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

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Văn Quang Dũng

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KENH TRUYEN CUA HỆ THONGTHÔNG 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 như viễn thông làm cho đời sống con người thay đổi hoàn toàn cách giao tiếp với thé giới và giữa con người với nhau Với sự phổ biến của các thiết bi di động thông minh, nhu cầu về giao tiếp thông qua mạng viễn thông di động ngày càng lớn, 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 không ngừng nghiên cứu ra đời những hệ thống thông tin di động mới, từ 2G lên 3G rồi phát triển lên 4G, 5G, với thế hệ sau cho tốc độ cao hơn, đáp ứng nhiều nhu cau về chất lượng, nhiều loại hình dịch vụ hơn Một trong những công nghệ truyền thông được nhắc đến nhiều trong thời gian gần đây là hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten hay còn gọi là hệ thống thông tin MIMO cỡ rất 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 vực nghiên 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-ten hạn chế như trong công nghệ MIMO đã được ứng dụng Hệ thống này hỗ trợ đa người dùng và đầu cuối của mỗi người dùng chỉ cần sử dụng một ăng-ten Hệ thống 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 cầu với mỗi thiết bị đầu cuối người dùng sẽ có chỉ phí rẻ Vấn đề là cần phải làm thé nao dé có thé cụ thể hóa và đáp ứng yêu cầu trên, các tham số vật lý như thé nào, sử dụng tài nguyên tần số, đánh giá hiệu quả sử dụng ra sao Mô hình kênh 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 hình kênh 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 hệ thống 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 dụng rất 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 hệ thống thông tin MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten Phần này tập trung mô tả ngữ cảnh mô phỏng, đưa ra các kết quả mô phỏng bằng Matlab Từ đó, đưa ra những nhận xét, đánh giá về các tác động của tham số mô phỏng đến hiệu năng cũng 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 đề làm 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 là một tài liệu tham khảo tiếng Việt có giá trị cho những người bắt đầu tìm hiểu và nghiên 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

1.1.1 Giới thiệu chung về hệ thong thông tin MIMO sử dung rất nhiều

Kỹ thuật nhiều đầu vào — nhiều dau ra (MIMO) đã thu hút nhiều sự chú ý trong lĩnh vực thông tin vô tuyến hơn mười năm qua bởi nó có thé cung cấp sự gia tăng đáng kể thông lượng dữ liệu và liên kết tin cậy mà không cần thêm băng thông hoặc tăng công suất truyền Tuy nhiên số lượng ăng-ten sử dụng hiện tại còn ít Với tiêu chuẩn mới nhất hiện tại là LTE-Advanced cho phép trạm gốc có tối da 8 cổng ăng-ten ở trạm gốc và thiết bị đầu cuối có số lượng ăng-ten ít hơn Hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten hay còn gọi là MIMO cỡ rất lớn (massive MIMO), MIMO tất lớn (very large MIMO), siêu MIMO (hyper MIMO) được đưa ra lần đầu tiên vào năm 2010 Trong hệ thống MIMO cỡ rat lớn này, có hang trăm ăng-ten được sử dụng dé phục vụ đồng thời hàng chục UE Có nhiều cấu hình và kịch bản triển khai cho các mảng ăng-ten trong thực tế được sử dụng trong hệ thống MIMO cỡ rất lớn được đưa ra, như hình cầu, hình trụ, chữ nhật, phân tán Mỗi khối ăng-ten là nhỏ, tích cực và phù hợp cho đường kết nối quang hoặc điện.

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 sử dụng 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 ăng-ten, nó cũng gặp phải những thách thức không nhỏ để có thể triển khai trong thực tế [11]:

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-ten phát và ăng-ten thu Đặc tính của kênh vô tuyến thay đổi khi truyền từ ăng-ten phát đến 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 mô hình truyền dẫn giữa bên phát và bên thu Mô hình này được gọi là mô hình

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 hiện băng 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 toán này là rất khó khăn và nhiều khi các tham số không day đủ, việc xấp xỉ hóa được 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 hiệu năng của hệ thống, các tham số ảnh hưởng xét trong các điều kiện khi cố định các 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 cứu trong hệ thống thông tin MIMO [12] Một cách để phân biệt giữa các mô hình kênh 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 hình kênh biến đổi theo thời gian và mô hình kênh bat biến theo thời gian, Với các kênh biến đổi theo thời gian, cần thêm điều kiện cho mô hình do có thêm các đặc 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 vô tuyến 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 cácmặt go, trong đó giả thiệt rang bước sóng là rat nhỏ so với kích thước của vậtcản 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 phát đến 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 gộp trong 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 thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten, các ưu điểm thấy rõ của hệ thống về dung lượng, 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 mong muốn 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 phần cứng, thiết kế mạch.

Trong chương cũng đã đưa ra khái niệm về mô hình kênh và tính cần thiết của việc xây dựng mô hình kênh truyền trong việc tính toán thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến nói chung cũng như hệ thống thông tin vô tuyến MIMO nói riêng cũng như tìm hiểu và trình bày một số cách tiếp cận dé xây dựng mô hình kênh thường được sử dụng trong hệ thống thông tin MIMO bao gồm 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 năng của 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 lý thuyết 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 thong MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten, trở kháng hỗ cảm phải được đánh giá trong điều 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 kênh thực 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 hiệu năng của các hệ thống thông tin vô tuyến thực tế bao gồm đánh giá chính xác các thuộc tính kênh GBMS trong hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều ăng-ten được 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 cố định và mô hình kênh 2 chiều này là đủ chính xách để đánh giá hiệu năng Tuy nhiên, nếu hệ thống mảng ăng-ten có cấu trúc hình cầu, hình trụ và chữ nhật được đặt tại eNodeB thì mô hình kênh 3 chiều có xét đến cả góc ngắng và góc phương 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 mặt sóng hình cầu cũng được coi như các đặc trưng chính của kênh MIMO cỡ rất lớn thông qua các phép đo kênh [14] Các đặc trưng này hữu ích để giải tương quan 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 hình kênh 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 về mặt lý thuyết hơn là dựa trên các phép đo kiểm thực tế Bởi vậy, các mô hình 3 chiều hiện tại cần được cải thiện qua các phép đo thực tế và sau đó sẽ được sử dụng dé đánh giá kịch bản thực tế.

Các tham số chính của mô hình kênh 3 chiều bao gồm: pha-dinh che khuất (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-ten 2.2.1 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 trận kênh của đường xuống là chuyên vị liên hợp (biến đổi Hermitian) của ma trận kênh 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.