Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông đa chặng (Multi-Hop) kết hợp kỹ thuật Beamforming thích nghi

Trong phạm vi luận văn “ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG MULTI-HOP KẾT HỢP KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG THÍCH NGHI”, tác giả đề xuất và khảo sát mô hình truyền thông đa chặng

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, các hệ thống viễn thông không dây hiện nay đã phát triển cực nhanh tạo ra một cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng thì việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu luôn là một đòi hỏi cấp thiết

Các mạng viễn thông đang phát triển đến thế hệ mới, cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ tích hợp tốc độ cao Trong các mạng viễn thông này, giao thoa liên ký tự (ISI: intersymbol interference) do fading đa đường và giao thoa xuyên kênh (CCI: co-channel interference) do tần số lặp lại và các nguyên nhân chính làm giảm chất lƣợng của hệ thống

Trong hệ thống viễn thông không dây hiện nay, các vấn đề đặt ra đáp ứng để tối ƣu hoạt động của hệ thống truyền thông là:

- Đạt tốc độ dữ liệu cao

- Loại bỏ các hiệu ứng đa đường

- Hoạt động tốt trong môi trường giao thoa mạng (khả năng triệt nhiễu giao thoa tốt)

- Có khả năng hoạt động với SDMA (đa truy cập phân chia không gian) nhằm sử dụng hiệu quả phổ radio

- Truyền thông hiệu quả với các đầu cuối di động

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 - 2 - GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên

Hình 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống truyền thông không dây

Một trong những vấn đề quan trọng cần phải giải quyết trong môi trường vô tuyến là làm giảm tối thiểu sự bất ổn của các kênh fading, tăng chất lƣợng truyền cho hệ thống

Nghiên cứu kỹ thuật hướng đến việc giải quyết vấn đề này, trong đó nổi bật và phù hợp với xu thế hiện đại phải kể đến công nghệ sử dụng hệ thống dãy ăng-ten thông minh thích nghi.

Công nghệ Anten thông minh thích nghi đã trở thành một công cụ quan trọng trong nền kinh tế mạng không dây, thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống truyền thông chất lượng cao Những lợi thế đáng kể của công nghệ này bao gồm khả năng điều chỉnh theo các điều kiện môi trường, tăng cường công suất và độ phủ sóng, cải thiện hiệu suất phổ tần và nâng cao hiệu quả truyền thông, dẫn đến tốc độ dữ liệu nhanh hơn, vùng phủ sóng rộng hơn và kết nối đáng tin cậy hơn.

- Có khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng, triệt nhiễu tốt Có thể làm giảm độ trải trễ, hỗ trợ môi trường thuê bao tốc độ cao, …

- Có khả năng tăng dung lượng cho hệ thống thông tin vô tuyến so với anten đẳng hướng hay anten hình quạt

- Giảm đáng kể giá thành khi lắp đặt các trạm thu/phát trong hệ thống truyền thông

Bên cạnh đó, khai thác chiều của không gian là một công cụ hiệu quả nhằm tối ƣu hoạt động của hệ thống truyền thông không dây Một trong những kỹ thuật đƣợc sử dụng nhằm khai thác chiều của không gian là Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA, giúp cho việc cải thiện về dung lƣợng và chất lƣợng của hệ thống Nó dựa trên việc sử dụng các anten có khả năng lái các vòm sóng, kết hợp các mạng tạo vòm sóng có thể điều khiển đƣợc Trong hệ thống SDMA, trạm gốc không phát tín hiệu khắp diện tích một cell như trong các hệ thống truy cập truyền thông mà tập trung công suất vào hướng của user và giảm công suất ở những hướng khác

Ngoài ra, truyền thông đa chặng (Multi-hop communications) là một trong những kỹ thuật khả thi để giúp tế bào mạng không dây mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service), gia tăng năng lực mạng lưới và đạt chi phí hiệu quả Ý tưởng chính thay vì truyền trực tiếp tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích thì tín hiệu sẽ đƣợc các nút trung gian (ở giữa nút nguồn và nút đích) chuyển tiếp tuần tự Hiện tại, IEEE 802.16j là tiêu chuẩn công nghiệp đầu tiên sử dụng công nghệ này, trong khi đó ở tiêu chuẩn WiMAX đang phát triển, đã có quy định cụ thể việc sử dụng kỹ thuật truyền thông đa chặng

Với những ƣu điểm nêu trên, việc kết hợp hai kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi dùng hệ thống anten thông minh thích nghi và truyền thông đa chặng là tất yếu và sẽ cho phép cải thiện hơn nữa chất lƣợng hệ thống vô tuyến

Chính vì thế, tác giả đã quyết định chọn đề tài luận văn cao học mang tên “ĐÁNH

GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG (MULTI-HOP) KẾT HỢP KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG THÍCH NGHI”

Giới thiệu đề tài

Trong đề tài này, tác giả sẽ phân tích hệ thống truyền thông đa chặng với kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi của anten thích nghi Hệ thống này sẽ được đánh giá về chất lượng, so sánh với các nghiên cứu trước sử dụng anten đẳng hướng hoặc truyền thẳng một đường.

Các mục tiêu chính của đề tài gồm:

 Tìm hiểu và nghiên cứu mô hình hệ thống truyền thông đa chặng

 Nghiên cứu kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi của hệ thống anten thích nghi, xây dựng các giải thuật thích nghi phù hợp

 Đƣa ra đƣợc mô hình hệ thống điển hình, làm cơ sở để phân tích lý thuyết

 Thực hiện mô phỏng hệ thống

 Trên cơ sở kết quả đạt đƣợc, tác giả sẽ phân tích ƣu khuyết điểm của mô hình hệ thống, để từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế hệ thống phù hợp với các điều kiện chuẩn.

Các nghiên cứu liên quan

Chất lượng của hệ thống sử dụng riêng lẻ từng công nghệ truyền thông đa chặng và ăng ten thích nghi đã được nghiên cứu rất nhiều, bao gồm cả đề tài luận văn đại học của tác giả là “Ứng dụng kỹ thuật ăng ten thông minh thích nghi vào hệ thống truyền thông di động”.

WLAN, WIMAX với mô hình các user chuyển động” Kết quả nghiên cứu cho thấy đƣợc các ƣu khuyết điểm của kỹ thuật thích nghi vòm sóng trong hệ thống anten thích nghi nhƣ cải thiện chất lƣợng tín hiệu, mở rộng phạm vi vùng phủ sóng, giảm công suất phát, tăng khả năng đáp ứng dịch vụ, … Ngày nay, kỹ thuật anten thích nghi là công nghệ tiên tiến hiện nay, thu hút rất nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu, và cải tiến [1-3]

Là công nghệ phát triền gần nhƣ đồng thời, với mô hình truyền thông đa chặng, Hasna và các cộng sự đã hoàn chỉnh lý thuyết phân tích cho hệ thống truyền thông hai chặng và đa chặng trong các bài báo [4,5] Sau đó, ông cũng đã giải quyết trọn vẹn bài toán phân bố công suất tối ƣu cho bài toán truyền thông đa chặng trong bài báo [6] Các nghiên cứu đó chỉ ra rằng, chất lƣợng của mạng truyền thông đa chặng phụ thuộc vào chặng yếu nhất và chất lƣợng của mạng sẽ đạt tối ƣu nếu công suất phân bổ trong mạng tỷ lệ nghịch với công suất kênh truyền trung bình của từng chặng Trong thời gian gần đây, có một số nhà nghiên cứu bắt đầu quan tâm việc kết hợp mô hình truyền thông đa chặng với công nghệ MIMO, OFDM, OFDMA, MIMO relay channel, …

Theo sự khảo sát và kiến thức của bản thân tác giả khi tìm kiếm tài liệu, bài báo nghiên cứu về đề tài này, các nghiên cứu chỉ tập trung phát triển độc lập hai kỹ thuật, hệ thống truyền thông đa chặng kết hợp sử dụng kỹ thuật anten thích nghi trên vẫn chƣa được nghiên cứu chuyên sâu, chỉ dừng lại trên ý tưởng; bên cạnh đó, chất lượng hệ thống và các thông số quyết định chất lƣợng mạng trong mô hình nêu trên vẫn là một câu hỏi chƣa có câu trả lời thỏa đáng Chính vì thế trong phạm vi luận văn này tác giả đề xuất kết hợp kỹ thuât tạo búp sóng thích nghi trong truyền thông đa chặng để đánh giá tính hiệu quả truyền thông

Bài toán nghiên cứu

Hình 1.2: Mô hình bài toán nghiên cứu

Đề xuất phương pháp kết hợp truyền thông đa chặng với kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi, nơi các nút trung gian khuếch đại tín hiệu trước khi truyền cho nút tiếp theo Để giảm độ phức tạp tính toán, áp dụng phương pháp xấp xỉ gần đúng để xác định các thông số hiệu suất hệ thống (xác suất dừng hệ thống, tỷ lệ lỗi bit) thay vì sử dụng phương pháp chính xác.

Với mô hình truyền thông đa chặng sử dụng khuyếch đại - chuyển tiếp tại các nút trung gian, khả năng bit đi từ nguồn đến đích cần được cân nhắc kỹ lưỡng Phương pháp tính toán chính xác trở nên phức tạp và đòi hỏi lượng tính toán tăng theo số chặng và mức điều chế, gây khó khăn cho quá trình phân tích.

Trong phần luận văn, tác giả tận dụng tính chất của hệ thống truyền thông đa chặng là xấp xỉ tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời tương đương của hệ thống bằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời của chặng yếu nhất, để từ đó đề xuất phương pháp đánh giá chất lƣợng hệ thống Đối với kênh truyền vô tuyến, tác giả dùng nhiều mô hình phân bố cơ bản khác nhau nhƣ Gauss, Rician, Rayleigh để mô tả tín bất ổn theo thời gian của tín hiệu fading phẳng Kiểu điều chế tùy chọn BPSK, MPSK, QPSK, 8-QAM …

Phương pháp nghiên cứu

Trên mô hình bài toán đề nghị, phương pháp nghiên cứu là tập trung xây dựng giải thuật thích nghi hiệu quả với các hướng DOA xác định, hoặc user chuyển động (do đặc thù thiết kế, các trạm đƣợc lắp cố định), tính toán các thông số kỹ thuật phản ánh chất lƣợng của hệ thống

Với mô hình hệ thống đƣa ra, nền tảng lý thuyết và giải thuật đƣợc xây dựng, tác giả dùng chương trình mô phỏng MATLAB để thực hiện mô phỏng

Sau đó so sánh kết quả đạt đƣợc từ mô phỏng và lý thuyết

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 7 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên

TỔNG QUAN

Kênh truyền vô tuyến

Chất lượng các hệ thống thông tin phụ thuộc lớn vào kênh truyền - nơi truyền tín hiệu giữa máy phát và thu Khác với kênh truyền hữu tuyến ổn định và dễ dự đoán, kênh truyền vô tuyến lại mang tính ngẫu nhiên cao Khi truyền qua kênh vô tuyến, tín hiệu chịu ảnh hưởng của vật cản như tòa nhà, núi, cây cối; đồng thời bị phản xạ, nhiễu xạ… gây ra hiện tượng suy yếu tín hiệu (fading) Kết quả là, máy thu sẽ nhận được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát, làm ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến.

Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể đƣợc phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng mô tả suy giảm công suất tín hiệu trung bình hoặc suy hao kênh truyền do di chuyển trong phạm vi rộng Hiện tượng này bị ảnh hưởng bởi địa hình cao (đồi núi, rừng, tòa nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu, gây che khuất phía thu Các thống kê về fading tầm rộng giúp ước tính suy hao kênh truyền theo khoảng cách.

+ Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time - spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time - variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Có 3 cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: + Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF

+ Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lƣợng RF đƣợc truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

+ Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng chất lượng kênh truyền

2.1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multi - path)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ đƣợc truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận đƣợc chính là

Hình 2.2: Hiện tượng truyền sóng đa đường

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 10 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể đƣợc khôi phục lại hoặc bị hƣ hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Chúng ta có thể tưởng tượng là ném một hòn đá xuống hồ nước Các vòm sóng phát đi từ điểm tiếp nước của hòn đá là những đường tròn đồng dạng chỉ khác nhau về biên độ sóng Việc phát đơn hướng một tín hiệu cũng tương tự vậy Với một trạm gốc ở một vị trí nhất định sẽ dễ dàng phát tín hiệu riêng biệt đến đối tƣợng nếu nhƣ mẫu tín hiệu không bị nhiễu Nhƣng khi các vòm sóng tín hiệu này va chạm vào các bờ chắn không gian, bị phản xạ lại và giao thoa với sóng gốc ban đầu Khi kết hợp nhau, chúng có thể yếu đi hay mạnh lên Đó chính là vấn đề của nhiễu đa đường

Các vấn đề liên quan đến đa đường:

Một trong những hệ quả của hiện tƣợng multipath mà chúng ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và như vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha (hình 2.3)

Hình 2.3: Hai tín hiệu multipath

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 11 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngƣợc pha 1800 thì tín hiệu tới sẽ bị triệt tiêu (hình 2.4)

Hình 2.4: Hai tín hiệu multipath ngƣợc pha nhau

Fading: Khi sóng của các tín hiệu đa đường ngược pha, cường độ tín hiệu sẽ bị giảm Hiện tƣợng này vẫn đƣợc biết đến là “Rayleigh fading” hay “fading nhanh” Sự suy giảm thay đổi liên tục hình thành những khe chữ V => cường độ tín hiệu thu bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra suy giảm về chất lượng (hình 2.5)

Một hệ quả nữa của hiện tƣợng multipath là “ trải trễ ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây nên giao thoa liên ký tự (intersymbol interference) Khi xảy ra hiện tƣợng này thì tốc độ lỗi bit sẽ tăng lên làm giảm đáng kể chất lƣợng của hệ thống (hình 2.6)

Hình 2.6: Các tín hiệu multipath đến ở những thời điểm khác nhau

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu nhƣ trình bày ở hình 2.7 Bản chất của hiện tƣợng này là phổ của tín hiệu thu đƣợc bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:

Trong đó f 0 , v, c lần lƣợt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:

Kỹ thuật anten thích nghi

2.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ: Điều chế là một quá trình nhúng thông tin vào trong sóng mang để có thể truyền đến nơi nhận thông qua kênh truyền Thông tin mà chúng ta muốn chuyển đến máy thu, còn đƣợc gọi là tín hiệu băng gốc (baseband), có thể biến đổi các thông tin số nhƣ biên độ, tần số, pha, hay sự kết hợp giữa chúng Tùy thuộc vào dạng của tín hiệu băng gốc ở dạng tương tự hay dạng số mà chúng ta có điều chế tương tự hay điều chế tương tự Ngày nay, người ta thường sử dụng điều chế số trong các hệ thống thông tin, như:

Hình 2.14: Điều chế số Điều chế phụ thuộc vào số lƣợng bit/symbol để giới hạn số lƣợng dạng sóng si(t)

Mã Gray thường dùng trong các hệ thống viễn thông với mục đích sắp xếp các thứ tự symbol để đảm bảo rằng những symbol kế cận chỉ sai khác nhau 1 bit và từ đó tiết kiệm công suất phát của hệ thống Trong kênh truyền fading với nhiễu trắng (AWGN), tín hiệu tại máy thu có thể xác định bằng phép toán: r   s i  n (2.17) Để giải điều chế khôi phục lại tín hiệu, máy thu thường dùng phương pháp ước lượng tương tự lớn nhất (maximum likelihood)

2.3 KỸ THUẬT ĂNTEN THÍCH NGHI:

Một dãy anten thích nghi là một hệ thống bao gồm một dãy các phần tử anten và một bộ xử lý thích nghi thời gian thực để tự động điều chỉnh hệ thống tạo búp sóng, tự động điều chỉnh các trọng số điều khiển của nó theo hướng tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó kết hợp với một thuật toán đƣợc chọn lựa nào đó Các dãy thích nghi còn đƣợc gọi

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 23 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên là anten dãy hay anten thông minh Cấu hình điển hình của một dãy thích nghi đƣợc trình bày trong hình 2.15

Hình 2.15 : Dãy anten thích nghi với M phần tử

Các anten thông minh có thể đƣợc sắp xếp theo các dạng hình học khác nhau, nhƣng phổ biến nhất là : dãy tuyến tính cách đều nhau (ULA - Uniform Linear Array), dãy tròn đồng đều (UCA - Uniform Circular Array), dãy anten hình chữ nhật phân bố đều (URA - Uniform Rectangular Array) nhƣ hình 2.16

Cho dù hình dạng và kiến trúc của các hệ thống anten khác nhau nhưng thường thỏa mãn các giả sử sau :

- Các anten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lý, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử…và đồ thị bức xạ của mỗi anten

- Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần

- Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten

- Tín hiệu thu đƣợc phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng

Hình 2.16: Các cấu hình hình học khác nhau của dãy anten thích nghi

Xét một dãy anten gồm M phần tử cách nhau một khoảng đồng nhất là Δx, đƣợc minh hoạ như trong hình 2.17 Phương pháp xây dựng mô hình toán dưới đây có thể áp dụng một cách tương tự cho tất cả các dãy đồng nhất: Uniform circular, Uniformly spaced planar …

Hình 2.17 Mô hình phân tích dãy anten cách đều nhau ULA

Theo hình 2.17,  là góc phương vị và θ là góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy anten Mặt phẳng ngang đƣợc biểu diễn bởi θ = π /2 Để đơn giản hoá việc phân tích dãy anten, ta đƣa ra một số giả sử sau:

Các phần tử ăng-ten được bố trí gần nhau để đảm bảo biên độ của tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử là như nhau, không có sự chênh lệch về biên độ.

- Không có sự ghép tương hỗ giữa các phần tử anten

- Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng sóng rời rạc Nhƣ vậy, số tín hiệu đến anten là hữu hạn Đối với một mặt phẳng sóng tới dãy anten từ hướng (θ, ), tín hiệu đến phần tử thứ m phải đi thêm một đoạn đường :

 (2.18) Δx: khoảng cách giữa 2 anten trong dãy anten tuyến tính

So với phần tử tham chiếu tại gốc, tín hiệu đến phần tử thứ m có độ trễ so với tín hiệu đến phần tử tham chiếu là c t m  d

Nhƣ vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần tử tham khảo tại gốc

t m d ( x m cos sin y m sin sin z m cos )

 , f là tần số sóng mang

  2  là hệ số truyền pha

Giả sử rằng mỗi phần tử anten là đẳng hướng, không có nhiễu và có độ lợi như nhau tại tất cả các hướng Tín hiệu đến một mặt phẳng sóng có đường bao phức là s(t)

Theo các phân tích ở trên về sự trễ pha của các phần tử anten trong dãy, tín hiệu nhận đƣợc tại phần tử anten thứ m là:

Tín hiệu tại ngõ ra của dãy, sau khi đƣợc nhân với bộ trọng số [w 0 w 1 w M-1 ] với

M là số phần tử anten trong dãy là:

Phần tử f (θ, ), đƣợc gọi là hệ số sắp xếp (ARFAC - Array factor), nó xác định tỷ số giữa tín hiệu nhận đƣợc tại ngõ ra dãy anten và tín hiệu s(t) đo đƣợc tại phần tử tham khảo Hệ số sắp xếp là một hàm theo hướng đến (DOA - Direction Of Arrival)

Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số [w 0 w 1 w M-1 ] , ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn (θ 0,  0 )

Hình 2.18: Mô hình toán của anten thông minh

Ta có định nghĩa theo dạng vector nhƣ sau:

 Vector trọng số (weight vector): w = [w 0 w 1 w M-1 ] T

Tín hiệu từ mỗi phần tử anten đƣợc nhóm lại thành một vector dữ liệu (data vector): u = [u 0 u 1 u M-1 ] T

Tín hiệu ở ngõ ra của dãy anten là tích vô hướng của vector trọng số và vector dữ liệu: y(t)= w H u(t)

Ký hiệu [] H thể hiện phép biến biến đổi Hermitian, tức là chuyển vị rồi lấy liên hợp phức

 Hệ số sắp xếp theo hướng (θ, ) được biểu diễn lại như sau:

Vector a(θ, ) được gọi là vector lái theo hướng (θ, )

 Vector lái chứa đáp ứng của tất cả các phần tử của dãy, các đáp ứng này là khác nhau ở những hướng khác nhau

Với dãy gồm các phần tử giống nhau, mỗi thành phần của vector lái có biên độ đơn vị Pha của thành phần thứ i trùng với sự sai khác về pha giữa tín hiệu tới phần tử thứ i và phần tử tham khảo gốc Vì mỗi thành phần của vector này thể hiện sự trễ pha gây ra bởi sự khác nhau về vị trí không gian của những phần tử tương ứng của dãy nên nó còn đƣợc gọi là vector không gian (space vector)

Cho trước một mặt phẳng sóng tới từ hướng (θ, ) như hình 2.18, vector lái a(θ, ) là: a(θ, ) = [1 a 1 (θ, ) … a M - 1 (θ, )] T Trong đó: a    ,   e  j  m  x cos  sin 

Trong trường hợp này thì vector lái chỉ phụ thuộc vào mặt phẳng sóng tới Nó có thể phụ thuộc vào đáp ứng của từng phần tử riêng biệt, cấu trúc hình học của dãy và tần số tín hiệu Một tập các vector lái, đƣợc đo đạc hoặc đƣợc tính toán, đƣợc gọi là array manifold

Khi có tác động của nhiễu, vector tín hiệu ngõ vào là : u(t)= s (t) a(θ) + n(t)

Vector nhiễu n(t) đựơc định nghĩa là : n(t) = [ n 1 (t) n 2 (t) … n M (t)] T

Kỹ thuật xử lý tín hiệu tại các nút chuyển tiếp

Có hai kỹ thuật xử lý (chuyển tiếp) tín hiệu tại các nút chuyển tiếp (relay node), là:

 Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify – and – Forward)

 Giải mã và chuyển tiếp (Decode – and – Forward)

Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify – and – Forward)

Hoạt động như tên gọi của nó, nó sẽ khuyếch đại tín hiệu trước khi chuyển đến nút kế tiếp, hoạt động tương tự như một bộ lặp tương tự (analog repeater) Xét một hệ thống đơn giản gồm ba nút: nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích; tín hiệu thu tại nút chuyển tiếp (y R ) và nút đích (y D ) có thể mô hình hóa bằng phép toán sau:

ℎ 𝑆𝑅 , ℎ 𝑅𝐷 : lần lƣợt là hệ số kênh truyền từ S→R và R→D

𝑛 𝑅 , 𝑛 𝐷 : lần lƣợt là nhiễu trắng tại các nút chuyển tiếp và nút đích có cùng công suất N 0

P S , P R : lần lƣợt là công suất phát của nút nguồn và nút đích

G : hệ số khuyếch đại tại nút chuyển tiếp

G có thể đƣợc tính phụ thuộc vào thông tin kênh truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp [7], cụ thể nhƣ sau:

 Nếu nút chuyển tiếp có thông tin kênh truyền tức thời của kênh truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp, thì hệ số G đƣợc xác định nhƣ sau:

 Nếu không có thông tin kênh truyền tức thời mà chỉ có thông tin kênh truyền trung bình thống kê, thị hệ số G đƣợc xác định nhƣ sau:

Giải mã và chuyển tiếp (Decode – and – Forward)

Chúng ta có thể xem nút chuyển tiếp dùng chế độ giải mã và chuyển tiếp nhƣ một bộ lặp số (digital repeater) Tức là, sau khi nhận tín hiệu từ nút nguồn, nút chuyển tiếp giải điều chế toàn bộ, sau đó điều chế lại trước khi phát tiếp chi nút đích

So sách hai kiểu xử lý tín hiệu, thì chúng có những ƣu nhƣợc điểm khác nhau Về mặt kỹ thuật kiểu AF đơn giản hơn nhƣng đó đòi hỏi nút chuyển tiếp có nhiều bộ nhớ để lưu trữ các mẫu tín hiệu thu trước khi khuyếch đại và chuyển tiếp Trong khi đó, kiểu DF có ƣu điểm là kết hợp cho hệ thống có sử dụng mã hóa

Một chú ý quan trọng nữa là tại tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao (công suất phát cao) thì chất lƣợng của hệ thống dùng hai khiểu xử lý tín hiệu này là hoàn toàn nhƣ nhau

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

Mô hình hệ thống

Hình 3.1 : Mô hình hệ thống với K  1 nút chuyển tiếp kế hợp kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi

Hệ thống đƣợc xem xét gồm một (01) nút nguồn, K  1 nút chuyển tiếp và một nút đích hoạt động kênh fading chậm, phẳng, theo phân bố Rayleigh

Tín hiệu được truyền từ nút nguồn T0 đến nút đích TK thông qua K-1 nút trung gian được ký hiệu là T1, , TK-1 do giới hạn công suất phát và vùng phủ sóng Ở mỗi nút trung gian, tín hiệu được nhận, giải mã hoàn toàn trước khi được mã hóa lại và chuyển đến nút tiếp theo bằng kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi Hệ thống thu phát tại mỗi chặng truyền có thể được thiết kế theo mô hình SIMO hoặc MISO.

Để đơn giản hóa tính toán và tối ưu phần cứng tại đầu thu, giả định mỗi nút mạng chỉ xử lý tín hiệu do nút trước phát Với trường hợp sử dụng điều chế đơn nhất (MQAM, MPSK, BPSK, MPAM ), giả định thêm rằng chỉ máy thu mới biết được thông tin kênh truyền (channel state information).

Trong phạm vị luận văn, tác giả tập trung vào quá trình truyền thông tại mỗi chặng và xử lý tín hiệu tại các nút trung gian Từ đó, xây dựng công thức đánh giá chất lƣợng hệ thống.

Kỹ thuật tạo búp sóng băng hẹp

3.2.1 Mô hình của tạo búp sóng thích nghi:

Tạo búp sóng là kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng để hình thành các thùy sóng ở hướng mong muốn và vô hiệu ở hướng nhiễu Quá trình này được thực hiện bằng cách thay đổi hệ số trọng số của các phần tử ăng-ten trong mảng Trong tạo búp sóng thích nghi, hệ số trọng số tối ưu được tính toán thông qua các thuật toán phức tạp dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau.

Các tín hiệu thu đƣợc là các tín hiệu RF, các tín hiệu này đƣợc biến đổi xuống thành các tín hiệu baseband, đƣợc xử lý tín hiệu để tạo ra các các tín hiệu ngõ vào, đƣợc nhân trọng số và sau đó lấy tổng

Bộ Beamformer phải thoả mãn đƣợc hai yâu cầu: (1) khả năng lái theo tín hiệu mong muốn luôn luôn đuợc đảm bảo, (2) các ảnh hưởng của nguồn nhiễu và giao thoa phải cực tiểu

Tạo búp sóng băng hẹp lấy mẫu các tín hiệu ngõ vào trong miền không gian và đƣợc dùng để xử lý các tín hiệu băng hẹp

Cấu hình của một dãy thích nghi là :

Hình 3.2: Cấu hình của bộ Beamfomer thích nghi

Hệ thống hỗ trợ N người dùng, tức là tín hiệu nguồn bao gồm tín hiệu mong muốn và các tín hiệu nhiễu Mỗi người dùng được điều chế bằng BPSK (Binary Phase-Shift Keying - phương pháp điều chế dịch pha nhị phân) với tần số sóng mang giống nhau.

  Tín hiệu dãy nền của user i dưới dạng:

Mảng anten tuyến tính được nghiên cứu gồm có M phần tử giống hệt nhau và tín hiệu nhận được trên mỗi anten đặc trưng bởi công thức (3.1) Trong đó, 1 ≤ k ≤ M, 1 ≤ i ≤ N, bki ∈ {−1, 1} và Ai2 biểu thị cho công suất tín hiệu của người dùng i Không mất tính tổng quát, nguồn 1 được giả định là người dùng mong muốn và các nguồn còn lại là những người dùng nhiễu.

    (3.2) với t m ( ) i là thời gian trễ tương đối của phần tử anten m cho nguồn i,  i là hướng đến của nguồn i và n k m ( ) là giá trị phức nhiễu trắng Gauss có trung bình zero và phương sai

E n k     Tỷ lệ tín hiệu mong muốn trên nhiễu SNRA 1 2 / 2 n 2 , tỷ lệ can nhiễu trên nhiểu INR i A i 2 / 2 n 2 và tỷ lệ tín hiệu mong muốn trên tín hiệu can nhiễu tương ứng ε (t)

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 38 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên với nguồn i là SIR i A 1 2 /A i 2 , với i  2,3, , N Ở dạng vectơ, dãy tín hiệu đầu vào

( ) ( ) ( ) m ( ) T x k  x k x k x k có thể viết nhƣ sau: x( ) k  x( ) k  n( ) k  Pb k ( )  n( ) k (3.3) với n k ( )   n k 1 ( ) n k 2 ( ) n k m ( )  T có ma trận hiệp phương sai E n k n   ( ) H ( ) k    2 n 2 I M ,

I M là ma trận đơn vị M x M Ma trận hệ thống P được viết dưới dạng:

Vectơ lái của nguồn i được viết dưới dạng:

 exp( 1 ( )) exp( 2 ( )) exp( ( ))  T i i i M i a  j t   j t   j t   (3.5) và vectơ truyền bit b k ( )   b k 1 ( ) b k 2 ( ) b k N ( )  T

Ngõ ra của bộ Beamforer băng hẹp là tổ hợp tuyến tính đã nhân trọng số của tín hiệu thu đƣợc ở mỗi phần tử của dãy :

Trọng số phức w đƣợc định nghĩa là :

(3.7) Array factor theo hướng θ là:

3.2.2 Các tiêu chuẩn để tối ƣu hoạt động của tạo búp sóng thích nghi:

Có nhiều tiêu chuẩn đƣợc sử dụng để thu đƣợc các trọng số tối ƣu cho dãy thích nghi trong thông tin di động Ở đây tác giả tập trung giới thiệu tiểu chuẩn đƣợc dùng trong phạm vi luận văn này là Cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE) Ngoài ra còn có một số tiêu chuẩn cũng đƣợc sử dụng trong hệ thống anten thích nghi nhƣ và cực

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 39 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên tiểu tỷ lệ lỗi bit (MBER), cực đại tỷ số tín hiệu trên giao thoa cộng nhiễu (MSINR), cực đại Likelihood (ML), cực tiểu sự biến đổi tuyến tính cƣỡng bức (LCMV),

Cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE)

Tiêu chuẩn này hướng đến cực tiểu sai số giữa tín hiệu ngõ ra của dãy y(k) và tín hiệu mong muốn s(t) Trong thực tế tín hiệu mong muốn không biết trước được một cách chính xác Tuy nhiên ta sử dụng phương pháp chuỗi huấn luyện có thể tạo ra tín hiệu chuẩn d(t) gần xấp xỉ với tín hiệu mong muốn Thực tế ta lấy d(t)=s(t)

Xét vector tín hiệu ngõ vào: x k ( )  s k a ( ) ( )  u k ( ) (3.9)

( ) a  : đáp ứng của dãy, u(t): vector nhiễu Dãy thích nghi băng hẹp, tín hiệu ngõ ra từ (3.6) y k ( )  w x k H ( )

Các trọng số được chọn sao cho cực tiểu sai số trung bình bình phương của tín hiệu sai số:

Với E{.} biểu diễn giá trị kỳ vọng Khai triển ta đƣợc:

bằng 0.

Ta có trọng số tối ƣu theo tiêu chuẩn này là:

Từ đó ta có đƣợc MMSE tối ƣu là:

(3.15) Ưu điểm: Kiến thức về hướng đến không yêu cầu

Nhƣợc điểm: Sự phát sinh của nhiễu

Cực tiểu tỷ lệ lỗi bit (MBER)

Tiêu chuẩn này trực tiếp hướng đến cực tiểu tỷ lệ lỗi bit Với mô hình hệ thống có

N b  số của các chuỗi bit có thể truyền của b(k) là b q , 1   q N b , thành phần đầu tiên của b q là b q,1 tương ứng với nguồn tín hiệu mong muốn Dãy tín hiệu đầu vào x( ) k chỉ có giá trị từ các tín hiệu thiết lập:

Thiết lập này có thể đƣợc phân chia thành hai tập con tùy thuộc vào giá trị cụ thể của b k 1 ( ), nhƣ sau:

Tương tự, tín hiệu lái vòm sóng ra y k ( )chỉ có giá trị từ tập vô hướng { q H q , 1 b } y  y  w x   q N Vì thế, thành phần thực của tín hiệu beamformer ngõ ra

R ( ) y k chỉ có giá trị từ:

R R q q b y  y   y  q N (3.18) và nó cũng có thể chia thành 2 tập con phụ thuộc b k 1 ( ) nhƣ sau: y ( ) R  {y R q ( )  , y R : ( )b k 1  1} (3.19)

Ta có thể thấy hàm p.d.f có điều kiện của y k R ( )khi b k 1 ( )   1 là:

 (3.20) ở đó y R q ( )  , y R ( )  và N sb  N b / 2 là số điểm trên y ( ) R  Do đó, ta thấy tỷ lệ lỗi bit BER của vòm sóng lái phụ thuộc vào vectơ trọng số w nhƣ sau:

Lưu ý, BER là bất biến với phần dương của w Tương tự, the BER cũng được tin`h khi sử dụng y R ( ) 

Tiêu chuẩn tạo búp sóng MBER đƣợc định nghĩa:

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 42 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên arg min ( )

(3.24) Gradient của P w E ( ) với w tương ứng có thể được biểu diễn như sau:

Với gradient của (3.14), vấn đề tối ƣu hóa (3.24) có thể đƣợc giải quyết bằng cách sử dụng phép lặp với thuật toán tối ƣu gradient-based Khi xác định BER là bất biến đối với miền dương của w, đã tạo thuận lợi để tính toán bình thường hóa w với chiều dài đơn vị sau các phép lặp, do đó, gradient có thể đƣợc đơn giản hóa bằng công thức:

Dưới đây là thuật toán Gradient liên hợp đơn giản [20], [16] cung cấp một phương pháp hiệu quả cho việc tìm kiếm lời giải MBER:

- Chọn bước nhảy μ > 0 và lượng vô hướng kết thúc β > 0

- Chọn w(1) và d 1 P w E ( (1)), và gán giá trị lặp ban đầu   1

Thuật toán: Ƣu điểm: trực tiếp để tối ƣu hóa hiệu suất BER của hệ thống

Nhƣợc điểm: Tính toán phức tạp, cần phần cứng tốt

Cực đại tỷ số tín hiệu trong giao thoa công nhiễu (MSINR) Đối tƣợng của tiêu chuẩn này là cực đại SINR Ngõ ra của dãy đƣợc biểu diễn dưới dạng sau:

Khởi động các giá trị

SINR ngõ ra trung bình là:

Lấy Gradient của (3.28) theo w ta đƣợc:

H H H H H w ss uu ss w uu uu

H H H ss ss uu uu uu w R w w R w w R w w R w w R w

Trọng số tối ƣu theo tiêu chuẩn này tìm đƣợc bằng cách cho  w SINR  0 Ta có:

R w ss   w R w R w H ss   uu  /  w R w H uu   SINR R w uu (3.30)

Nếu R uu có thể lấy nghịch đảo, ta viết lại(3.30):

Giá trị tối ƣu của SINR là λ max thoả mãn điều kiện sau:

Giá trị λ max này tương đương với một vector riêng w opt là:

Ta có thể biểu diễn vector trọng số tối ƣu nhƣ sau: w SINR  w opt   R uu  1 a    (3.35) Ƣu điểm: Cực đại giá trị thật của SNR

Khuyết điểm: Phải biết trước được thông số của nhiễu (noise) và hướng đến của tín hiệu chuẩn

Cực tiểu sự biến đổi tuyến tính cƣỡng bức (LCMV)

Tiêu chuẩn này dùng để cực tiểu sự thay đổi của ngõ ra dãy anten dựa vào sự cƣỡng bức tuyến tính Ta có ngõ ra của dãy anten là:

  Để thu được tín hiệu mong muốn với một độ lợi xác định theo một hướng nào đó, ta sử dụng điều kiện: w a H ( )   g (3.36)

Giả sử u(t) là nhiễu Gauss trung bình zero và không tương quan, nên ta có

Sự thay đổi của ngõ ra là:

Sử dụng phương pháp Lagrange, ta có được vector trọng số tối ưu cho tiêu chuẩn này là:

LCMW opt uu uu w  w gR  a  a  R  a  (3.39)

Các ƣu điểm sử dụng anten thích nghi

Hình 3.7b: BER ngõ ra với M=3 trong VD3

3.3 CÁC ƢU ĐIỂM KHI SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI:

Sử dụng dãy anten thích nghi mang lại nhiều thuận lợi cho các hệ thống truyền thông di động và đã đƣợc ứng dụng rộng rãi Một số thuận lợi rõ ràng nhất mà nó mang lại là:

3.3.1 Hàm mật độ xác suất (PDF) của tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương đương của hệ thống Để xác định các thông số đánh giá chất lƣợng hệ thống ta xác định hàm phân bố xác xuất của tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương đương của hệ thống

Tại các nút chuyển tiếp, chúng ta dùng kỹ thuật khuyếch đại - chuyển tiếp cố định định (fixed amplify and forward) Do đó, nút chuyển tiếp có thể chuyển tiếp tín hiệu (bit/symbol) lỗi tới nút kế tiếp, Vì vật theo [14], tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của toàn hệ thống truyền thông đa chặng sử dung kỹ thuât giải mã và chuyển tiếp cố định sẽ quyết định bới SNR của chặng yếu nhất trong hệ thống Phát biểu này không phụ thuộc vào kiểu điều chế được dùng trong hệ thống cũng như môi trường kênh truyền mà hệ thống hoạt động Diễn giải bằng mô hình toán học, ta có thể viết

Từ (3.75), hàm tích luỹ phân bố xác xuất của  eq có dạng:

Giả sử rằng các chặng chịu fading độc lập với nhau, (3.76a) đƣợc viết lại nhƣ sau:

Bằng cách lấy đạo hàm của (3.76b) theo γ, ta tính đƣợc phân bố xác xuất (PDF) của  eq nhƣ sau:

3.3.2 Cải thiện chất lƣợng tín hiệu

Do sử dụng các dãy thích nghi nhiều phần tử có thể làm tăng độ lợi anten, nó phụ thuộc vào số anten sử dụng Điều này nghĩ là SINR đƣợc cải thiện

SNR ngõ vào: SNR in

Nếu số lƣợng giao thoa nhỏ hơn số độ tự do DoF=M-1, SINR trong một môi trường truyền đơn, không có fading đa đường là:

SINR out dB 10log MSNR in dB (3.72)

Với M là số phần tử của dãy anten

Trong môi trường fading đa đường, nếu xử lý tín hiệu được sử dụng cả miền không gian và miền thời gian như trong trường hợp Beamformer băng rộng, có thể thu đƣợc độ lợi có tính phân tán phụ thuộc vào số điểm TDL sử dụng và các tính chất của fading Ví dụ với một trường hợp đơn giản là mô hình 2 đường Giả sử như 2 đường không tương quan về mặt không gian SINR ngõ ra là:

Có nghĩa là đã thu được độ lợi phân tán 3dB trong môi trường fading đa đường Với môi trường có nhiều fading đa đường, có thể thu được độ lợi phân tán nhiều hơn Hình 3.8 biểu diễn SNR ngõ ra theo số lƣợng phần tử sử dụng trong một dãy

Hình 3.8: SNR ngõ ra theo số phần tử của dãy

Từ (3.3) ta có, tín hiệu phát được dãy anten phát hướng về user có dạng

Từ các nghiên cứu [5], nếu một biến ngẫu nhiên đƣợc phân phối Rayleigh Hàm p.d.f của một đường truyền là:

Khi sử dụng dãy anten thích nghi trong việc truyền phát/thu tín hiệu, ta sẽ tối ƣu tỷ lệ năng lƣợng bit trên nhiễu, khi đó hàm p.d.f của các kênh truyền là:

Xác xuất lỗi bit của kênh truyền là:

Anten thu đƣợc tín hiệu sau khi truyền qua kênh truyền sẽ có dạng [9]:

3.3.3 Tăng phạm vi phủ sóng

P r dBm t dBm t dBi r dBi 4 20log log

Theo đẳng thức (3.79), có 3 cách để tăng công suất thu P r Cách thứ nhất là tăng công suất truyền P t Tuy nhiên nếu đầu phát không cố định thì việc tăng công suất truyền có thể làm giảm tuổi thọ của nguồn pin và nguồn phát công suất cao có kích thước cồng kềnh hoặc mắc Với một cách thích hợp chúng ta có thể tăng độ lợi của dãy anten bằng cách tăng phạm vi phủ sóng và độ lợi tỷ lệ tuyến tính với số phần tử anten

Từ phương trình (3.72) độ lợi đạt được bởi một dãy thích nghi là:

Độ lợi ăng ten G được định nghĩa là tỷ số công suất bức xạ theo một hướng nhất định trên công suất bức xạ theo mọi hướng Đối với ăng ten định hướng, độ lợi được tính bằng công thức G10log 10 (Pth/Pref), trong đó Pth là công suất bức xạ theo hướng cần tính và Pref là công suất bức xạ tham chiếu Độ lợi này cho phép gia tăng phạm vi phủ sóng của trạm nền Khi phạm vi của góc chiếu sáng nhỏ và tổn hao của đường truyền được mô hình với lũy thừa α, hệ số mở rộng phạm vi (REF) có thể được tính theo công thức REF = 10log 10 (G/Gm), trong đó Gm là độ lợi trung bình của ăng ten.

Với r array và r conv lần lƣợt là phạm vi phủ sóng của anten dãy với nhiều phần tử và anten truyền thống đơn phân tử Hệ số phạm vi phủ sóng đƣợc mở rộng (ECF) [12]:

Hình 3.9 trình bày một ví dụ với một dãy anten 6 phần tử, vùng phủ sóng gần nhƣ gấp đôi so với trường hợp anten đơn với α=5 Do nghịch đảo của ECF biểu diễn hệ số suy giảm về số lƣợng trạm nền yêu cầu để bao phủ một vùng diện tích nhƣ khi sử dụng anten đơn, có nghĩa là khi sử dụng dãy thích nghi có thể giảm đáng kể số lƣợng trạm nền Ví dụ với trường hợp α=5, số lượng trạm nền cú thể giảm xuống chỉ cũn bằng ẵ so với số lƣợng trạm nền khi sử dụng anten đơn

Hình 3.9: Cải thiện phạm vi phủ sóng khi sử dụng dãy thích nghi

Sử dụng dãy anten thích nghi có thể tăng độ lợi anten Do đó, có thể giảm công suất phát yêu cầu của trạm nền Nếu các điều kiện khác đều nhƣ nhau thì công suất yêu cầu của một trạm nền sử dụng dãy anten M phần tử có thể giảm đi M-1 Giảm công suất phát sẽ có lợi cho sức khỏe cho người sử dụng và giảm giá thành do các bộ khuyếch đại công suất tần số cao có giá thành không rẻ.

Kết luận

Nhƣ đã trình bày ở trên, hệ thống anten thích nghi mang lại nhiều thuận lợi cho hệ thống viễn thông không dây mà anten đơn không có nhƣ cải thiện tín hiệu, tăng phạm vi phủ sóng và giảm công suất phát và đặc biệt thích nghi trong hệ thống truyền thông đa chặng multi-hop Mô hình hệ thống đƣợc giới thiệu cho đặc ra các vấn đề để thiết kế mô phỏng hệ thống cũng nhƣ các thông số tính toán cho hệ thống đề nghị trong luận văn

Với mô hình bài toán đƣa ra, tác giả tập trung phân tích đánh giá chất lƣợng hệ thống thông qua quá trình truyền thông tin giữa các chặng và quá trình khuếch đại và truyền tiếp tại các nút chuyển tiếp

Ngoài ra, trong chương này tác giả cũng đề cập đến những tiêu chuẩn thường được sử dụng để tìm ra các trọng số tối ƣu cho dãy anten thích nghi: cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE), cực tiểu tỷ lệ lỗi bit (MBER), cực đại tỷ số tín hiệu trên giao thoa cộng nhiễu (MSINR), cực tiểu sự biến đổi tuyến tính cƣỡng bức (LCMV) Và các giải thuật phổ biến sử dụng phương pháp chuỗi huấn luyện ứng dụng trong hệ thống truyền thông đa chặng

Khi giải thuật huấn luyện đƣợc sử dụng để truyền sóng qua các chặng Vấn đề này sẽ được làm rõ trong chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Thông số mô phỏng

Xét một mô hình mạng truyền thông gồm K chặng, trong đó các nút chuyển tiếp đặt trong không gian, với khoảng cách giữa các nút chuyển tiếp trong mạng là nhƣ nhau Độ lợi kênh truyền đƣợc mô hình hoá nhƣ sau:

Hệ số lợi anten đặc trưng K 0 được sử dụng để đơn giản hóa quá trình mô phỏng hệ thống Khoảng cách giữa các nút liên tiếp được ký hiệu là d k, còn hệ số suy hao đặc trưng của kênh truyền là .

Công suất phát của mỗi anten đƣợc chia tỷ lệ:

Mỗi nút trong mô phỏng mạng lưới không dây có công suất phát DT được tính bằng công thức P_DT = nK (4.2), trong đó n là số nút trung gian Các nút chuyển tiếp có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu rồi tiếp tục truyền tới nút tiếp theo trong hệ thống Để mô phỏng, mô hình điều chế BPSK được sử dụng.

Các bài toán mô phỏng bao gồm:

+ Đánh giá BER trên các chặng phụ thuộc vào M-antennas phát, tỷ số

E b /N 0, trên kênh truyền AWGN, Rician, Rayleigh

+ Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi với các thuật toán LMS, RLS Đánh giá chất lƣợng chặng truyền qua BER, SINR

+ Mô phỏng hệ thống 2 chặng

+ Mô phỏng hệ thống K chặng.

Đánh giá tỷ lệ lỗi bit qua các chặng

Để đánh giá chất lƣợng hệ thống truyền thông đa chặng (Multi-HOP), tác giả đề xuất phương thức đánh giá mỗi chặng Xét một (01) chặng truyền thông từ nút nguồn đến nút đích (hình 4.1), ta khảo sát BER phụ thuộc vào các tham số (số phần tử anten phát / thu M), tỷ số E b /N 0 ,

Hình 4.1: Mô hình mô phỏng BER qua các kênh truyền

Xét mô hình 4.1 với M anten phát, thông tin kênh truyền được nút phát biết trước, với mô hình kênh truyền là:

+ Rician: h = (sqrt(K/(K+1)) + sqrt(1/(K+1))* (randn(1,L) + j*randn(1,L)) / sqrt(2); + Rayleigh: h= (randn(1,L) + j*randn(1,L)) / sqrt(2) Tín hiệu anten thu đƣợc có dạng (3.77) và (3.78) :

Hình 4.2: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng M=1,3,7 mô hình MISO trong kênh truyền AWGN

Hình 4.3: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng M=1,4,6 mô hình MISO trong kênh truyền Rician, với K}B

Hình 4.4: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng M=1,3,8 ở mô hình MISO trong kênh truyền Rayleigh

Hình 4.5: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng M=1,2,4,7 ở mô hình SIMO trong kênh truyền Rayleigh

Hình 4.6: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng M=1,2,4 MISO - SIMO trong kênh truyền Rayleigh

Hình 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ lỗi bit/symbol của mỗi chặng hệ thống tương ứng với tỷ số công suất trung bình một bit số liệu trên mật độ phổ tạp âm E b /N 0 (từ -5dB đến 40dB) và số phần tử anten phát của các HOP M-Tx, số phần tử anten thu của các HOP N-Rx lần lƣợt qua các kênh truyền AWGN, Rician, Rayleigh

Từ Hình 4.2 ta thấy với kênh phân phối Gauss (AWGN) cho tín hiệu tốt nhất, và khi M tăng Eb/N 0 tăng Để đảm bảo tiêu chuẩn chặng tryền thông BER  10  6 , hệ thống truyền phát SISO (nTx = 1, nRx=1) cần đảm bảo E b / N 0  11 dB , tương tự MISO (nTX=3, nRX=1) và (nTx=7, nRx=1) cần đảm bảo E b /N 0 lần lƣợt nhỏ hơn 6dB và 3dB

Hình 4.3 cho thấy với kênh Rician có hệ số Rice }B, cho thấy đáp ứng BER không tốt bằng kênh AWGN và hình 4.4 cho thấy kênh Rayleigh fading cho đáp ứng BER hệ thống xấu nhất Ta cũng dễ dàng nhận thấy để đảm bảo tiêu chuẩn chặng tryền thông BER  10  6 , với với kênh Rician trên, hệ thống truyền phát với nTX lần lƣợt là 4, 6 cần đảm bảo E b /N 0 lần lƣợt nhỏ hơn 13dB và 10dB; BER  10  6 , với với kênh Rician

Để duy trì chất lượng truyền dẫn tốt, hệ thống với 3 nút truyền phát cần đảm bảo tỷ số Eb/N0 nhỏ hơn 18dB Với hệ thống 8 nút, tỷ số này phải nhỏ hơn 6dB Tuy nhiên, khi sử dụng chỉ 1 ăng-ten phát, chất lượng truyền dẫn sẽ không đạt mức tiêu chuẩn.

Việc tăng số lượng ăng-ten phát/thu sẽ làm giảm tỉ số E b /N 0, qua đó giúp giảm công suất phát, kéo dài tuổi thọ pin, tiết kiệm chi phí, tăng tốc độ truyền dữ liệu và tiết kiệm băng thông.

Hình 4.6 cho thấy mô hình SIMO cho tín hiệu tốt hơn MISO

Hình 4.7: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng với E b /N 0 = -3, 0, 10dB trong kênh truyền Rician, KB

Hình 4.8: Tỷ lệ lỗi bit tương ứng với E b /N 0 =0, 7, 15 dB trong kênh truyền Rayleigh

Hình 4.7, 4.8 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ lỗi bit/symbol (BER) của mỗi chặng hệ thống tương ứng với số phần tử anten phát trên 1 HOP (từ 1 đến 10 anten) trên cùng một điều kiện tỷ số công suất trung bình một bit số liệu trên mật độ phổ tạp âm E b /N 0 , lần lƣợt qua các kênh truyền Rician, Rayleigh

Ta dễ dàng nhận thấy khi cùng một điều kiện phát (cùng E b /N 0 ), chất lƣợng tín hiệu tăng phụ thuộc vào số lƣợng anten phát, phân tập phát phát huy hiệu quả Trên kênh truyền Fading Rayleigh, với E b /N 0 dB, cần dãy 04 anten phát để đảm bảo chất lƣợng tín hiệu BER  10  6 Để dễ dàng khảo sát sự biến đổi này, ta xây dựng một trình mô phỏng GUI trong Matlab để dễ dàng thay đổi các thông số khảo sát hệ thống Phẩn này đƣợc thiết kế nhƣ hình 4.9

Hình 4.9: Giao diện mô phỏng BER trên các chặng truyền thông với M=5.

Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi

Phần này ta khảo sát tốc độ hội tụ của các thuật toán thích nghi LMS, RLS, đánh giá chất lƣợng trên 01 chặng truyền Để đánh giá hệ thống tương đối chính xác ta đánh giá kết quả mô phỏng theo thống kê trung bình cộng, (trials = 1000 hoặc lớn hơn), tuy nhiên nếu trials quá lớn, quá trình mô phỏng sẽ rất lâu

Thuật toán thích nghi nhƣ sau:

Xét bài toán SINR = 10dB; SNR = 5 dB; μ = 0,002 Tín hiệu nhiễu đến từ các hướng -400, -200 và 600 Sử dụng thuật toán LMS để khảo sát bài toán trong hai trường hợp: a) Trọng số theo số lần lặp b) MSE.

Khởi động vector trọng số k=0, w=0

Cập nhật trọng số LMS: w(k+1)== w(k) + μ x(k) ε *(k) RLS: w(n)w(n1)R  1 (n).x(n). * (x(n1))

Giải thuật LMS thích nghi được sử dụng để điều chỉnh hệ số trọng số của mảng ăng ten theo thời gian nhằm giảm MSE Khi số lượng phần tử ăng ten M tăng, MSE liên tục giảm và hệ số mảng (array factor) được cải thiện Các hình 4.10 và 4.11 minh họa quá trình thích nghi LMS với M=3 và M=5, thể hiện sự thay đổi của hệ số trọng số, MSE và hệ số mảng trong quá trình lặp.

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 78 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên a Trọng số theo số lần lặp b MSE c Array factor Hình 4.12: Giải thuật thích nghi LMS với M=8 Trọng số các bài toán trên lần lƣợt là:

Ta mô phỏng hệ thống anten tạo búp sóng thích nghi sử dụng giải thuật LMS lần lƣợt có M = 3, 5, 8 phần tử anten phát Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện trong 3 hình 4.8, 4.9, 4.10, trong mỗi hình vẽ tác giả đã khảo sát và thể hiện trên 03 đồ thị lần lƣợt là trọng số của dãy anten theo số lần lặp, trung bình bình phương lỗi (MSE) và array factor của hệ thống lái vòm sóng thích nghi

Số anten càng lớn, quá trình thích nghi sẽ nhanh hơn, tức là tốc độ hội tụ sẽ càng nhanh, điều này thể hiện rõ trong các hình 4.10a, 4.11a, 4.12a

Qua biểu đồ hình 4.8c, 4.9c, 4.10c, quan sát thấy tín hiệu mong muốn hướng đến (0 0 ) có giá trị giá trị búp sóng rất cao, xấp xỉ cực đại Ngược lại, tín hiệu nhiễu hướng ( -40 0 ; -20 0 , 60 0 ) có giá trị xấp xỉ null, rất thấp dưới -40dB Cụ thể, khi M nhỏ hơn, tín hiệu nhiễu theo các hướng có biên độ hệ số mảng càng lớn Tuy nhiên, biên độ này vẫn rất nhỏ so với tín hiệu nên có thể chấp nhận được.

Trong quá trình huấn luyện các chuỗi mã hóa, sau một số lƣợng mẫu nhất định thì biên độ bộ trọng số sẽ hội tụ, giảm đến giá trị cực tiểu và ổn định không đổi Tuy nhiên nếu số lƣợng mẫu quá ít thì bộ trọng số w và sai số ƣớc lƣợng ngõ ra sẽ không kịp hội tụ, dẫn đến đồ thị array factor không chỉ không cho các giá trị null ở các hướng can nhiễu, mà còn tạo beam đến các hướng can nhiễu như tín hiệu mong muốn

Xét bài toán có tín hiệu mong muốn ở hướng đến 0 độ, ba tín hiêu nhiễu đến từ các hướng -40 , -20 và 60 độ; SIR = 10dB ; SNR = 5 dB, M = 6 Ta khảo sát bài toán sử dụng thuật toán LMS ở các trường hợp sau:

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 80 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên a Trọng số theo số lần lặp b MSE c Array factor

Hình 4.13: Giải thuật thích nghi LMS với 𝜇=0.01 a Trọng số theo số lần lặp b MSE

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 81 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên c Array factor Hình 4.14: Giải thuật thích nghi LMS với 𝜇=0.08 a Trọng số theo số lần lặp b MSE c Array factor Hình 4.15: Giải thuật thích nghi LMS với 𝜇=0.25

Tác giả mô phỏng hệ thống anten tạo búp sóng thích nghi sử dụng giải thuật LMS với các thông số nhƣ bài toán 2 đƣa ra, nhƣng lần này khảo sát sự thay đổi của hệ thống theo 𝜇 lần lƣợt có 𝜇 = 0.01, 0.08 và 0 Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện trong 3 hình 4.13, 4.14, 4.15, trong mỗi hình vẽ tác giả đã khảo sát và thể hiện trên 03 đồ thị lần lƣợt là trọng số của dãy anten theo số lần lặp, trung bình bình phương lỗi (MSE) và array factor của hệ thống lái vòm sóng thích nghi

 μ càng lớn thì tốc độ hội tụ càng nhanh, Nếu μ > μ max (=1/  max ), quá trình thích nghi của thuật toán LMS sẽ mất đi khả năng hội tụ nhƣ các hình 4.13

 Trong các trường hợp đã khảo sát đều có sự tồn tại của nhiễu từ môi trường bên ngoài, thì sai số ƣớc lƣợng ngõ ra vẫn hội tụ về gần 0, tuy nhiên có sự dao động, sai số trên đường hội tụ, nhưng vẫn có thể chấp nhận được Khi tăng số phần tử anten hay giảm μ thì sai số đó sẽ giảm

 Khi có nhiễu ngoài tác động thì có sai số trong quá trình hội tụ, và khi ta lấy trung bình cộng 1000 lần thì sai số đó cải thiện đáng kể Từ các khảo sát lấy trung bình cộng 1000 mẫu tín hiệu ngẫu nhiên ta nhận thấy thuật toán LMS có những ƣu điểm:

 Có khả năng triệt can nhiễu

 Đáp ứng thời gian thực

Xét bài toán có tín hiệu mong muốn ở hướng đến 0 độ, ba tín hiệu nhiễu đến từ các hướng -40 độ , -20 độ và 60 độ; SIR = 10dB ; SNR = 5 dB Ta khảo sát bài toán sử dụng thuật toán RLS ở các trường hợp sau:

HVTH: Lê Hoàng Minh - 10140015 83 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn - PGS.TS Phạm Hồng Liên a Trọng số theo số lần lặp b MSE c Array factor Hình 4.16: Giải thuật thích nghi RLS với M=3 a Trọng số theo số lần lặp b MSE

Truyền thông đa chặng (Multi-HOP)

Ứng dụng kết quả mô phỏng từ 4.1, 4.2, 4.3, tác giả xây dựng trình mô phỏng hệ thống truyền thông đa chặng, đề ra phương pháp đánh giá chất lượng toàn hệ thống bằng chất lƣợng của mỗi chặng truyền thông Giả sử kênh truyền của các chặng là độc lập, không tác động fading lẫn nhau

Kết quả mô phỏng 02 chặng truyền thông với mô hình kênh truyền của 02 chặng khác nhau ở hình 4.20 Với thiết kế hệ thống nhƣ bài toán đƣa ra, hệ thống đảm bảo tốt chất lƣợng truyền thông, BER thấp, Độ lợi tín hiệu trên can nhiễu, nhiễu nội, tăng đáng kể, độ lợi đạt gần 30dB

Hình 4.20: Mô phỏng hệ thống Multi-Hop với k=2

Hình 4.21, 4.22 mô phỏng hệ thống truyền thông gồm 03 và 06 chặng Ở đó yêu cầu thiết kế các vị trí nút truyền tiếp đạt ngẫu nhiên tại không gian, khi đó hướng DOA của các chặng khác nhau, trong các mô hình kênh truyền khác nhau Đối với kênh truyền Rayleigh, cần tăng cường công suất phát hoặc tăng số anten phát trong mỗi nút hệ thống.

Kết luận

Trong chương này, tác giả đã cơ bản mô phỏng hết các khía cạnh đánh giá chất lƣợng hệ thống truyền thông đa chặng kết hợp kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi Qua đó cho thấy 02 thông số quan trọng tác động trực tiếp đến chất lƣợng hệ thống là số phần tử anten phát sử dụng và công suất phát

Các mô phỏng đã chứng minh hiệu quả của các giải thuật thích ứng trong việc tăng vùng phủ sóng và chất lượng tín hiệu trong các hệ thống truyền thông đa chặng, đặc biệt là trong trường hợp các nút trung gian có khả năng di động Nhờ vậy, những hạn chế của các hệ thống WLAN và WiMAX trước đây, bao gồm việc không hỗ trợ người dùng chuyển động, đã được khắc phục.