Một số mô hình kênh không gian và tác động của tương quan không gian trong hệ thống MIMO OFDMA

Luận án đã chỉ rõ sự liên hệ về các đặc tính tương quan của kênh truyền với chất lượng hệ thống với các hàm toán học có thể mô hình được bằng giải tích và các đại lượng phi tuyến không t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THU NGA

MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH KHÔNG GIAN VÀ TÁC ĐỘNG CỦA TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

Công trình này được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Đức

Vào hồi … giờ, ngày… tháng … năm…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

LỜI MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh nghiên cứu

Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật đa anten phát đa anten thu và ghép kênh phân chia tần số trực giao MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing), hiệu năng của hệ thống truyền thông không dây đã được tăng cường do sử dụng phương pháp phân tập tín hiệu truyền trên miền thời gian, tần số và

không gian Hệ thống đa anten phát đa anten thu đa truy nhập phân chia theo tần số trực

giao MIMO-OFDMA (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplex Access) được ứng dụng cho nhiều người dùng bằng cách phân bổ sóng mang con khác nhau nhờ việc chống fading chọn lọc tần số

2 Lí do lựa chọn đề tài

Nghiên cứu chỉ ra rằng, các vấn đề dung lượng kênh truyền hay việc xử lý tín hiệu đều do ảnh hưởng của đặc tính tương quan fading lên các kênh truyền Các mô hình kênh thống kê MIMO được phân chia theo mô hình hình học tán xạ như mô hình một vòng tròn Onering hoặc các mô hình tham số thống kê dựa trên đo đạc như mô hình kênh không gian SCM Do vậy, việc đặt ra bài toán kết hợp đánh giá chất lượng hệ thống ở lớp vật lý kết hợp với cấp phát kênh động ở lớp MAC trên các mô hình kênh có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMO-OFDMA theo các chuẩn truyền dẫn mới

là cần thiết Như vậy, luận án so sánh hai phương pháp mô hình kênh hình học và phương pháp mô hình kênh tham số đo đạc: liệu trong điều kiện và môi trường truyền dẫn nào thì hai phương pháp mô hình này có thể thay thế cho nhau Qua các khảo sát đặc tính tương quan không gian phụ thuộc vào khoảng cách anten, luận án đánh giá ảnh hưởng của nó tới chất lượng của hệ thống MIMO

3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án xây dựng mô hình kênh MIMO băng rộng phù hợp với chuẩn LTE-A dưới tác động của tương quan không gian Dựa trên mô hình kênh luận án đề xuất phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống ở lớp vật lý kết hợp cấp phát kênh động trên lớp MAC trong điều kiện kênh có sự thay đổi tương quan không gian trên hai phương pháp

mô hình kênh đã xét Để thực hiện tối ưu cách làm thông thường là mô phỏng vét cạn các trường hợp để đưa ra sự đánh giá chính xác và đáng tin Luận án đã chỉ rõ sự liên hệ

về các đặc tính tương quan của kênh truyền với chất lượng hệ thống với các hàm toán học có thể mô hình được bằng giải tích và các đại lượng phi tuyến không thể mô hình được Đây là kết quả có ý nghĩa giúp các nhà khoa học tiên lượng được kết quả của hệ thống

4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô hình kênh MIMO và ảnh hưởng của đặc tính tương quan không gian kênh truyền đến chất lượng hệ thống MIMO- OFDMA

5 Các vấn đề cần giải quyết của luận án

Luận án khảo sát và so sánh hàm tương quan không gian của hai phương pháp mô hình kênh hình học một vòng tròn và mô hình tham số đo đạc không gian SCM Điều

này dẫn tới mô hình hình học đơn giản có thể thay thế cho mô hình tham số đo đạc trong điều kiện đặc biệt và đề xuất cho các môi trường truyền dẫn cho các mô hình kênh Tiếp theo luận án đề xuất đánh giá chất lượng hệ thống MIMO khi sử dụng các phương pháp

mã khối trên các mô hình kênh có ảnh hưởng của tương quan không gian OFDM Cuối cùng, trong hệ thống có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMO-OFDMA, luận án đánh giá chất lượng hệ thống ớ lớp MAC và đề xuất tổ hợp mã hóa Các đóng góp chính của luận án có thể được tóm lược như sau:

MIMO-Đóng góp 1: So sánh và đánh giá hiệu năng và khả năng ứng dụng của phương pháp

mô hình tham số đo đạc không gian SCM và mô hình kênh hình học Onering cho hệ thống thông tin di động để đưa ra các trường hợp sử dụng mô hình Onering thay thế cho

SCM Đóng góp 2: Thông qua kết quả phân tích lý thuyết khảo sát hàm tương quan

không gian và mô phỏng hệ thống thống thông qua tỉ số lỗi ký tự SER, luận án đề xuất các bộ tham số tối ưu về khoảng cách anten phát và thu để tối ưu chất lượng hệ thống

MIMO-OFDM sử dụng các kỹ thuật mã hóa kênh Đóng góp 3: Trên cơ sở xem xét các

giải pháp mã hóa lớp vật lý, luận án xem xét tiếp tác động tương quan không gian đối

với lớp MAC của hệ thống MIMO-OFDMA cấp phát kênh động Đóng góp 4: Đề xuất

sử dụng tổ hợp SFBC-MMSE cho hệ thống đa người sử dụng MIMO-OFDMA trên các

mô hình kênh tương quan không gian

6 Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án

Vấn đề đồng bộ coi như là lí tưởng trong cả trường hợp đường lên và đường xuống Thông tin kênh truyền ở phía thu là lý tưởng Trong một cell thì ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh là không có

7 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tính toán giải tích được áp dụng để phân tích các phương trình toán học Phương pháp Monte Carlo sử dụng mô phỏng Matlab cũng được sử dụng để mô phỏng hệ thống và tìm hiệu năng của hệ thống

8 Bố cục của luận án:

Luận án gồm 4 chương: Chương 1: Phân tích đặc tính tương quan không gian và các phương pháp phỏng tạo kênh MIMO Chương 2: Đánh giá ảnh hưởng của đặc tính tương quan không gian với hệ thống MIMO-OFDM dựa trên các mô hình kênh truyền.Chương 3: Đánh giá chất lượng của thuật toán triệt nhiễu VBLAST-ZF trên các

mô hình kênh tương quan không gian MIMO-OFDMA.Chương 4: Đề xuất sử dụng tổ hợp mã hoá SFBC-MMSE dựa trên đặc tính tương quan không gian MIMO-OFDMA

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH

1.1 Biểu diễn toán học của ma trận tương quan kênh MIMO

1.2 Các phương pháp phỏng tạo kênh

1.2.1 Mô hình kênh hình học tán xạ một vòng tròn Onering

Mô hình một vòng tròn Onering là mô hình ngẫu nhiên dựa trên đặc tính hình học Các điểm tán xạ phân bố ngẫu nhiên sau đó sẽ được xếp lên vòng tròn tán xạ bán kính

Onering mở rộng hình 1.2 cho hệ thống MIMO- OFDM với chuẩn ô tô trên đường Vehicular A (EVA) - ITU trong điều kiện thông tin trạng thái kênh hoàn hảo Trong đó

chuyển bên phía MS



BS



BS n

Hình 1.2 Mô hình kênh Onering

Hàm tương quan không gian- thời gian- tần số của kênh MIMO 2 × 2 như sau:

ℒ

[ ]

(1.13)

1.2.2 Mô hình kênh tham số đo đạc không gian SCM

Mô hình không gian SCM là mô hình tham số ngẫu nhiên đo đạc Phương pháp tham

số có thể loại bỏ hoàn toàn tán xạ khỏi việc tổng hợp mô hình, khi đó các thành phần đa đường truyền không liên quan tới các điểm tán xạ nhưng lại tạo ra một miền các giá trị

tham số ngẫu nhiên Mô hình kênh không gian SCM theo chuẩn 3GPP được xây dựng cho các mô phỏng mạng thế hệ thứ ba băng thông 5 MHz trong 3 môi trường ngoại ô, đô thị lớn và đô thị nhỏ trong hình 1.5

Hình 1.5 Thông số góc của BS và MS của mô hình SCM [1]

đường con thứ m bên BS hoặc MS

Hàm tương quan không gian- thời gian-tần số của kênh MIMO 2 × 2 như sau

(1.19)

TCF (Temporal Correlation Function) là:

rộng được đưa ra như sau:

Luận án so sánh đồ thị tương quan không gian chéo mô hình SCM bên MS

bài báo của Cheng Xiang Ta có thể thấy đồ thị hàm tương quan không gian chéo bên

MS của luận án có dạng giống với đồ thị tương quan không gian của tác giả Xiang Vì vậy việc mô phỏng và đánh giá hàm tương quan không gian chéo của mô hình kênh SCM trong luận án này là có thể tin cậy được

Cheng-Hình 1.14 Hàm tương quan không

hình kênh SCM trong luận án

Hình 1.15 Hàm tương quan không gian chéo bên MS của mô hình kênh SCM khi

1.3.1.1 Đặc tính hàm tương quan không gian bên thu theo các phân bố của góc AoA 1.3.1.2 Đặc tính hàm tương quan không gian bên phát theo các phân bố của góc AoD 1.3.1.3 Hàm tương quan không gian hai chiều khi không có tín hiệu tầm nhìn thẳng 1.3.1.4 Hàm tự tương quan thời gian TCF

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Do vậy ta có thể biểu diễn hàm FCF như trong hình 1.20-1.21 ta nhận thấy hai đồ thị

tương quan tần số lớn nhất bằng 1 tại giá trị trục hoành

1.3.2 Mô hình kênh truyền có tín hiệu tầm nhìn thẳng LOS

Sự thay đổi về pha trên mỗi đường truyền tầm nhìn thẳng giữa các anten khác nhau phải tính đến mô hình fading Rician trên kênh MIMO Hàm tương quan chéo của kênh MIMO băng rộng được tính như sau:

1.4 So sánh đặc tính tương quan không gian trên mô hình kênh không gian SCM

và mô hình kênh hình học một vòng tròn Onering chuẩn LTE-A

Luận án so sánh hai mô hình Onering và mô hình SCM theo chuẩn LTE-A, với cùng điều kiện đầu vào trong trường hợp đặc biệt khi hai anten bên phát/ thu song song với nhau và vuông góc với phương ngang ta có mô hình hình học trong hình 1.35 Hàm tương quan không gian cho mô hình Onering và so sánh với công thức của mô hình SCM, công thức (1.25) cho thấy hai hàm có sự sai khác bởi các góc lệch của đường phụ

được viết như sau:

[ ]

(1.60)

x

n, AoA

MS n

đồ thị hàm tương quan có điểm tối ưu khoảng 11λ Bảng 1.5 là các thông số đầu vào của hai mô hình kênh

Bảng 1.5 Thông số khi so sánh hai mô hình theo chuẩn LTE-A

Hình 1.36 Hàm tương quan không gian

Hình 1.37 Hàm tương quan không gian

Hình 1.38 Hàm tương quan không gian

Hình 1.39 Hàm tương quan không gian

sánh hai mô hình hình học như trong hình 1.40

MS



MS n



AoA m

n ,,



AoD m

AoA m

n ,,



AoD m

So sánh với hàm tương quan không gian chéo của SCM, ta thấy hai hàm có sự sai

và góc lệch của anten

b Khi anten bên BS và MS nghiêng 30o so với phương ngang

Đồ thị hình 1.45-1.46, hình 1.51 -1.52, hình 1.57 -1.58 là đồ thị các hàm tương

tương quan ít có sự thay đổi đáng kể và các điểm tối ưu về khoảng cách anten

Ta có thể thấy việc các anten bên phía trạm phát BS di chuyển ảnh hưởng lớn đến các hàm tương quan, do vậy ảnh hưởng tới hiệu năng của hệ thống Bảng 1.7 so sánh các tham số góc đầu vào của hai mô hình Mô hình không gian SCM có hơn hai bậc tự do so với mô hình Onering Như vậy, với các điều kiện đầu giống nhau thì các hàm tương quan không gian bên phát và bên thu của hai mô hình SCM và một vòng tròn tương đối giống nhau Bảng 1.8 phân tích khả năng ứng dụng của hai mô hình trong những môi trường của 3GPP (Y: có sử dụng - N: không sử dụng)

Hình 1.57 Tương quan BS Hình 1.58 Tương quan MS

Bảng 1.7 Bảng các bộ tham số góc đầu vào khi so sánh hai mô hình

Chuẩn LTE-A (EVA) Băng thông 5MHz Băng thông 5MHz

Bên BS:

Bên MS:

Cụm tán xạ Cụm tán xạ gồm có

nhiều đường truyền

Gồm N đường truyền chính, mỗi đường truyền chính có M đường

truyền phụ Điểm tán xạ 80 điểm tán xạ trên vòng

tròn bán kính R, ngẫu nhiên điểm tán xạ phân bố

Bảng 1.8 Phạm vi sử dụng của hai phương pháp mô hình kênh

SCM-NLOS

LOS

SCM-NLOS

1.5 Kết luận chương

Mô hình SCM là trường hợp tổng quát so với mô hình Onering Với mô hình Onering khi R , ta có thể bớt được hai tham số, không phải thực hiện đo nhưng đổi lại là hàm tương quan không còn chính xác trong một số điều kiện truyền dẫn và phải thay thế bởi mô hình hình học khác Với mô hình không gian SCM, do phải đo trên thực

tế nên các hàm tương quan không gian có được là chính xác trong môi trường đã đo tuy nhiên mô hình lại không thể mở rộng cho tất cả các môi trường còn lại Các kết quả phân tích và so sánh hai loại mô hình này theo hiểu biết của NCS là chưa được thực hiện

ở bất kỳ nghiên cứu nào trên thế giới Điều này giúp các nhà khoa học lựa chọn phương pháp mô hình kênh phù hợp cho từng trường hợp môi trường truyền dẫn

Kết luận 1:Các kết quả mô phỏng của hai phương pháp mô hình kênh cho ta những bộ

tham số tối ưu bên phía thiết bị di động MS và phía trạm gốc BS lần lượt như

Kết luận 2: Khi so sánh với cùng điều kiện đầu thì đặc tính tương quan của hai mô hình

là gần giống nhau, đặc biệt là trong trường hợp dàn hai anten trạm gốc là vuông góc đường nối tâm hai hệ anten Vì vậy trong trường hợp này thì luận án đề xuất sử dụng mô hình Onering vì tính chất đơn giản của nó Khi các anten bên phía trạm gốc dịch chuyển thì các hàm tương quan thay đổi, khi đó luận án đề xuất sử dụng mô hình SCM vì tính chất gần thực tế do sử dụng nhiều bộ tham số

Kết luận 3: Khi hai mô hình có các điều kiện đầu vào khác nhau thì tương quan không

gian hai mô hình sẽ khác nhau, việc chọn lựa các mô hình phù hợp sẽ theo các phân tích

về ưu nhược điểm của từng mô hình

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN

KHÔNG GIAN VỚI HỆ THỐNG MIMO-OFDM DỰA TRÊN CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN

2.1 Hệ thống MIMO - OFDM cho kênh đường xuống LTE-A

Hệ thống MIMO -OFDM 2 anten phát 2 anten thu cho kênh đường xuống LTE như hình 2.1 với các khối bên phát và bên thu

Ký hiệu dữ liệu bên phát được tách nhiễu bằng bộ cân bằng ép không (ZF) với ma trận giả nghịch đảo của ma trận hệ số kênh truyền Kí tự thu được sẽ được tái tạo bởi bộ cân bằng ZF trong [25]:

Bộ điều 64-QAM

Bộ giải điều chế 64-QAM

Bộ mã khối STBC/

SFBC

Bộ giải

mã khối STBC/

Giải mã MIMO

3 2

1X X X

, , 2 3

2.2 Các kỹ thuật mã hóa và xử lý tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM

2.2.1 Mã khối không gian thời gian (STBC)

2.2.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian thời gian VBLAST

2.2.3 Mã khối không gian tần số (SFBC)

2.3 Ảnh hưởng của tương quan không gian lên chất lượng hệ thống MIMO-OFDM

2.3.1 Mô hình kênh không gian khi không có tín hiệu tầm nhìn thẳng NLOS

2.3.1.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ cân bằng ZF

2.3.1.2 Kết quả mô phỏng khi bộ cân bằng MMSE

2.3.2 Mô hình kênh không gian SCM khi có tín hiệu tầm nhìn thẳng LOS

Ảnh hưởng của tương quan không gian là không rõ ràng đối với hệ thống sử dụng

mã không gian - tần số - thời gian kết hợp với các bộ cân bằng kênh do đường truyền trực tiếp chiếm công suất lớn trên quỹ công suất tổng Khi tăng khoảng cách anten bên

BS hiệu năng của hệ giảm không đáng kể

2.3.3 Mô hình kênh hình học một vòng tròn Onering- NLOS

Hình 2.8 và 2.17 là kết quả đánh giá hiệu năng hệ thống khi sử dụng các kỹ thuật mã hóa

và xử lý tín hiệu kết hợp bộ cân bằng ZF và MMSE trên mô hình kênh SCM, hình 2.31

và 2.32 là kết quả đánh giá hiệu năng hệ thống trên mô hình kênh một vòng tròn Onering

Khi sử dụng SFBC, STBC và VBLAST, ta nhận thấy hệ thống bị ảnh hưởng bởi tương quan không gian, tuy nhiên mã SFBC đạt được hiệu năng tốt nhất Điều này có thể giải thích được về mặt định tính là mã SFBC khai thác hiệu ứng phân tập tần số trên tất cả các sóng mang, trong khi đó mã STBC chỉ có thể khai thác tính phân tập thời gian

mã hóa SFBC ít chịu ảnh hưởng của tương quan không gian nhất trong số các kỹ thuật

mã hóa và xử lý tín hiệu