Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Ứng dụng kỹ thuật beamforming để giảm can nhiễu và giảm xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA

TÓM TẮT Luận văn này sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng beamforming để làm giảm can nhiễu và giảm xác suất nghẽn của cell có nhiều búp sóng trong hệ thống thông tin di động dựa trên CDMA hay

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các cơ sở để tính các trọng số trong Beamforming

Các búp sóng của anten thông minh đƣợc điều khiển nhờ các thuật toán theo một tiêu chuẩn nào đó Các tiêu chuẩn này có thể là cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (SIR), cực tiểu phương sai, cực tiểu trung bình bình phương của sai số (MMSE), lái về hướng tín hiệu cần quan tâm, triệt các tín hiệu can nhiễu, hoặc hiệu chỉnh nguồn phát di động,….Nhờ các tiêu chuẩn này, chúng ta có thể tính toán đƣợc vector trọng số để từ đó tạo ra các mẫu búp sóng [3]

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 8 2.1.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (MaxSINR):

Chúng ta thấy rằng nếu triệt tiêu tất cả các can nhiễu bằng cách đƣa về giá trị không ở tất cả các góc đến của chúng thì ta sẽ tự động cực đại SIR

Xem xét tín hiệu mong muốn đến từ góc θ 0 và N can nhiễu đến từ các góc θ 1 , …, θ N Tín hiệu và các can nhiễu thu đƣợc bởi dãy M anten đƣợc điều khiển bởi M trọng số Mỗi tín hiệu thu đƣợc ở thành phần m bao gồm cả nhiễu Gauss cộng

Thời gian đƣợc thể hiện bằng mẫu thời gian thứ k

Hình 2.1 Các tín hiệu băng hẹp tới dãy anten Tín hiệu ra y đƣợc tính nhƣ sau:

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 9

1 2 M ] T : dãy các trọng số s ( ) x k : vector tín hiệu mong muốn i ( ) x k : vector các tín hiệu can nhiễu

( ) n k : nhiễu Gauss có trị trung bình bằng 0 trên mỗi kênh a i : vector lái của dãy M thành phần theo hướng đến i Từ (2.2) ta viết lại (2.1):

Với: u k ( ) x k i ( ) n k ( ): tín hiệu không mong muốn

Giả sử tất cả các tín hiệu đến là băng hẹp và tổng số các tín hiệu đến N + 1 ≤ M

Rõ ràng, khi các nguồn phát di chuyển, ma trận của các vector lái sẽ thay đổi theo thời gian và các góc đến tương ứng cũng thay đổi

Chúng ta có thể tính toán các ma trận tương quan cho cả tín hiệu mong muốn (R ss ) và các tín hiệu không mong muốn (R uu ) Công suất ra của tín hiệu đƣợc cho:

Với: R ss E x x s s H : ma trận tương quan của tín hiệu

Công suất ra của tín hiệu không mong muốn:

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 10 R ii : ma trận tương quan của các can nhiễu

R nn : ma trận tương quan của nhiễu

SIR đƣợc xác định là tỷ số của công suất tín hiệu mong muốn chia cho công suất tín hiệu không mong muốn:

Trong (2.7), SIR có thể đạt giá trị cực đại bằng cách lấy đạo hàm theo và cho kết quả bằng 0 Từ đó, ta có quan hệ sau: s IR . s uu

Phương trình (2.9) là một phương trình vector riêng với SIR là các giá trị riêng Giá trị cực đại của SIR (SIR max ) bằng trị riêng lớn nhất max cho ma trận Hermitian

R R Vector riêng kết hợp với trị riêng lớn nhất là vector trọng số tối ƣu opt Vì vậy:

Ma trận tương quan R s s được xác định: R s s E s 2 a a 0 0 H , nên ta có thể tính vector trọng số theo các số hạng của lời giải Wiener tối ƣu

Mặc dù (2.11) đưa ra vector trọng số dưới dạng lời giải Wiener tối ưu, nhưng vector trọng số ở đây là biết trước như là vector riêng xác định trong (2.10)

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 11 2.1.2 Trung bình của bình phương sai số nhỏ nhất (Minimum Mean-Square

Một phương pháp khác để tối ưu hóa các trọng số của dãy anten được thực hiện bằng cách cực tiểu hóa trung bình của bình phương sai số (MSE)

Hình 2.2 Hệ thống thích nghi MSE Tín hiệu d(k) là tín hiệu tham chiếu Tốt nhất là tín hiệu tham chiếu có thể đồng nhất với tín hiệu mong muốn s(k) hoặc nó có tương quan cao với s(k) và không tương quan với các tín hiệu can nhiễu i n (k) Nếu s(k) mà không khác biệt một cách rõ rệt với các tín hiệu can nhiễu thì phương pháp trung bình của bình phương sai số cực tiểu sẽ không là phương pháp hiệu quả Tín hiệu (k) là tín hiệu sai khác được xác định:

Nó có thể biểu diễn MSE nhƣ sau:

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 12 Để đơn giản, ta bỏ sự phụ thuộc thời gian với ký hiệu k Lấy kỳ vọng cả 2 vế và đơn giản chúng ta đƣợc:

E E d r R (2.15) ở đây, các tương quan được xác định như sau:

Phương trình (2.15) mô tả một hàm bậc 2 của vector trọng số, còn được gọi là mặt thực thi hoặc hàm chi phí Hàm này tạo nên một mặt bậc 2 trong không gian M chiều Vì các trọng số tối ưu sẽ giảm thiểu lỗi bình phương trung bình (MSE), do đó cực trị của hàm này sẽ là cực tiểu.

Tổng quát, cho một số tùy ý các trọng số, ta có thể tìm giá trị cực tiểu bằng cách lấy gradient của MSE theo các vector trọng số và cho nó bằng 0 Vì vậy, phương trình Wiener – Hopf đƣợc cho nhƣ sau:

Vì vậy, lời giải Wiener tối ƣu đƣợc cho nhƣ sau:

Nếu ta cho tín hiệu tham chiếu d bằng tín hiệu mong muốn s, và nếu s là không tương quan với tất cả các tín hiệu can nhiễu, thì từ các phương trình (2.2) và (2.16) ta có thể xác định tương quan r như sau:

Vì vậy các trọng số tối ƣu đƣợc xác định nhƣ sau:

2.1.3 Đáp ứng phi nhiễu phương sai cực tiểu (Minimum Variance Distortionless

Mục đích của phương pháp MVDR là cực tiểu hoá phương sai của nhiễu ở đầu ra dãy anten Giả sử tín hiệu mong muốn và các tín hiệu không mong muốn có trị trung bình bằng 0

Hình 2.3 Cho dãy các anten Tín hiệu ra của dãy đƣợc xác định:

H H H y x a s u (2.24) Để đảm bảo đáp ứng là phi nhiễu, ta có ràng buộc:

Sử dụng ràng buộc vào (2.24), tín hiệu ra của dãy:

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 14 y s H u (2.26)

Hơn nữa, nếu tín hiệu không mong muốn có trị trung bình bằng 0 thì giá trị kỳ vọng của tín hiệu ra dãy anten sẽ đƣợc xác định:

Ta có thể tính phương sai của y như sau:

MV E x E s u R uu (2.28) ở đây: R uu R ii R nn

Để tối thiểu hóa phương sai, ta áp dụng phương pháp Lagrange Do các trọng số trong dãy phụ thuộc lẫn nhau, ta kết hợp ràng buộc (2.25) để thiết lập hàm chi phí dưới dạng tổ hợp tuyến tính của phương sai và ràng buộc: ```J = Var(Y) + λ(Σw_i - 1)```

J a a (2.29) ở đây, là nhân tử Lagrange và J( ) là hàm chi phí

Hàm chi phí là một hàm bậc 2 và có thể đƣợc cực tiểu hóa bằng cách xét giá trị gradient bằng 0 Vì vây:

MV R a uu (2.31) Để tìm nhân tử Lagrange ( ), ta thay (2.25) vào (2.31) Vì vậy:

Thay (2.32) vào (2.31), ta được các trọng số tối ưu phương sai cực tiểu:

Các phương pháp giảm xác suất nghẽn trong cell

Trong hệ thống CDMA kết hợp anten mảng, kỹ thuật chuyển búp sóng (SBF) giúp giảm nhiễu bằng cách kết hợp lợi thế của trải phổ và lọc không gian Hệ thống CDMA đa búp sóng sử dụng mảng anten để quản lý tải lưu lượng không đồng đều, với ưu tiên giải quyết nghẽn ở vùng tải cao (hot-spot) Ở hướng lên, mỗi búp sóng có độ rộng nửa công suất không chồng lấn trong cell có M búp sóng Luồng thuê bao theo mô hình Poisson độc lập trong mỗi cell, và công suất thu được tại trạm gốc được kiểm soát hoàn hảo.

Hình 2.4 Mẫu búp sóng của anten Ký hiệu 1 , 2 , , M là tập hợp các hướng của các búp sóng trong cell

Mẫu búp sóng của anten có độ rộng búp sóng chính là và mức suy hao của búp sóng phụ (sidelobe) là D nhƣ hình 2.4 Số búp sóng trong một cell đƣợc xác định :

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 16 M 2 Diện tích của mỗi búp sóng có góc sector là: r 2

M , r là bán kính của cell tròn

Trong cell, chúng ta giả sử mỗi thuê bao theo mô hình lưu lượng Poisson độc lập với tốc độ đến của cuộc gọi (call arrival rate) là và thời gian duy trì cuộc gọi trung bình là 1/ Tải lưu lượng của cell là Erlang Mật độ lưu lượng của mỗi búp sóng:

2 beam beam r (2.34) ở đây, beam là tốc độ đến của cuộc gọi trong mỗi búp sóng có độ rộng búp sóng

Tải lưu lượng của mỗi búp sóng được tính như sau:

Giả sử các thuê bao hoạt động trên mỗi búp sóng của cell là có phân bố đồng nhất, xác suất mà số người dùng trong mỗi búp sóng có độ rộng bằng k, được tính: a a a

Sử dụng điều khiển nhận cuộc gọi (call admission control – CAC), một thuê bao đƣợc hệ thống chấp nhận chỉ nếu hệ thống có thể đạt đƣợc tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR) theo yêu cầu, req Điều kiện để hệ thống chấp nhận cuộc gọi đƣợc tính:

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SINR) được xác định bởi công thức: SINR = (P x s / (2 x N x I + N x P)) Trong đó, s là hệ số khuếch đại phổ, N là số lượng người dùng trong nhóm sóng chính của người dùng mới, N là số lượng người dùng hoạt động bên ngoài nhóm sóng chính, (2 x N x I) là công suất nhiễu từ các cell khác cộng với nhiễu nền, P là công suất chuẩn hóa của mỗi người dùng liên quan đến giá trị điều khiển công suất hoàn hảo cho mỗi người dùng (P (P s)).

Chúng ta xem xét trong cell có một búp sóng có tải lưu lượng cao (hot-beam), là búp sóng có tải lưu lượng cao hơn (M-1) búp sóng còn lại trong cell Không mất tổng quát, giả sử búp sóng đầu tiên là búp sóng có tải lưu lượng cao Lúc này, tốc độ đến của cuộc gọi của cell gồm M búp sóng đƣợc tính nhƣ sau:

( M 1) L H , H L (2.38) ở đây, H là tốc độ đến của cuộc gọi ở búp sóng có tải lưu lượng cao và L là tốc độ đến của cuộc gọi ở mỗi búp sóng còn lại Vì thời gian duy trì cuộc gọi trung bình, 1/ , là hằng số trên toàn bộ cell nên tỷ số tải lưu lượng được xác định:

Từ (1.39), ta có thể viết lại cho (1.38) nhƣ sau:

Theo [1], các tác giả đã đưa ra hai phương pháp để làm giảm xác suất nghẽn trong búp sóng có tải lưu lượng cao là giảm nhỏ độ rộng của búp sóng chính và ấn định lại búp sóng (xoay các búp chính đi một góc bằng nửa độ rộng búp chính) [1]

2.2.1 Giảm độ rộng búp sóng chính

Ta thấy rằng, xác suất nghẽn của búp sóng có tải lưu lượng cao giảm khi độ rộng búp sóng chính giảm Với việc làm giảm độ rộng búp sóng, chúng ta có thể làm giảm xác suất nghẽn của búp sóng có tải lưu lượng cao đảm bảo dưới cấp độ dịch vụ (grade-of-service – GoS) của hệ thống (1%)

Chúng ta có thể tính xác suất nghẽn của hệ thống với sự hiện diện của búp sóng có tải lưu lượng cao Từ (2.37), chúng ta có thể tính xác suất có thể nhận cuộc gọi, là xác suất mà một thuê bao mới sẽ đƣợc CAC chấp nhận:

P Để giải (2.41), chúng ta sử dụng lý thuyết xác suất tổng bởi vì các sector và là tách biệt nhau Chúng ta có thể viết lại (2.41): ax

P N k P N l (2.42) ở đây, N m ax s C 0 là số thuê bao tối đa đƣợc chấp nhận bên trong sector bằng cách chọn N 0, và N m ax D s C 0 N là số thuê bao tối đa đƣợc chấp nhận bên ngoài sector mà nó là hàm theo N Đối với búp sóng có tải lưu lượng cao, xác suất chấp nhận cuộc gọi được tính như sau: ax ax ( )

P P N k P N l (2.43) ở đây, H H và L L là tải lưu lượng tương ứng trên búp sóng có tải lưu lƣợng cao và trên mỗi búp sóng còn lại (búp sóng có tải thấp) Đối với búp sóng có tải thấp, xác suất chấp nhận cuộc gọi đƣợc tính:

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 19 ax ax ( )

Xác suất nghẽn, P b , đƣợc tính: P b = 1 – P a Vì vậy, xác suất nghẽn tổng của cell là:

P M M (2.45) ở đây, P b H và P b L tương ứng là xác suất nghẽn của búp sóng có tải lưu lượng cao và mỗi búp sóng tải thấp còn lại

2.2.2 Ấn định lại búp sóng chính

Nhờ việc ứng dụng khả năng của dãy anten, chúng ta có thể thực hiện ấn định lại tập các hướng của các búp sóng trong cell bằng cách quay hướng của mỗi búp sóng một góc Vì vậy, chúng ta có thể thay đổi về hình học việc phân bố tải lưu lượng trên cell

Sau khi ấn định lại búp sóng, ta ký hiệu cho M búp sóng đƣợc ấn định lại là 1’, 2’, …, M’ Tập các hướng của búp sóng sau khi ấn định lại là

Khảo sát sự phụ thuộc của mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp sóng chính vào số lƣợng anten

Chúng ta khảo sát sự phụ thuộc của độ rộng búp sóng chính α và mức suy hao của búp sóng phụ D vào số lƣợng anten Thực hiện kỹ thuật Beamforming với số lượng anten khác nhau sắp xếp theo một vòng tròn có bán kính bằng 1,98 lần bước sóng (R = 1,98λ), phương sai của nhiễu tạp âm n 2 0, 001 theo 3 tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR

Hình 3.1 Mức suy hao của búp sóng phụ theo số lƣợng anten Ta thấy rằng, cả 3 thuật toán đều cho mức suy hao của búp sóng phụ theo số lƣợng anten là nhƣ nhau Khi số lƣợng anten tăng trong khoảng 10 đến 20 thì mức suy hao thu đƣợc tăng nhanh theo số lƣợng anten, đặc biệt là trong khoảng 16 đến 20 anten

Hình 3.2 Độ rộng của búp sóng chính theo số lƣợng anten Ở đây, cả 3 thuật toán đều cho độ rộng của búp sóng chính theo số lƣợng anten là nhƣ nhau Khi số lƣợng anten là 10 thì độ rộng búp sóng chính rất lớn (do nó tồn tại các búp sóng phụ có mức suy hao nhỏ hơn 2 (3dB) nằm trải rộng ra ở cả hai phía của búp sóng chính, xem hình 3.3) Khi số lƣợng anten tăng trong khoảng 10 đến 15 thì độ rộng của búp sóng chính là khá nhỏ Với 16 anten thì độ rộng búp sóng chính là lớn nhất trong khoảng này (lên tới 45 0 ) Nhƣng trong khoảng số lƣợng anten từ 17 đến 20, ta thấy độ rộng búp sóng chính nằm trong khoảng từ 32 0 đến 41 0 , tức là cell có từ 9 đến 11 búp sóng chính

Hình 3.3 Mẫu búp sóng khi sử dụng 10 anten – UCA(10) Ta thấy, với số lƣợng anten từ 11 đến 15 tuy tạo ra đƣợc búp sóng chính khá hẹp (trong khoảng từ 17 0 đến 25 0 ) nhƣng mức suy hao của búp sóng phụ lại khá nhỏ nên vẫn không đảm bảo đƣợc xác suất nghẽn hợp lý Vì vậy, khi tiến hành mô phỏng ta sẽ thực hiện kỹ thuật Beamforming với 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR cho số lƣợng anten thay đổi trong khoảng từ 16 đến 20 anten.

Khảo sát sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp sóng chính

Mô phỏng tạo mẫu búp sóng sẽ được tiến hành với số lượng anten từ 16 đến 20 trong chương III Đáng chú ý, đối với số lượng anten là 17 và 19, ngoài cấu hình UCA (sắp xếp anten trên một vòng tròn), nhóm nghiên cứu còn xem xét các cấu hình khác khi sắp xếp anten, bao gồm các vòng tròn khác nhau, có hoặc không có anten tại tâm vòng tròn.

Với 17 anten, chúng ta tạo ra đƣợc các mẫu búp sóng có mức suy hao của búp sóng phụ trong khoảng từ 3,4831 (5,42dB) đến 6,3776 (8,0465dB) với số lƣợng búp sóng chính trong một cell từ 7 đến 22 búp sóng Chúng ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc của xác suất nghẽn của cell vào mức suy hao búp sóng phụ cho cùng một tải lưu lượng của cell là 26 Erlang với các trường hợp độ rộng búp sóng chính bằng 36 0 , 40 0 và 45 0 (tương ứng với số lượng búp sóng chính M = 10; 9 và 8 búp sóng chính)

Trong khi khảo sát 19 anten, chúng ta tạo ra đƣợc các mẫu búp sóng có mức suy hao của búp sóng phụ trong khoảng từ 5,4289 (7,3471dB) đến 13,3511 (11,2552dB) với số lƣợng búp sóng chính trong một cell từ 9 đến 17 búp sóng Chúng ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc của xác suất nghẽn của cell vào mức suy hao búp sóng phụ cho cùng một tải lưu lượng của cell là 36 Erlang với các trường hợp độ rộng búp sóng chính bằng 22,5 0 , 32,73 0 và 40 0 (tương ứng với M = 16, 11 và 9 búp sóng chính)

Chúng ta đánh giá xác suất nghẽn với việc sử dụng các tham số theo bảng 3.1 nhƣ sau:

Bảng 3.1 Các tham số sử dụng để đánh giá xác suất nghẽn của cell

Tham số Giá trị Mô tả req 7 dB SINR theo yêu cầu

P 1 W Giá trị công suất chuẩn hóa

N I 0,1 W Công suất của nhiễu và can nhiễu s 128 Độ lợi trải phổ

1/ 2 Thời gian duy trì cuộc gọi trung bình ζ 2 Tỷ số tải lưu lượng

2 n 0,001 Phương sai của nhiễu tạp âm (noise)

Bảng 3.1 cũng được sử dụng để đánh giá xác suất nghẽn trong chương mô phỏng của luận văn này Ngoài ra, cũng trong luận văn này, chúng ta xem xét búp sóng có tải lưu lượng thấp là búp sóng có tải lưu lượng bằng 0,8 lần tải lưu lượng đầy của búp sóng (full load traffic beam)

Hình 3.4 biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất nghẽn của cell theo sự biến đổi của mức suy hao búp sóng phụ với các giá trị M tương ứng Chúng ta thấy rằng, để đạt cùng một tải lưu lượng là 26 Erlang và đạt xác suất nghẽn 1% , khi số lượng búp sóng chính tăng thì mức suy hao búp sóng phụ yêu cầu càng nhỏ Cụ thể, với số lƣợng búp sóng chính M = 8, để xác suất nghẽn là 1% ta cần mức suy hao búp sóng phụ D = 5,7, còn với số lƣợng búp sóng chính M = 9 thì D = 4,7, trong khi số lƣợng búp sóng chính M = 10 thì yêu cầu chỉ là D = 4,15

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ cho trường hợp 17 anten

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ cho trường hợp 19 anten

Hình 3.5 biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất nghẽn của cell theo sự biến đổi của mức suy hao búp sóng phụ với các số lượng búp sóng chính M tương ứng là 9, 11 và 16 Chúng ta thấy rằng, để đạt cùng một tải lưu lượng là 36 Erlang và đạt xác suất nghẽn 1% , khi số lƣợng búp sóng chính tăng thì mức suy hao búp sóng phụ yêu cầu càng nhỏ Cụ thể, với số lƣợng búp sóng chính M = 9, để xác suất nghẽn là 1% ta cần mức suy hao búp sóng phụ D = 13,6, còn với số lƣợng búp sóng chính M

= 11 thì D = 7,5, trong khi số lƣợng búp sóng chính M = 16 thì yêu cầu chỉ là D 4,9

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Thực hiện với 16 anten

16 anten đƣợc sắp xếp trên một vòng tròn có bán kính R = 1,98λ nhƣ hình 4.1

Hình 4.1 Sắp xếp 16 anten trên một vòng tròn (UCA) r 3 r 2 r 1 R

Thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau:

Hình 4.2 Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(16) Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với cả 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR đều cho độ rộng búp sóng chính 45,0918 0 và suy hao của búp sóng phụ là 3,4223

Như vậy, với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 8 búp sóng chính

Chúng ta thực hiện quay búp sóng theo chiều kim đồng hồ một góc bằng một nửa độ rộng của búp sóng chính, ở đây là 22,5 0 Ta đƣợc kết quả nhƣ hình 4.3

MaxSINR MMSE MVDR MaxSINR after rotation MMSE after rotation MVDR after rotation

Hình 4.3 Mẫu búp sóng sử dụng UCA (16) sau khi quay góc 22,5 0 Trong hình 4.4 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 8 búp sóng trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao (có tải lưu lượng gấp đôi tải lưu lượng của búp sóng có tải thấp) Xác suất nghẽn trong trường hợp ấn định lại búp sóng có cải thiện hơn so với trường hợp không ấn định lại búp sóng Cụ thể, với xác suất nghẽn 1%, chúng ta có thể tăng tải lưu lượng từ 20,8 Erlang/cell lên 21,8 Erlang/cell nhờ việc quay hướng của mỗi búp sóng đi một góc 22,5 0

BP before beam rotation BP after beam rotation

Hình 4.4 Xác suất nghẽn theo tải lưu lượng với độ rộng búp sóng chính α = 45 0 , tỉ số tải lưu lượng ζ = 2

Hình 4.5 Thực hiện tạo búp sóng cho toàn bộ cell với UCA(16)

Khi sử dụng UCA(16) theo các điều kiện nhƣ trên, chúng ta sẽ tạo đƣợc búp sóng chính có độ rông là 45,0918 0 Nhƣ vậy, với 8 cell và độ rộng của mỗi búp sóng chính nửa mức công suất tạo đƣợc là 45,0918 0 thì hầu nhƣ sẽ phủ đƣợc toàn bộ cell.

Trong quá trình thực hiện kỹ thuật Beamforming theo 3 tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR cho trường hợp 17 anten, ta tiến hành thực hiện với các cách sắp xếp khác nhau của các anten trên các vòng tròn đồng tâm và sẽ đánh giá từng cách sắp xếp này

4.2.1 Sắp xếp 17 anten đồng nhất trên một vòng tròn – UCA(17)

Chúng ta bố trí 17 anten đồng nhất trên vòng tròn có bán kính R = 1.98λ nhƣ hình 4.6

Hình 4.6 Sắp xếp 17 anten trên một vòng tròn (UCA) r 3 r 2 r 1 R

Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau:

Chúng ta thực hiện quay búp sóng theo chiều kim đồng hồ một góc bằng một nửa độ rộng của búp sóng chính, ở đây là 20 0 Ta đƣợc kết quả nhƣ hình 4.8

Hình 4.8 Mẫu búp sóng sử dụng UCA (17) sau khi quay góc 20 0 Trong hình 4.9 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 9 búp sóng trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao (có tải lưu lượng gấp đôi tải lưu lượng của búp sóng có tải thấp) Xác suất nghẽn trong trường hợp ấn định lại búp sóng có cải thiện hơn so với trường hợp không ấn định lại búp sóng Cụ thể, với xác suất nghẽn 1%, chúng ta có thể tăng tải lưu lượng từ 29,1 Erlang/cell lên 31,7 Erlang/cell nhờ việc quay hướng của mỗi búp sóng đi một góc 20 0

Hình 4.10 Mẫu búp sóng cho toàn bộ cell với UCA(17)

Với UCA(17), chúng ta tạo đƣợc các búp sóng chính nửa mức công suất có độ rộng là 40,9665 0 Nhƣ vậy, với cell có 9 búp sóng thì hầu nhƣ sẽ phủ đƣợc toàn bộ cell, tuy nhiên có các khoảng chồng lấn ở các vùng giao nhau giữa các búp sóng chính Những thuê bao rơi vào các khoảng chồng lấn này cần phải có thuật toán để xác định nó thuộc búp sóng nào

4.2.2 Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên một vòng tròn và có 1 anten ở tâm – UCCA(1:16)

Chúng ta bố trí 16 anten đồng nhất trên vòng tròn có bán kính R = 1.98λ và một anten nữa ở tâm nhƣ hình 4.11

Hình 4.11 Sắp xếp 16 anten trên một vòng tròn và có một anten ở tâm

(UCCA(1:16)) Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau: r 3 r 2 r 1 R

Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán MaxSINR có độ rộng búp sóng chính là 46,6961° và mức suy hao búp sóng phụ là 3,5971 Trong khi đó, thuật toán MMSE và MVDR cho độ rộng búp sóng chính là 48,243° và mức suy hao búp sóng phụ là 3,4831.

Như vậy, với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 8 búp sóng chính cho cả 3 trường hợp sử dụng MaxSINR, MMSE và MVDR

Chúng ta thực hiện quay búp sóng theo chiều kim đồng hồ một góc bằng một nửa độ rộng của búp sóng chính Tức là quay các búp sóng theo chiều kim đồng hồ một góc 22,5 0 Ta đƣợc kết quả nhƣ hình 4.13

Hình 4.13 Mẫu búp sóng sử dụng UCCA (1:16) sau khi quay các góc bằng nửa độ rộng búp sóng chính

Trong hình 4.14 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 8 búp sóng khi sử dụng MaxSINR (có mức suy hao búp sóng phụ 3,5971) trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao Xác suất nghẽn trong trường hợp ấn định lại búp sóng có cải thiện hơn so với trường hợp không ấn định lại búp sóng Cụ thể, với xác suất nghẽn 1%, chúng ta có thể tăng tải lưu lượng từ 21,3 Erlang/cell lên 22,5 Erlang/cell nhờ việc quay hướng của mỗi búp sóng đi một góc 22,5 0

Hình 4.14 Xác suất nghẽn theo tải lưu lượng cho MaxSINR với độ rộng búp sóng chính α = 45 0 , tỉ số tải lưu lượng ζ = 2

Hình 4.15 Xác suất nghẽn theo tải lưu lượng cho MMSE và MVDR với độ rộng búp sóng chính α = 45 0 , tỉ số tải lưu lượng ζ = 2

Trong hình 4.15 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 8 búp sóng chính có một búp sóng có tải lưu lượng cao cho trường hợp UCCA (1:16) với MMSE và MVDR (tương ứng với mức suy hao búp sóng phụ là 3,4831) Xác suất nghẽn trong trường hợp ấn định lại búp sóng có cải thiện hơn so với trường hợp không ấn định lại búp sóng Cụ thể, với xác suất nghẽn 1%, chúng ta có thể tăng tải lưu lượng từ 21 Erlang/cell lên 22 Erlang/cell nhờ việc quay hướng của mỗi búp sóng đi một góc 22,5 0

Hình 4.16 Mẫu búp sóng cho toàn bộ cell với UCCA(1:16) Chúng ta thấy rằng với UCCA(1:16), các búp sóng chính nửa mức công suất có độ rộng là 46,6961 0 cho MaxSINR và 48,243 0 cho MMSE, MVDR thì với cell có 8 búp sóng sẽ hầu nhƣ sẽ phủ đƣợc toàn bộ cell, tuy nhiên có các khoảng chồng lấn ở các vùng giao nhau giữa các búp sóng chính Đặc biệt, với các thuật toán MMSE và MVDR thì vùng chồng lấn này lên tới 6,486 0 , lớn hơn so với sử dụng MaxSINR, có vùng chồng lấn là 3,3922 0

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 47 4.2.3 Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm -

Chúng ta bố trí 16 anten đồng nhất trên hai vòng tròn có bán kính R 1 = 1,11λ, R 2

= 1,98λ và một anten nữa ở tâm nhƣ hình 4.17

Hình 4.17 Sắp xếp 16 anten trên hai vòng tròn và có một anten ở tâm –

PUCA(1:4:12) Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau: r 3 r 2 r 1 R 1

Hình 4.18 Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:4:12) Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với cả 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR đều cho độ rộng búp sóng chính 21,1421 0 và suy hao của búp sóng phụ là 5,3135

Với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 17 búp sóng chính, mỗi búp sóng có độ rộng 21,2 0 Nhƣ vậy, nhờ sử dụng 17 anten theo cấu hình PUCA (1:4:12) mà chúng ta có thể giảm nhỏ độ rộng của búp sóng chính từ 40,9665 0 trong cấu hình UCA(17) xuống còn 21,1421 0 Tuy nhiên, chúng ta phải trả giá cho việc giảm độ rộng búp sóng chính này bằng việc giảm mức suy hao búp sóng phụ so với UCA(17)

Chúng ta đánh giá tải lưu lượng mà cell có thể phục vụ với xác suất nghẽn 1% cho PUCA (1:4:12) Trong hình 4.19 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 17 búp sóng trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao Xác suất nghẽn trong trường sử dụng PUCA (1:4:12) có cải thiện hơn so với trường hợp sử dụng UCA(17) Cụ thể, với xác suất nghẽn 1%, chúng ta có thể tăng tải lưu lượng từ

29,1 Erlang/cell cho UCA(17) lên 38,8 Erlang/cell cho trường hợp sử dụng PUCA (1:4:12)

BP for UCA(17) BP for PUCA(1:4:12)

Hình 4.19 Xác suất nghẽn theo tải lưu lượng với trường hợp UCA(17) và

4.2.4 Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm -

= 1,98λ và một anten nữa ở tâm theo cấu hình PUCA (1:8:8) nhƣ hình 4.20

PUCA(1:8:8) Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau:

Hình 4.21 Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:8:8) r 3 r 2 r 1 R 1

Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với cả 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR đều cho độ rộng búp sóng chính 16,5585 0 và suy hao của búp sóng phụ là 3,6206

Việc sử dụng cấu hình PUCA (1:8:8) với 17 ăng-ten giúp giảm độ rộng búp sóng chính đáng kể, từ 40,9665 độ trong cấu hình UCA(17) xuống còn 16,5585 độ Tuy nhiên, đổi lại, mức suy hao búp sóng phụ trong cấu hình PUCA cũng giảm so với UCA(17).

18 anten đƣợc sắp xếp trên một vòng tròn có bán kính R = 1,98λ nhƣ hình 4.29

Hình 4.29 Sắp xếp 18 anten trên một vòng tròn (UCA)

Như vậy, với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 9 búp sóng chính, tức búp sóng chính có độ rộng 40 0

Với UCA(18), ta thấy việc tạo các búp sóng cho toàn bộ cell sẽ tạo ra các khoảng hở giữa các búp sóng mà tại đó mức suy hao của tín hiệu lớn hơn 3dB so với đỉnh của búp sóng chính Nhƣ vậy, những thuê bao rơi vào những khoảng hở này sẽ không thuộc vùng phục vụ của búp sóng nào cả và cần có thuật toán để xác định búp sóng phục vụ cho chúng, chẳng hạn nhƣ xác định búp sóng nào tùy thuộc vào mức công suất đo đƣợc từ các thuê bao.

Tương tự như khi sử dụng 17 ăng ten, kỹ thuật Beamforming với 19 ăng ten theo ba tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR cũng được triển khai theo các cách sắp xếp ăng ten khác nhau trên các vòng tròn đồng tâm Mỗi cách sắp xếp này sẽ được đánh giá để xác định hiệu suất tối ưu.

4.4.1 Sắp xếp 19 anten đồng nhất trên một vòng tròn – UCA(19)

Chúng ta bố trí 19 anten đồng nhất trên vòng tròn có bán kính R = 1.98λ nhƣ hình 4.34

Hình 4.34 Sắp xếp 19 anten trên một vòng tròn (UCA) r 3 r 2 r 1

Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau:

Hình 4.35 Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(19) Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với cả 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR đều cho độ rộng búp sóng chính 37,9871 0 và mức suy hao của búp sóng phụ là 12,9870

Như vậy, với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 9 búp sóng chính, mỗi búp sóng chính có độ rộng 40 0

Với UCA(19), ta thấy việc tạo các búp sóng cho toàn bộ cell sẽ tạo ra các khoảng hở giữa các búp sóng mà tại đó mức suy hao của tín hiệu lớn hơn 3dB so với đỉnh của búp sóng chính Nhƣ vậy, nếu chúng ta xác định vùng bao phủ của búp sóng có độ rộng nửa công suất thì khi những thuê bao rơi vào những khoảng hở này sẽ không thuộc vùng phục vụ của búp sóng nào cả và cần có thuật toán để xác định búp sóng phục vụ cho chúng

4.4.2 Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên một vòng tròn và có 1 anten ở tâm – UCCA(1:18)

Chúng ta bố trí 18 anten đồng nhất trên vòng tròn có bán kính R = 1.98λ và một anten nữa ở tâm nhƣ hình 4.39

Hình 4.39 Sắp xếp 18 anten trên một vòng tròn và có một anten ở tâm - UCCA

(1:18) Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau: r 3 r 2 r 1

Hình 4.40 Mẫu búp sóng khi sử dụng UCCA(1:18) Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với thuật toán MaxSINR cho độ rộng búp sóng chính 32,0283 0 và suy hao búp sóng phụ là 7,2359

Còn MMSE và MVDR thì giống nhau và đều cho độ rộng búp sóng chính 32,2575 0 và suy hao của búp sóng phụ là 7,3692

Như vậy, với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 11 búp sóng chính cho cả ba trường hợp sử dụng MaxSINR, MMSE và MVDR

Sử dụng cấu hình ăng-ten UCCA (1:18) với 19 ăng-ten cho phép thu hẹp độ rộng chùm tia chính từ 37,9871 độ ở cấu hình UCA (19) xuống còn 32,7 độ Mặc dù cấu hình UCCA (1:18) có độ rộng chùm tia chính hẹp hơn, nhưng mức suy giảm chùm tia phụ lại ít hơn so với cấu hình UCA (17).

Chúng ta tiến hành đánh giá xác suất nghẽn của UCCA(1:18) so với UCA(19)

Trong hình 4.41 (cho MaxSINR) và hình 4.42 (cho MMSE và MVDR) là kết quả

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 67 mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 11 búp sóng trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao Và chúng ta thấy rằng, xác suất nghẽn trong trường hợp sử dụng UCCA (1:18) với tiêu chuẩn MaxSINR hầu như không thay đổi so với trường hợp sử dụng UCA(19) Với tải lưu lượng 35,6 Erlang/cell, xác suất nghẽn của UCA(19) và UCCA(1:18) sử dụng MaxSINR đều là 1% Còn đối với UCCA(1:18) sử dụng MMSE và MVDR thì có cải thiện hơn so với UCA(19) nhƣng vẫn không đáng kể Cụ thể, với UCCA(1:18) sử dụng MMSE và MVDR thì với xác suất nghẽn 1%, tải lưu lượng là 35,8 Erlang/cell

BP for UCA (19) & UCCA(1:18) MaxSINR

BP for UCA(19) BP for UCCA(1:18) MaxSINR

Hình 4.41 Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và UCCA(1:18) cho

BP for UCA (19) & UCCA(1:18) MMSE & MVDR

BP for UCA(19) BP for UCCA(1:18) MMSE & MVDR

Hình 4.42 Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và UCCA(1:18) cho

4.4.3 Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm - PUCA (1:6:12)

= 1,98λ và một anten nữa ở tâm nhƣ hình 4.43

PUCA(1:6:12) Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau:

Hình 4.44 Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:6:12) r 3 r 2 r 1 R 1

Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với cả 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR đều cho độ rộng búp sóng chính 21,2567 0 và suy hao của búp sóng phụ là 11,1857

Sử dụng cấu hình PUCA (1:6:12) với 19 anten, độ rộng búp sóng chính được giảm đáng kể từ 37,9871° trong cấu hình UCA (19) xuống còn 21,2567° Mặc dù vậy, mức suy hao búp sóng phụ của PUCA (1:6:12) lại thấp hơn đáng kể so với UCA (19), cho thấy tiềm năng vượt trội của PUCA (1:6:12) trong việc giảm nhiễu và cải thiện hiệu suất liên lạc nói chung.

Trong hình 4.45 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 17 búp sóng trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao Và chúng ta thấy rằng, xác suất nghẽn trong trường sử dụng PUCA (1:6:12) cải thiện hơn so với trường hợp sử dụng UCA(19) Với tải lưu lượng 35,6 Erlang/cell, xác suất nghẽn của UCA(19) là 1%, nhƣng với PUCA(1:6:12) thì xác suất nghẽn chỉ là 0,012% Nhƣ vậy, tuy sử dụng PUCA(1:6:12) tạo búp sóng có mức suy hao búp sóng phụ nhỏ hơn UCA(19), nhƣng nhờ tạo ra đƣợc búp sóng chính có độ rộng nhỏ hơn nhiều nên chúng ta có thể tăng tải lưu lượng cho cell từ 35,6 Erlang lên 56,9 Erlang

Hình 4.45 Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và PUCA(1:6:12)

4.4.4 Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm - PUCA (1:9:9)

Chúng ta bố trí 18 anten đồng nhất trên hai vòng tròn có bán kính R 1 = 1,06λ và R 2 = 1,98λ và một anten nữa ở tâm theo cấu hình PUCA (1:9:9) nhƣ hình 4.46

Hình 4.47 Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:9:9) Ta thấy rằng kết quả mô phỏng trong trường hợp này đối với cả 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR đều cho độ rộng búp sóng chính 33,1743 0 và suy hao của búp sóng phụ là 5,4289

Với việc tạo cho cell có 11 búp sóng chính thì mỗi búp sóng chính có độ rộng 32,7 0 Nhƣ vậy, nhờ sử dụng 19 anten theo cấu hình PUCA (1:6:12) mà chúng ta có thể giảm nhỏ độ rộng của búp sóng chính từ 37,9871 0 trong cấu hình UCA(19) xuống còn 33,1743 0 Tuy nhiên, mức suy hao búp sóng phụ trong trường hợp

PUCA(1:6:12) lại khá nhỏ hơn so với sử dụng UCA(19) Chúng ta tiến hành đánh giá xác suất nghẽn của PUCA(1:9:9) so với UCA(19)

Trong hình 4.48 là kết quả mô phỏng xác suất nghẽn của cell có 11 búp sóng chính trong tình huống có một búp sóng có tải lưu lượng cao Và chúng ta thấy rằng, xác suất nghẽn trong trường sử dụng PUCA (1:9:9) không tốt bằng trường hợp sử dụng UCA(19) Với tải lưu lượng 35,6 Erlang/cell, xác suất nghẽn của UCA(19) là 1%, nhƣng với PUCA(1:9:9) thì xác suất nghẽn của cell lên tới 2,88% Nhƣ vậy, tuy sử dụng PUCA(1:9:9) tạo búp sóng có độ rộng búp sóng chính nhỏ hơn, nhƣng mức suy hao búp sóng phụ lại nhỏ hơn UCA(19) nên PUCA(1:9:9) không cải thiện được xác suất nghẽn so với UCA(19) Tức là với xác suất nghẽn 1%, tải lưu lượng của cell khi sử dụng UCA(19) là 35,6 Erlang, trong khi sử dụng PUCA(1:9:9) chỉ 31,4 Erlang

Hình 4.48 Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và PUCA(1:9:9)

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 74 4.4.5 Sắp xếp 19 anten đồng nhất trên hai vòng tròn - PUCA (9:10)

Chúng ta bố trí 19 anten đồng nhất trên hai vòng tròn có bán kính R 1 = 1,06λ và R 2 = 1,98λ theo cấu hình PUCA (9:10) nhƣ hình 4.49

Hình 4.49 Sắp xếp 19 anten trên hai vòng tròn – PUCA(9:10) Chúng ta thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau: r 3 r 2 r 1 R 1

Chúng ta sắp xếp 20 anten trên một vòng tròn có bán kính R = 1,98λ nhƣ hình 4.55

Hình 4.55 Sắp xếp 20 anten trên một vòng tròn (UCA (20))

Thực hiện tạo búp sóng chính ở góc có φ = 0 0 , kết quả thực hiện với các tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE và MVDR nhƣ sau:

Như vậy, với trường hợp này ta sẽ tạo cho cell có 10 búp sóng chính, tức búp sóng chính có độ rộng 36 0

Tiến hành xoay bó sóng theo chiều kim đồng hồ một góc bằng một nửa độ rộng của bó sóng chính, tại đây là 180, kết quả thu được như Hình 3.57.

Hình 4.57 cho thấy mẫu búp sóng UCA sau khi quay góc 180 độ có mức suy hao búp sóng phụ khá lớn (16,9779) Giá trị này cộng với số lượng búp sóng trong cell (10) cho thấy cell có tải lưu lượng cao hơn các trường hợp trước nhưng vẫn đạt xác suất nghẽn 1% Tuy nhiên, do trong quá trình tính toán xuất hiện các giá trị vượt quá khả năng của máy tính thông thường (216!), nên không thể đánh giá xác suất nghẽn và sự cải thiện tải lưu lượng trong cell này.

Với UCA(20), ta thấy việc tạo các búp sóng cho toàn bộ cell khá tốt Với 10 cell và độ rộng của mỗi búp sóng chính nửa mức công suất tạo đƣợc là 36,4974 0 thì hầu nhƣ sẽ phủ đƣợc toàn bộ cell

Sử dụng mảng anten kết hợp với các thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR để thay đổi các đặc tính trên thông qua việc xác định các trọng số của dãy các anten

Qua phần mô phỏng với các số lƣợng anten khác nhau và các cách sắp xếp các anten khác nhau, chúng ta thấy cả 3 giải thuật trên đều cho kết quả về độ rộng búp sóng chính và mức suy hao búp sóng phụ hầu nhƣ giống nhau Tuy với các cấu hình UCCA(1:16) và UCCA(1:18), MaxSINR có khác với MMSE và MVDR, nhƣng khác biệt là không lớn Còn hai giải thuật MMSE và MVDR thì cho kết quả giống nhau

Bảng 4.1 Mức suy hao búp sóng phụ cho các số lƣợng anten khác nhau

D UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20)

Bảng 4.2 Mức suy hao búp sóng phụ cho 17 anten với các cách sắp xếp khác nhau

Bảng 4.3 Mức suy hao búp sóng phụ cho 19 anten với các cách sắp xếp khác nhau

Bảng 4.4 Độ rộng búp sóng chính cho các số lƣợng anten khác nhau α (degree) UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20)

Bảng 4.5 Độ rộng búp sóng chính cho 17 anten với các cách sắp xếp khác nhau α (degree) UCA (17)

Bảng 4.6 Độ rộng búp sóng chính cho 19 anten với các cách sắp xếp khác nhau α (degree)

Nhƣ vậy, trong khoảng số lƣợng anten từ 16 đến 20, mức suy hao của búp sóng phụ càng tăng khi số lƣợng anten sử dụng tăng (theo bảng 4.1) Khi sử dụng các cách sắp xếp anten khác nhau trong số lƣợng 17 và 19 anten, tuy một vài dạng có cải thiện mức suy hao búp sóng phụ (so với dạng UCA) nhƣng vẫn không đạt đƣợc mức suy hao búp sóng phụ của trường hợp nhiều anten hơn

Với các cách sắp xếp anten khác nhau, độ rộng búp sóng chính có thể thay đổi, không phụ thuộc vào số lượng anten Trong trường hợp này, sử dụng UCA với 18 anten mang lại độ rộng búp sóng chính tối ưu nhất Tuy nhiên, với 17 và 19 anten, một số cấu hình có thể tạo ra búp sóng chính hẹp hơn Để giảm nhiễu và nghẽn cell, mục tiêu là tăng mức suy hao búp sóng phụ và giảm độ rộng búp sóng chính Tuy nhiên, Beamforming thường dẫn đến mối quan hệ trái chiều giữa hai yếu tố này: tăng suy hao búp sóng phụ thường đi kèm với tăng độ rộng búp sóng chính.

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 85 giảm đƣợc độ rộng búp sóng chính thì lại giảm mức suy hao búp sóng phụ Vì vậy, để đánh giá hiệu quả việc thực hiện kỹ thuật Beamforming, chúng ta chọn cách xem xét tới sự thay đổi về xác suất nghẽn của cell cho từng trường hợp thực hiện

Các bảng Erlang/cell sau là trường hợp trong cell có một hot-beam có tải lưu lượng cao gấp đôi búp sóng có tải thấp Búp sóng có tải lưu lượng thấp là búp sóng có tải lưu lượng bằng 0,8 lần tải lưu lượng đầy của búp sóng (full load traffic beam)

Bảng 4.7 Tải lưu lượng của cell với xác suất nghẽn 1% cho các số lượng anten khác nhau

Erlang/cell UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20)

Sử dụng các anten theo dạng UCA đối với 3 thuật toán MaxSINR, MMSE và MVDR cho độ rộng búp sóng chính và mức suy hao búp sóng phụ là giống nhau nên xác suất nghẽn cũng giống nhau Khi tăng số lƣợng anten, mức suy hao búp sóng phụ tăng nhờ đó làm cho xác suất nghẽn của cell giảm (tải lưu lượng của cell tăng) mặc dù độ rộng búp sóng chính có thể tăng hoặc giảm (sự thay đổi của độ rộng búp sóng chính khi số lượng anten thay đổi chưa đến mức ảnh hưởng mạnh hơn đến tải lưu lượng so với sự thay đổi của mức suy hao búp sóng phụ)

Trường hợp trong cell có tải lưu lượng của thuê bao không đồng đều, trong đó có một búp sóng có tải lưu lượng cao gấp đôi búp sóng có tải thấp Chúng ta cũng có thể giảm xác suất nghẽn của cell nhờ việc ấn định lại các búp sóng chính Ấn định lại các búp sóng chính bằng cách quay tất cả các búp sóng trong cell đi một góc bằng nửa độ rộng búp sóng chính

Bảng 4.8 Tải lưu lượng của cell với xác suất nghẽn 1% sau khi quay các búp sóng

Erlang/cell UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20)

Trong cả hai bảng Erlang/cell trên, chúng ta không đánh giá đƣợc xác suất nghẽn của trường hợp sử dụng 20 anten do việc tính toán vượt ra khỏi sự tính toán của máy tính thông thường Nhưng chúng ta có thể được xác suất nghẽn của trường hợp này sẽ tốt nhất trong tất cả các trường hợp mà chúng ta khảo sát vì UCA(20) tạo ra búp sóng có mức suy hao búp sóng phụ tốt nhất và độ rộng búp sóng chính tốt hơn UCA(19)

Kết quả trong bảng 4.7 và 4.8 cho thấy, với cell có một búp sóng chịu tải lưu lượng cao, sau khi quay tất cả các búp sóng chính một góc bằng nửa độ rộng búp sóng chính, khả năng nghẽn của cell được cải thiện đáng kể Mức cải thiện lưu lượng tải của cell sau khi ấn định lại búp sóng được thể hiện trong bảng 4.9.

Bảng 4.9 Mức cải thiện tải lưu lượng của cell sau khi ấn định lại búp sóng

Mức cải thiện Erlang UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20)

Vẫn giữ nguyên số lƣợng anten, chúng ta có thể giảm can nhiễu và xác suất nghẽn của cell nhờ việc sắp xếp cấu trúc các anten khác nhau Ở đây, chúng ta tiến hành việc thay đổi này cho số lƣợng anten là 17 và 19

Bảng 4.10 Tải lưu lượng của cell với xác suất nghẽn 1% cho các biến đổi của

Bảng 4.11 Tải lưu lượng của cell với xác suất nghẽn 1% cho các biến đổi của

Tiêu đề	Ứng dụng kỹ thuật Beamforming để giảm can nhiễu và giảm xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA
Tác giả	Nguyễn Huỳnh Đức
Người hướng dẫn	TS. Đỗ Hồng Tuấn
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2012
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	2,71 MB

Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Ứng dụng kỹ thuật beamforming để giảm can nhiễu và giảm xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các cơ sở để tính các trọng số trong Beamforming

Các phương pháp giảm xác suất nghẽn trong cell

Khảo sát sự phụ thuộc của mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp sóng chính vào số lƣợng anten

Khảo sát sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp sóng chính

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Thực hiện với 16 anten

Thực hiện với 17 anten

Thực hiện với 18 anten

Thực hiện với 19 anten

Thực hiện với 20 anten