-ten Hơn thế nữa, trở kháng tải

và trở kháng ăng-ten cũng cần được đặc trưng hóa để phản ánh mô hình kênhthực tế

2.1.2 Mô hình ngẫu nhiên hình hoc (GBSM)

Mô hình ngẫu nhiên hình học chủ yếu được sử dụng dé đánh giá hiệunăng của các hệ thống thông tin vô tuyến thực tế bao gồm đánh giá chính xáccác thuộc tính kênh GBMS trong hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-tenđược phân làm 2 loại là mô hình kênh 2 chiều (2D) và mô hình kênh 3 chiều(3D) Khi các mảng ăng-ten là tuyến tính được đặt tại eNodeB, góc ngang là cốđịnh và mô hình kênh 2 chiều này là đủ chính xách để đánh giá hiệu năng Tuynhiên, nếu hệ thống mảng ăng-ten có cấu trúc hình cầu, hình trụ và chữ nhậtđược đặt tại eNodeB thì mô hình kênh 3 chiều có xét đến cả góc ngắng và gócphương vi được sử dụng dé đánh giá hiệu năng hệ thống

2.1.2.1 Mô hình kênh 2 chiều

Khi triển khai mảng ăng-ten tuyến tính, các quá trình không dừng và mặtsóng hình cầu cũng được coi như các đặc trưng chính của kênh MIMO cỡ rấtlớn thông qua các phép đo kênh [14] Các đặc trưng này hữu ích để giải tươngquan của kênh đối với các loại UE khác nhau, qua đó cung cấp kênh dễ dàng.Tuy nhiên, các đặc trưng này cũng làm tăng độ phức tạp khi thiết lập mô hình

kênh cho hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten Chính vì vậy, mô hìnhkênh thực tế bao gồm các đặc trưng trên vẫn đang được nghiên cứu

2.1.2.2 Mô hình kênh 3 chiều

Mô hình kênh 3 chiều được nghiên cứu trong vài năm gần đây, như trong[8, 10, 17] Tuy nhiên, hầu hết các mô hình này chủ yếu dựa trên khảo sát vềmặt lý thuyết hơn là dựa trên các phép đo kiểm thực tế Bởi vậy, các mô hình 3chiều hiện tại cần được cải thiện qua các phép đo thực tế và sau đó sẽ được sửdụng dé đánh giá kịch bản thực tế

Các tham số chính của mô hình kênh 3 chiều bao gồm: pha-dinh chekhuất (SF), trễ trai (DS), hệ số K, góc phương vị hướng đến (AoA), góc phương

vị hướng đi (AoD), góc ngắng hướng đến (EoA), góc ngắng hướng đi (EoD)

2.2 Mô hình toán học và các giả thuyết đi kèm của một số mô hình

kênh trong hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten2.2.1 Mô hình kênh pha-dinh i.i.d Rayleigh

Xét một mô hình MIMO cỡ rất lớn don cell, hoạt động ở chế độ Song

công phân chia theo thời gian TDD [2] Trong mô hình này, tác giả đơn giản

hóa các yếu tô về mặt hình học của mang ăng-ten dé khảo sát Do đó ma trậnkênh của đường xuống là chuyên vị liên hợp (biến đổi Hermitian) của ma trậnkênh đường lên Thời gian yêu cầu dé truyền hoa tiêu đường lên là độc lập với

số lượng ăng-ten, trong khi thời gian yêu cầu dé truyền hoa tiêu đường xuống tỷ

lệ với sô lượng ăng-ten.

Với mỗi dau cudi ta có kênh truyên g, = /,h, trong đó:

h là ma trận cột mô tả pha-dinh phạm vi hẹp giữa đầu cuối thứ k và M

ăng-ten ở trạm gốc, được chuẩn hóa sao cho E| yu [| =1, trung bình không.

Ø, là hệ sô pha-dinh phạm vi rộng giữa dau cuôi và mang ăng-ten.

Tổng hợp, kênh truyền đường lên từ K đầu cuối đến M ăng-ten trạm gốc

sẽ là ma trận Mx K được biéu diễn theo

hệ số pha-dinh phạm vi hẹp điển hình có độ dài là 1

Với MIMO cỡ rat lớn, sô lượng ăng-ten lớn hon rat nhiêu so với sô dau cuôi, ký hiệu “*” biêu diễn chuyên vi liên hợp phức của ma trận, ta có:

có hình lục giác với bán kính (từ tâm đến đỉnh) là r, Trong mỗi cell, K đầu cuốiđược đặt ngẫu nhiên, phân bố đều trên cell, với vùng loại trừ ở tâm cell có bánkính là r, Tại tâm của cell là một mang trạm gốc gồm M ăng-ten đăng hướng

Do tính thuận nghịch của chế độ TDD, đường truyền ở đường lên và đường

xuông có thê coi là chuyên vi liên hợp của nhau.