Điện tử viễn thông chapter 4 DRT NVD khotailieu

Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến Chương KÊNH VÔ TUYẾN VÀ DUNG LƯỢNG KÊNH VÔ TUYẾN 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG Các chủ đề xét chương √ Các khái niệm kênh vô tuyến, tham số đặc trưng kênh vơ tuyến √ Các mơ hình kênh vơ tuyến, mơ kênh vô tuyến √ Dung lượng kênh, phương pháp nâng cao dung lượng kênh vô tuyến √ Tài nguyên vô tuyến, phân bổ tài nguyên vô tuyến √ Phân bổ tài ngun vơ tuyến điển hình Mục đích chương √ Hiểu khái niệm về: kênh vô tuyến di động, tham số đặc trưng kênh vô tuyến, tài nguyên vô tuyến phương pháp phân bổ tài ngun vơ tuyến điển hình √ Hiểu mơ hình kênh truyền sóng, hàm kênh truyền sóng, mơ hình hệ thống, mơ kênh vơ tuyến √ Hiểu dung lượng mơ hình kênh vơ tuyến, phương pháp nâng cao dung lượng kênh vô tuyến điển hình √ Hiểu tài ngun vơ tuyến phân bổ tài ngun vơ tuyến điển hình 4.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Kênh vơ tuyến đặc tính kênh vơ tuyến Các nhân tố làm hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến là: (1) Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách, thường khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách; (2) Che chắn: Các vật cản trạm gốc máy di động làm suy giảm thêm tin hiệu; (3) Phađinh đa đường phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ tán xạ làm méo tín hiệu thu dạng trải rộng chúng theo thời gian Tùy vào băng thông hệ thống, yếu tố dẫn đến làm thay đổi nhanh cường độ tín hiệu gây nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference); (4) Nhiễu: Các máy phát khác sử dụng tần số hay tần số lân cận gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi nhiễu coi tạp âm bổ sung Thường phân kênh vô tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" "phađinh phạm vi hẹp" Các mơ hình truyền sóng truyền thống đánh giá cơng suất trung bình thu khoảng cách cho trước so với máy phát Đối với khoảng cách lớn (vài km), mơ hình truyền sóng phạm vi rộng sử dụng Phađinh phạm vi hẹp mô tả thăng giáng nhanh sóng vơ tuyến theo biên độ, pha trễ đa đường khoảng thời gian ngắn hay cự ly di chuyển ngắn Phađinh trường hợp gây truyền sóng đa đường Các kênh vơ tuyến kênh có tính ngẫu nhiên, thay đổi từ đường truyền thẳng đến đường bị che chắn nghiêm trọng vị trí khác Ở dạng tổng quát kênh hàm ba tham số: thời gian, không gian tần số Trên sở đặc tính miền thời gian, khơng gian tần số, ta phân loại phađinh kênh thành: phađinh chọn lọc không gian (phađinh phân tập không gian), phađinh chọn lọc tần số (phađinh phân tập tần số), phađinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ) -105- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vơ tuyến Tín hiệu máy thu gồm thành phần từ: (1) đường truyền trực tiếp; (2) đường phản xạ, tán xạ nhiễu xạ Các tín hiệu có trải trễ, suy hao, phân cực độ ổn định khác so với tín hiệu đường trực tiếp; (3) trải tần Doppler làm cho nở phổ tần tín hiệu phát mãy thu Phân bố Rayleigh Rice hai phân bố thường sử dụng để mô tả môi trường truyền sóng NLOS, NLOS kết hợp LOS Phụ lục A6 A7 chi tiết hóa cho hai phân bố Tài nguyên vô tuyến phân bổ tài nguyên vô tuyến Do đặc điểm truyền thông không dây là: Tài nguyên vốn có bị hạn chế; chất lượng bị ảnh hưởng nghiêm trọng phađinh ngẫu nhiên từ địa hình, thời tiết, đặc biệt với tín hiệu băng rộng, nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày gia tăng yêu cầu tính đa dạng, chất lượng dịch vụ ngày cao Vì vậy, vấn đề khám phá tài nguyên, sử dụng hiệu tài nguyên đảm bảo chất lượng truyền chủ đề quan tâm nghiên cứu triển khai Từ lịch sử phát triển cho thấy chúng giải giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, kết hợp chúng, khai thác triệt để tài nguyên thời gian, tần số, không gian, mã Vấn đề giải hiểu việc khám phá tài nguyên vốn có (tập tham số đặc trưng, tính chất, nhược điểm hạn chế mơi trường truyền), từ đề xuất giải pháp để khắc phục đối phó nhược điểm, đưa công nghệ, giải pháp kỹ thuật để sử dụng hiệu tài nguyên Các chế, công nghệ thích ứng, phân bổ (cấp phát) tài nguyên động, chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR, vô tuyến khả tri minh họa điển hình cho vấn đề Chẳng hạn dựa vào đặc tính kênh miền xét, đề xuất giải pháp cơng nghệ điển hình như: Điều chế QAM thích ứng (AQAM); Mã hóa kênh thích ứng; Cân kênh thích ứng; CDMA thích ứng; Chia mã động; Anten thích ứng; MIMO thích ứng; Phân bổ tài nguyên thích ứng hệ thống OFDM (trên sở đặc tính kênh miền tần số, phân chia tài nguyên phổ tần môi trường truyền đưa giải thuật cấp phát kênh phân bổ công suất cho người dùng); Tạo búp sóng; Ghép kênh khơng gian Thích ứng cho phép sử dụng hiệu tài nguyên (tăng dung lượng) hệ thống đảm bảo chất lượng BER việc dung hòa tham số đối lập hệ thống Trong phạm vi định, thích ứng hiểu thay đổi tham số đặc trưng hệ thống theo kịch kênh truyền cho đạt hiệu tốt Các hệ thống đạt hiệu tốt hay hiệu sử dụng tài nguyên tốt khắc phụ nhược điểm vốn có mơi trường truyền thơng Vì cách sơ thấy rằng, hệ thống thơng minh phải có tính thích ứng cao, xu hướng tất yếu hệ thống truyền tin hiệu đại, khẳng định hội tụ công nghệ phần cứng phần mềm, hội tụ tinh túy giải pháp kỹ thuật Như vậy, từ lịch sử phát triển xu tất yếu hệ thống truyền thông hệ sử dụng hiệu tài nguyên, đặc biệt thông tin vô tuyến, giải pháp nhằm tăng dung lượng truyền dẫn đảm bảo chất lượng, toán đảm bảo tính cơng mềm dẻo việc phân bổ tài ngun, tốn phân bổ tài ngun thích ứng mạng viễn thông nhân tố ảnh hưởng lên vấn đề phân bổ tài nguyên Sự hội tụ tích hợp giải pháp kỹ thuật tiên tiến, tính khả thi nhờ công nghệ FPGA Hai kỹ thuật OFDM MIMO coi kỹ thuật chủ đạo cho hệ thống vô tuyến hệ sau WIMAX 4G,WLAN… -106- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vơ tuyến 4.3 KÊNH VƠ TUYẾN VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH VƠ TUYẾN 4.3.1 Đáp ứng xung kim kênh (CIR) CIR tín hiệu đầu kênh đưa vào kênh hàm delta δ(t) hình 4.1 δ(t)e j2 πfc t δ(t) h '(t, τ) = h(t, τ)e j2 πf c t Hình 4.1 Đáp ứng xung kim kênh a) CIR băng thông, (b) CIR băng gốc Trong t − τ thời điểm xuất xung kim đầu vào kênh, t thời điểm quan trắc đáp ứng xung kim đầu kênh 4.3.2 Mơ hình kênh vơ tuyến di động đa đường Để mô tả kênh vô tuyến di động đa đường ta sử dụng mơ hình elip Parsons Bajwa (hình 4.2) Tất elip đồng tiêu cự, nghĩa chúng có tiêu điểm Tx Rx, trùng với vị trí máy phát (Tx) máy thu (Rx) B τ3 A τ2 τ1 Tx τ0 Rx C Hình 4.2 Mơ hình kênh vơ tuyến đa đường theo mơ hình elip Parsons Bajwa Độ dài đường truyền sóng xác định trễ truyền sóng cơng suất trung bình sóng anten thu Mỗi sóng vùng tán xạ đặc trưng hình elip thứ ℓ chịu trễ truyền sóng τℓ = τ0 + ℓ∆τ, ℓ = 0,1, , L − (4.1) τ0 trễ truyền sóng thành phần thẳng (LOS), ∆τ trễ truyền sóng Lℓ số đường truyền khả phân giải có trễ truyền sóng khác Để tiện, thường đặt τ0 =0 τℓ gọi trễ trội -107- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vơ tuyến 4.3.3 Mơ hình kênh vô tuyến di động phạm vi hẹp miền thời gian Mơ hình kênh vơ tuyến di động băng hẹp miền thời gian Ta liên hệ q trình thay đổi tín hiệu vơ tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim kênh vô tuyến di động Nếu x(t) biểu diễn tín hiệu phát, y(t) biểu diễn tín hiệu thu h(t,τ) biểu diễn đáp ứng xung kim kênh vô tuyến đa đường thay đổi theo thời gian, ta biểu diễn tín hiệu thu tích chập tín hiệu phát với đáp ứng xung kim kênh sau: ∞ ∫ x(t - τ)h(t, τ)dτ = x(t) ⊗ h(t, τ) , y(t) = (4.2) -∞ t biến thời gian, τ trễ đa đường kênh giá trị t cố định Ta biểu diễn hàm đáp ứng xung kim kênh băng gốc sau: h( τ, t) = L −1 ∑ βℓ (t, τ)e iψ ℓ (t, τ ) ℓ=0 δ ( τ − τℓ (t) ) , (4.3a) hay h( τ, t) = L −1 ∑ βℓ ( t, τℓ (t) ) e iψ ℓ ( t, τℓ (t) ) (4.3b) ℓ=0 βℓ (t,τ), ψℓ (t,τ), τℓ (t) biểu thị cho biên độ, pha trễ xung thu thứ ℓ (đường truyền ℓ); τ biểu thị cho trễ, t biểu thị cho thay đổi theo thời gian cấu trúc xung kim δ(.) biểu thị cho hàm Delta Dirac, L biểu thị cho số đường truyền Thơng thường trễ tia (đường truyền ngắn nhất) xác định τ0=0, τℓ>0 gọi trễ trội đáp ứng xung kim kênh có tính nhân βℓ(t,τℓ) = a ℓ µ1 ( t, τℓ (t) ) + µ ( t, τℓ (t) ) ; a ℓ biên độ tương đối đường truyền ℓ 2 Dựa phân tích trên, lập mơ hình kênh vô tuyến phađinh di động chọn lọc tần số đường trễ đa nhánh hình 4.3 x(t) τ0 = β0 ∆τ τ1 = ∆τ β1 θ0 ∆τ ∆τ τ L−2 = ( L − 2)∆τ τ L−1 = (L −1)∆τ β L−1 βL−2 θ1 θL−2 θL−1 ∑ ∑ ∑ Hình 4.3 Mơ hình hóa kênh vơ tuyến di động trễ đa nhánh Hình 4.4 mơ tả đáp ứng xung kim theo phương trình (4.3) -108- y(t) Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến β0 ( t ) β0 ( t ) β0 ( t ) β0 (t1 ) β0 ( t ) β1 (t ) β1 (t3 ) β1 (t ) β1 (t1 ) β1 (t ) τ0 τ2 τ(t ) βL −1 (t ) τ(t ) τ L−1 τℓ τ3 τ(t ) βL −1 (t1 ) βℓ ( t ) β3 (t ) τ(t ) βL −1 (t ) βℓ ( t ) βℓ (t1 ) τ(t ) βL −1 (t3 ) βℓ ( t ) β3 (t ) β3 (t1 ) β2 (t1 ) βL −1 (t ) β( t ) β3 (t ) β2 (t ) β3 (t3 ) β2 ( t ) β2 ( t ) τ1 β2 ( t ) h(τ , t ) τ2 τ1 τ3 τ4 τ5 τ (t1 ) τ (t2 ) τ (t3 ) τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ Hình 4.4 Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian lý lịch trễ đa đường Lưu ý môi trường thực tế, βℓ (t, τ); ψ ℓ (t, τ); τℓ (t) thay đổi theo thời gian Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng λ), βℓ (t, τ); τℓ (t) coi thay đổi Tuy nhiên pha ψ ℓ (t, τ) thay đổi ngẫu nhiên có phân bố khoảng [-π π] Các tham số đặc trưng kênh miền thời gian Tất tham số kênh được định nghĩa từ lý lịch trễ công suất (PDP: Power Delay Profile) PDP định nghĩa h(t ,τ ) Từ (4.2) PDP xác định sau: PDP( τ) = L −1 ∑ βℓ (t, τ)δ(τ − τℓ ) (4.4) ℓ =0 2 Trong công thức để đơn giản ta ký hiệu βℓ cho βℓ (t, τ) -109- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến Các tham số kênh miền thời gian liệt kê đây: Cơng suất thu (chuẩn hóa) tổng công suất đường: p0 = L −1 ∑ βℓ (4.5) ℓ =0 Thừa số Rice tỷ số công suất đường truyền vượt trội công suất tia tán xạ, xác định sau: K= βℓ ,max p − β ℓ ,max , ®ã β ℓ ,max = max{β ℓ } (4.6) ℓ Lưu ý có tia thẳng, tia vượt trội tia tia thẳng, tương ứng với ρ =0, βℓ,max= β0 τ0=0 Trễ trội trung bình xác định sau: ∑ β( τ ℓ ) τ ℓ τ= ℓ (4.7) ∑ β( τℓ ) ℓ Trải trễ trung bình quân phương (RDS:Root Mean Squared Delay Spread), στ, mơment bậc hai PDP chuẩn hóa, biểu diễn sau: 2 L −1 m στ = τ − τ (4.8) m τ = ∑ τℓ βℓ / p , m=1,2 ℓ=0 Vì pha tia khơng nữa, tham số kênh phải không đổi phạm vi hẹp, với điều kiện đường truyền hoàn toàn phân giải Trễ trội cực đại (tại XdB) lý lịch trễ công suất: định nghĩa trễ thời gian mà lượng đa đường giảm XdB so với lượng cực đại Thời gian quán (coherence time) xác định sau: TC ≈ (4.9) fd f d = ν ν = f c trải tần số Doppler λ c Thời gian quán Tc xác định tính "tĩnh" kênh, thời gian mà kênh tương quan mạnh Các ký hiệu truyền qua kênh khoảng thời gian quán chịu ảnh hưởng phađinh Vì ta nhận kênh phađinh chậm Các ký hiệu truyền qua kênh bên thời gian quán bị ảnh hưởng phađinh khác Khi ta kênh phađinh nhanh Như ảnh hưởng phađinh nhanh, số phần ký hiệu chịu tác động phađinh lớn phần khác Bằng cách ấn -110- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến định giá trị cho tham số định cho hệ thống truyền dẫn, ta nhận kênh phađinh chậm thay kênh phađinh nhanh nhờ đạt hiệu tốt Rõ ràng biên độ, pha trễ trội tất xung thu tạo nên mơ hình kênh miền thời gian Ta rút quy luật phân bố sau cho biên, pha mơ hình lý lịch trễ cơng suất cho kênh: Các pha đường truyền độc lập tương hỗ (khơng tương quan) có phân bố khoảng [-π, π] Nếu coi: (i) tất đường truyền tạo từ trình thống kê; (ii) trình tạo đường truyền trình dừng nghĩa rộng so với biến t, biên độ đường truyền tán xạ (NLOS) tuân theo phân bố Rayleigh pdf biên độ tất đường truyền (gồm LOS) tn theo phân bố Rice 4.3.4 Mơ hình kênh miền tần số Phổ công suất trễ (DPS) Sự thay đổi trễ τ đẫn đến thay đổi tần số (ta ký hiệu tần số f') Hàm truyền đạt tương ứng với trường hợp gọi hàm truyền đạt theo thời gian hay phổ công suất trễ (DPS: Delay Power Spectrum) biến đổi fourier lên đáp ứng xung kim kênh theo τ Theo đó, DPS xác định sau: h(f ', t) = ∞ ∫ h(τ, t)e − j2 πf ' τ dτ −∞ L-1 = ∑ βℓ ( t, τℓ (t) ) e jψ ℓ (t, τℓ (t)) - j[2 πf ' τℓ (t)] e ℓ=0 L-1 = ∑ a ℓ µ ℓ ( t, τℓ (t) ) e − j[2 πf ' τℓ (t)] ℓ=0 L-1 = ∑ h ( τℓ (t), t )e − j[2 πf ' τℓ (t)] (4.10) ℓ=0 h( τ, t) = L −1 ∑ βℓ (t, τ)e iψ ℓ (t ) δ ( τ − τℓ (t) ) mô tả đáp ứng kênh xung kim miền thời ℓ=0 gian Tùy thuộc vào đặc tính DPS, kênh vơ tuyến phân thành kênh pha đinh phẳng phađinh chọn lọn tần số Kênh phađinh "phẳng" kênh tất thành phần phổ truyền qua với khuyếch đại pha tuyến tính, hay nói cách khác DPS có đặc tuyến biên phẳng đặc tuyến pha tuyến tính Kênh pha đinh chọn lọc có đặc tính ngược lại Các tham số đặc trưng kênh miền tần số Băng thông quán BC: Khi hàm tương quan tần số lớn 0,90, băng thông qn có quan hệ với trải trễ trung bình qn phương sau: BC ≈ 50σ τ , (4.11) Một đánh giá gần Bc thường sử dụng độ rộng băng với tương quan 0,5 là: -111- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến Bc = 5σ τ (4.12) Trải Doppler fd: Quan hệ trải doppler thời gian quán xác định theo (4.9) 4.3.5 Phân loại pha đinh phạm vi hẹp Tùy vào quan hệ tham số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,…) tham số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler, …), ta phân loại phađinh phạm vi hẹp dựa hai đặc tính: trải trễ đa đường phađinh chọn lọc tần số Bảng 4.1 Phân loại phađinh phạm vi hẹp Cơ sở phân loại Trải trễ đa đường Trải Doppler Loại Phađinh Điều kiện Phađinh phẳng Bnr D gồm ma trận đường chéo nr×nr sau nt-nr cột khơng Nếu nt1)  C1,n r hay   SNR i ↓ n t ↑   hay  C n ,n  n r ↑  ⇒ R C _ n t ,n r = t r ↑ (R C _ n t ,n r >1)  C1,n r hay   SNR i ↑ nt: số anten phát; nr: số anten thu; Cn t ,n r : dung lượng trung bình hệ thống nt×nr MIMO; C1,n r : dung lượng trung bình hệ thống 1×nr SIMO; SNRi: SISO SNR đầu vào SNR dung lượng MIMO Độ lợi SNR dung lượng MIMO nghiên cứu nhiều cơng trình Các bảng 4.2 4.3 tổng kết kết nghiên cứu 4.5 PHÂN BỔ TÀI NGUN VƠ TUYẾN ĐIỂN HÌNH Điều chế đa sóng mang OFDM Điều chế đa sóng mang MCM tận dụng hiệu băng tần để truyền dẫn tốc độ cao hệ thống thông tin vô tuyến hữu tuyến Do yêu cầu tốc độ liệu ngày cao, nên độ rộng băng tần truyền dẫn tăng đáng kể Vì vậy, kênh vơ tuyến thể đặc tính đa đường miền thời gian hay tính cách chọn lọc miền tần số, nghĩa tốc độ liệu truyền kênh vô tuyến tăng lên kênh vơ tuyến trở nên có tính chất chọn lọc tần số Việc truyền dẫn thành công qua kênh chọn lọc tần số phức tạp -120- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến so với kênh phẳng băng hẹp, lẽ nhiễu ký hiệu ISI làm giảm hiệu hệ thống Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến như: kỹ thuật cân kênh, v.v để đối phó phân tán kênh Do MCM thực chia toàn băng tần thành nhiều kênh song song (đồng thời) Một số lượng kênh đủ lớn, đáp ứng tần số kênh gần phẳng, điều thấy hình 4.10 Nhờ đó, việc thực cân giải pháp kỹ thuật khác cho kênh dễ dàng nhiều Vì vậy, ưu điểm chất MCM OFDM chuyển kênh pha đinh chọn lọc tần số thành kênh pha đinh phẳng Hình 4.10 minh họa khái niệm kênh pha đinh chọn lọc tần số, kênh pha đinh phẳng, kênh băng rộng, kênh băng hẹp, khối chức phát/thu OFDM điển hình OFDMA phân tập đa người dùng Một số hệ thống vô tuyến đa người dùng trước dùng OFDM làm sơ đồ điều chế IEEE 802.11a/g IEEE 802.16-2004 OFDM-PHY, thời điểm người dùng gán tồn sóng mang dùng TDMA & FDMA để hỗ trợ nhiều người dùng Khiếm khuyết sơ đồ đa truy nhập tĩnh không khai thác phân tập đa người dùng, nghĩa không tận dụng thực tế người dùng khác nhìn nhận kênh vơ tuyến cách khác Đây lý dẫn đến phát triển OFDMA, cho phép nhiều người dùng truyền đồng thời sóng mang khác ký hiệu OFDM Vì khả người dùng chịu độ sâu pha đinh sóng mang thấp, nên dùng chế phân bổ thơng minh để đảm bảo sóng mang gán cho người dùng có trạng thái kênh “tốt” Hình 4.10 Sơ đồ khối máy phát/ thu OFDM Hình 4.11a minh họa ý tưởng hệ thống OFDMA có M người dùng độ lợi kênh họ khác Một BS biết trạng thái kênh MS, phân bổ tài ngun cách thơng minh để tối đa hiệu hệ thống Hình 4.11b minh họa sơ đồ khối hệ thống OFDMA đơn giản điển hình Tại máy phát trạm gốc, bit số M người dùng bm phân bổ cho K sóng mang con, sóng mang thứ k (1≤k≤ K) người dùng thứ m (1≤ m≤ M) gán công suất pm(k) Các bit người dùng điều chế L-QAM, Xk, sau dùng IFFT kết hợp thành ký hiệu OFDM Được truyền qua -121- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến kênh chọn lọc tần số thay đổi theo thời gian, người dùng phải chựu kênh độc lập Thông tin trạng thái kênh CSI từ người dùng thông qua kênh hồi tiếp trở lại BS, BS dựa vào để phân bổ tài ngun, máy phát thích ứng theo điều kiện kênh thay đổi theo thời gian cố gắng chiếm dụng tài nguyên khả dụng cách hiệu Phân bổ tài nguyên OFDMA Do tài nguyên khả dụng (độ rộng băng tần, công suất) trạm gốc bị hạn chế, nên việc phân bổ thông minh tài nguyên cho người dùng vấn đề then chốt để đáp ứng QoS tốt cho khách hàng với mức chi phí thấp Nó đặc biệt quan trọng tốc độ số liệu cao hình thành chuẩn khơng dây hệ sau dùng OFDMA Hình 4.11 Minh họa: (a) Phân bổ tài nguyên OFDMA cho M người dùng; (b) Sơ đồ khối hệ thống OFDMA gồm K-sóng mang cho M người dùng Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống OFDM đa người dùng điển hình cho hình 4.12 Tại trạm gốc BS, thông tin trạng thái kênh CSI từ tất người dùng di động gửi đến thuận tốn phân bổ cơng suất cấp phát kênh thông qua kênh hồi tiếp Trên sở thông tin trạng thái kênh CSI, giải thuật điểu khiển máy phát OFDM tiến hành phân bổ tài nguyên Máy phát OFDM chọn bit người dùng để tạo thành ký hiệu OFDM Phân bổ tài nguyên cập nhật kịp thời theo kịch kênh truyền Ta coi: (i) thơng tin trạng thái kênh CSI xác khả dụng BS xét bối cảnh kênh quảng bá; (ii) thông tin phân bổ bit kênh gửi đến người dùng kênh riêng; (iii) toàn K người dùng chia sẻ N kênh với buộc công suất phát tổng Ptotal -122- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vơ tuyến Mục đích tối ưu hóa việc phân bổ cơng suất cấp phát kênh để đạt dung lượng tổng tối đa đảm bảo chất lượng BER điều kiện ràng buộc công suất Ta dùng dung lượng tổng đánh trọng số đồng làm hàm mục tiêu, đưa tính cơng cân xứng vào hệ thống cách xét đến tập buộc phi tuyến Lợi ích việc đưa tính cơng cân xứng vào hệ thống nhằm kiểm soát tỉ lệ dung lượng người dùng, đảm bảo cho người dùng có khả đáp ứng tốc độ liệu chiến lược họ điều kiện công suất phát tổng khả dụng phù hợp Người dùng Người dùng K Người dùng K Phân bổ kênh bit Thông tin kênh Kênh bit thông tin Độ lợi kênh Thông tin trạng thái kênh Cơng suất Phân bổ cơng suất sóng mang Sóng mang Người dùng Sóng mang Người dùng K Ký hiệu OFDM đa người dùng Hình 4.12 Mơ hình hệ thống OFDM đa người dùng điển hình Ở dạng tốn học, tốn cơng thức hóa sau: K max p k ,n , ρ k ,n N ∑∑ k =1 n =1   p h2 log  + k , n k , n B N  N0  N  ρ k ,n K với ràng buộc: N ∑∑ p k =1 n =1 k ,n       ≤ Ptotal pk , n ≥ với k,n ρ k , n = {0,1} với k,n K ∑ρ k =1 k ,n = với n R1 : R2 : : RK = γ : γ : : γ K -123- (4.36) Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vơ tuyến K tổng số người dùng, N tổng số kênh con, N0 mật độ phổ công suất kênh AWGN, B độ rộng băng tần khả dụng tổng, Ptotal công suất tổng khả dụng, pk ,n công suất phân bổ cho người dùng k kênh n, hk ,n độ lợi kênh người dùng k kênh n, ρ k ,n = {0,1} xác định kênh n có dùng người dùng k hay không Ràng buộc thứ thể rằng, kênh chiếm dụng người dùng Dung lượng người dùng k xác định N Rk = ∑ n =1    pk ,n hk2,n   log 1 + B  N  N0   N   ρ k ,n (4.37) K {γ }i =1 tập giá trị tiền định để đảm bảo tính cơng cân xứng người dùng Chỉ số công định nghĩa  K  ∑γk  F =  k =1K  K ∑ γ k2 (4.38) k =1 có giá trị lớn (trường hợp công nhất), người dùng đạt tốc độ liệu Khi thành phần γ i nhau, hàm mục tiêu (4.36) tương đương với hàm mục tiêu toán max-min, lẽ việc làm tối đa dung lượng tổng làm cho Rk tương đương với việc làm tối đa dung lượng người dùng có kênh xấu Vì vậy, phương pháp max-min trường hợp cụ thể tốn cơng buộc Phân bổ kênh công suất tối ưu Ở dạng tổng quát, khó thực tốn tối ưu (4.36), lẽ bao gồm hai loại biến số (biến liên lục pk ,n biến nhị phân ρ k ,n ) Hơn nữa, ràng buộc (4.36) làm tăng mức độ khó khăn tìm nghiệm tối ưu Trong hệ thống K người dùng N kênh con, tồn K N cấp phát kênh (mỗi kênh chiếm dụng người dùng) Để cấp phát kênh đích xác, phân bố công suất tối ưu dùng nhằm tối đa dung lượng tổng trì tính cơng cân xứng Dưới ta đề cập tốn phân bố cơng suất tối ưu Dung lượng tối đa toàn K N kênh tối đa tồn bộ, phương pháp phân bố cơng suất cấp phát kênh coi phương pháp phân bổ tài nguyên tối ưu Tuy nhiên, khó mà tìm tối ưu tồn với mức độ phức tạp tính tốn phù hợp Nhằm giảm khối lượng tính tốn tỏ hiệu tiến tới hiệu tối ưu toàn bộ, giải thuật cận tối ưu xét Các giải pháp thực toán tối ưu (4.36) trước xem nhẹ tính ràng buộc, kênh chiếm dụng người dùng Vì vậy, ρ k ,n hiểu hệ số chia sẻ tài nguyên người dùng k kênh n, nhận giá trị thuộc khoảng (0,1] Tối ưu hóa (4.36) chuyển thành -124- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến K N − ∑∑ pk ,n , ρ k ,n   pk ,n hk2,n log  + N  ρ k ,n N B N  ρ k ,n k =1 n =1 K với ràng buộc: N ∑∑ p k =1 n =1 k ,n      (4.39) ≤ Ptotal pk , n ≥ với k,n ρ k , n ∈ (0,1] với k,n K ∑ρ k =1 k ,n = với n R1 : R2 : : RK = γ : γ : : γ K Nghĩa là, toán tối đa hóa ban đầu chuyển thành tốn tối thiểu hóa Ràng buộc thứ (4.39) ρ k ,n phải khác khơng, khơng hàm mục tiêu khơng xác định Tuy nhiên, ρ k ,n có giá trị gần đến 0, ρk ,n  p h2 log 1 + k ,n k ,nB N  ρ k ,n N N   tiến đến  Thuộc tính mong muốn hàm mục tiêu (4.39) lồi lên tập xác định hai ràng buộc Tuy nhiên, ràng buộc công phi tuyến dẫn đến thiết lập tính khơng lồi lên Tổng quát, toán tối ưu hoá cần phải tuyến tính hóa ràng buộc phi tuyến Thủ tục tuyến tính hóa dẫn đến nghiệm khơng khả thi ràng buộc phi tuyến Hơn nữa, q phức tạp để tìm nghiệm tối ưu Giải pháp cận tối ưu xét phụ lục 4C 4.6 TỔNG KẾT Chương ta xét tổng quan sơ đồ MIMO phân tập không gian, phân tập không gian thời gian ghép kênh không gian nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống thơng tin di động hệ Nói chung hệ thống thông tin di động sử dụng sơ đồ MIMO cho hiệu tốt với số anten giảm mức độ phức tạp giá thành Chương xét phương pháp thành lập mơ hình hệ thống MIMO sở phân chia giá trị đơn (SVD: singular value decomposition) kênh MIMO Phương pháp xây dựng kênh MIMO sở SVD cho phép ta dễ ràng đánh giá tổng quát ưu điểm MIMO mặt hiệu Dựa phương pháp phân tích SVD, cho phép xây dựng mơ hình kênh OFDM MIMO CDMA MIMO Đặc biệt, ta xét hiệu hệ thống MIMO, phân tích định nghĩa bản, cấu trúc đặc tính sơ đồ MIMO Ta mô tả sơ đồ MIMO khác xét mơ để tính tốn độ lợi cho sơ đồ MIMO khác theo dung lượng SNR Ta so sánh tham số nói với sơ đồ MIMO Ta xét ảnh hưởng LOS Để hiểu rõ độ lợi MIMO, ta xét tham số độ lợi thừa số K Ta phân tích chi tiết độ lợi sơ đồ MIMO so với sơ đồ SISO SIMO Các kết lý thuyết xét chương dùng để viết chương trình mơ cho phần tập Trong chương này, ta xét chế phân bổ tài nguyên cho hệ thống OFDM đa người dùng để đến ràng buộc tốc độ cân xứng khả biến Với ràng buộc tỉ lệ K {γ k }k =1 khác nhằm đảm bảo công tốc độ người dùng Thuật ngữ "khả biến" coi nhân tố để cấu hình hóa ràng buộc tốc độ trạm BS, việc phân bổ tốc độ người dùng linh hoạt Bài toán tối ưu xét để tối đa hóa dung lượng tổng trì tính cơng cân xứng người dùng -125- Chương 4: Kênh vô tuyến dung lượng kênh vô tuyến thực kênh Ta xét cập giải thuật để tìm nghiệm tối ưu, giải thuật cận tối ưu với mức độ phức tạp thấp: giảm mức độ phức tạp từ O ( K N ) thành O ( KN ) , việc phân bổ cơng suất cấp phát kênh thực tách biệt Triển khai việc phân bổ công suất tối ưu cho kênh cụ thể Thực quy trình hai bước để nhận phân bố công suất tối ưu Trước hết là, giải hệ phương trình phi tuyến để tìm phân bố cơng suất người dùng Sau là, với người dùng cụ thể, dùng giải thuật đổ đầy nước để tối đa hóa dung lượng Các kết lý thuyết xét chương dùng để xây dựng mơ hình, giải thuật chương trình mơ phần tập Trong phạm vi định, thấy xu hướng phát triển hoàn thiện khoa học kỹ thuật việc phân bổ tài nguyên OFDMA cách xem xét: (i) Tốc độ liên tục/rời rạc; (ii) Mức độ phức tạp; (iii) Thơng tin trạng thái kênh CSI hồn hảo/khơng hồn hảo có/khơng có thơng tin phân bố kênh CDI; (vi) Ưu tiên hóa người dùng, tính cơng bằng, cấp phát tài nguyên linh hoạt.Về bản, ta tập trung trình bày việc hợp chung để phân bổ tài nguyên hệ thống OFDMA với mức độ phức tạp thấp -126- ... theo (4. 17) Nếu nhân hai vế phương trình kênh (4. 15b) với Uh ta được: U h y = yɶ = Dxɶ + ηɶ (4. 18) xɶ = U h x Phương trình dẫn đến mơ hình kênh SVD MIMO sau (xem hình 4. 7) -1 14- Chương 4: Kênh... nhánh hình 4. 3 x(t) τ0 = β0 ∆τ τ1 = ∆τ β1 θ0 ∆τ ∆τ τ L−2 = ( L − 2)∆τ τ L−1 = (L −1)∆τ β L−1 βL−2 θ1 θL−2 θL−1 ∑ ∑ ∑ Hình 4. 3 Mơ hình hóa kênh vơ tuyến di động trễ đa nhánh Hình 4. 4 mơ tả đáp... ) β2 (t ) β3 (t3 ) β2 ( t ) β2 ( t ) τ1 β2 ( t ) h(τ , t ) τ2 τ1 τ3 4 τ5 τ (t1 ) τ (t2 ) τ (t3 ) τ1 τ2 τ3 4 τ5 τ Hình 4. 4 Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian lý lịch trễ đa đường Lưu ý môi