Ảnh hưởng của tương quan không gian anten và truyền sống đa tia tới dung lượng kết hợp tác MIMO

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về dung lượng của hệ thống Co-MIMO, tuy nhiên chỉ một số ít bài báo chú trọng nghiên cứu tác động của sự tương quan anten về mặt không gian và ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn đa tia tới dung lượng kênh. Trên cơ sở đó, bài báo tập trung nghiên cứu vấn đề này. Các kết quả mô phỏng cho thấy hợp tác có thể làm giảm tính tương quan về mặt không gian của anten, do vậy giúp tăng dung lượng, và thậm trí có thể đạt được dung lượng lý tưởng của hệ thống MIMO. Trong khi đó, số lượng tia đa đường không ảnh hưởng gì tới dung lượng kênh truyền.

Ra a ảnh hưởng tương quan không gian ANTEN Và truyền sóng đa tia tới dung lượng kênh hợp t¸c MIMO NGUYỄN TRUNG TẤN, LÊ THỊ THANH HUYỀN Tóm tắt: Ngày kỹ thuật hợp tác thu hút nhiều quan tâm khả cải thiện tỉ lệ lỗi bít (Bit Error Rate-BER), giúp giảm cơng suất phát hệ thống di động, đặc biệt chất lượng kênh truyền trực tiếp nguồn đích Hợp tác MIMO (Co-MIMO) kỹ thuật hợp tác nút mạng sử dụng trang bị đa anten Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu dung lượng hệ thống Co-MIMO, nhiên số báo trọng nghiên cứu tác động tương quan anten mặt không gian ảnh hưởng môi trường truyền dẫn đa tia tới dung lượng kênh Trên sở đó, báo tập trung nghiên cứu vấn đề Các kết mơ cho thấy hợp tác làm giảm tính tương quan mặt khơng gian anten, giúp tăng dung lượng, trí đạt dung lượng lý tưởng hệ thống MIMO Trong đó, số lượng tia đa đường khơng ảnh hưởng tới dung lượng kênh truyền Từ khóa: Hợp tác MIMO, Dung lượng kênh, Thiết bị đầu cuối đa anten GIỚI THIỆU Truyền thông không dây chịu tác động tượng pha đinh đa đường làm suy giảm chất lượng tín hiệu Hệ thống MIMO sử dụng đa anten máy phát máy thu cải thiện chất lượng dịch vụ (Quality of Service-QoS) Một kỹ thuật phân tập không gian – phân tập hợp tác [1] giúp thiết bị sử dụng đơn anten đạt phân tập không gian Các kết nghiên cứu cho thấy, môi trường pha đinh phẳng, phân tập hợp tác giúp tăng dung lượng, tăng QoS cải thiện phẩm chất hệ thống người dùng chia sẻ anten người dùng khác, tạo nên hệ thống MIMO ảo Cơng trình nghiên cứu [2] đề cập đến vấn đề phân bổ tài nguyên truyền dẫn hợp tác MIMO Độ tăng ích yếu tố làm thay đổi dung lượng hệ thống Co-MIMO xem xét [3] Ý tưởng kỹ thuật hợp tác MIMO xuất phát từ việc nghiên cứu mảng anten ảo (VAA) công nghệ 4G M Dohler cộng đề xuất cấu trúc VAA cho mạng thông tin tế bào, với trạm gốc sử dụng đa anten Tài liệu [4] nghiên cứu cấu trúc chuyển tiếp VAA đa chặng, đề xuất phân tích dung lượng hệ thống từ đầu cuối đến đầu cuối, đưa chiến lược phân bổ tài nguyên hợp lý cho mạng thông tin tế bào Xét khía cạnh hợp tác đa anten, tài liệu tham khảo [5] nghiên cứu kỹ thuật hợp tác theo phân cấp để đạt khoảng thơng lượng tuyến tính phạm vi mạng vùng cố định Tài liệu tham khảo [6] nghiên cứu hợp tác thiết bị đầu cuối trạm chuyển tiếp để truyền tin tới trạm gốc mạng tổng hợp mạng tế bào mạng ad-hoc [7] tập trung nghiên cứu phần trạm gốc đa anten, trạm gốc phát tín hiệu tới nút cụm có nhiều nút, nút khác cụm hợp tác với để hỗ trợ nút đích nhận tin Việc chứng minh bậc kênh tương quan hàm góc ngẩng, tần số Doppler, khoảng cách tham số vật lý anten, có ảnh hưởng trực tiếp tới dung lượng kênh MIMO nghiên cứu tài liệu [8] Bài bào trình bày mơ hình truyền dẫn hợp tác MIMO ảnh hưởng tính tương quan khơng gian anten số lượng tia đa đường tới dung lượng kênh Bên cạnh phân tích dung lượng kênh số mơ hình hợp tác khác nhau, ảnh hưởng số lượng tia đa đường tương quan không gian nhằm tối ưu việc thiết kế hệ thống hợp tác Bài báo tổ chức sau: phần giới thiệu mơ hình hợp tác MIMO, ảnh hưởng tương quan không gian số lượng tia đa đường tới hệ thống Co-MIMO Phần trình bày kết mô phỏng, phần kết luận 44 N.T.Tấn, L.T.T.Huyền, “Ảnh hưởng tương quan dung lượng kênh hợp tác MIMO.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 2.MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mơ hình hệ thống hợp tác MIMO Hình biểu diễn mơ hình hệ thống hợp tác MIMO theo tài liệu tham khảo [9] Ở đây, X1 X tín hiệu phát từ nút nguồn nút chuyển tiếp; Y1,Y2 tín hiệu thu nút hợp tác nút đích; H , H H tương ứng ma trận hệ số kênh pha đinh từ nút nguồn tới nút hợp tác, nút nguồn tới đích từ nút hợp tác tới đích; Z1, Z tạp âm AWGN nút hợp tác nút đích Z1 Y1 X2 H1 H3 z H2 X1 Y Hình Mơ hình hệ thống hợp tác MIMO Giả thiết nút nguồn có M anten phát, nút hợp tác có M anten phát N anten thu, nút đích có N anten thu H hệ số kênh mơ hình MIMO cho công thức h   1,1 h1,2  h1,M1   h h2,2  h2,M  2,1    C N M1 H            h h  h  N ,1 N ,2 N ,M  (1) đó, hij hệ số kênh pha đinh từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j Do vậy, tín hiệu thu được biểu diễn sau:   Y   H 1X  Z     Y  2 H X  3 H X  Z    (2) đó, H , H H ma trận kênh có bậc tương ứng N  M , N  M N  M 1, 2 3 tỉ số SNR, biểu diễn sau [10] 1  SNR1 SNR2 SNR3 , 2  , 3  M1 M1 M2 (3) đó, SNR1 SNR2 tỉ số lượng trung bình tín hiệu X tạp âm (sau bị ảnh hưởng pha đinh) anten nút hợp tác nút đích, SNR3 tỉ số lượng trung bình tín hiệu X tạp âm anten nút đích 2.2 Dung lượng kênh hợp tác MIMO Trong cơng trình nghiên cứu [9], Bo Wang cộng đưa đường bao dung lượng ergodic kênh Co-MIMO trường hợp pha đinh Rayleigh cho công thức Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 45 Ra đa C  C upper  C 1,C   (4)   C   log  det I M   1H 1*H   H 2* H  (5)     C   log  det I   H *H   H * H   N 2 3   Đường bao dung lượng ergodic kênh chuyển tiếp Co-MIMO cho công thức       C  C lower  max C d , C ,C     *   C   log det I N  1H 1H   C d   log det I N  2H 2H 2*         (6)  (7)    đó, kì vọng đánh giá qua ma trận kênh tương ứng 2.3 Mối tương quan không gian anten Xét kênh pha đinh Rayleigh nên thành phần ma trận kênh H (1) biểu diễn sau hi, j    nL1 An    n  (8)  đó,  L số lượng tia truyền lan đa đường, An biên độ tia thứ n ,   hàm đáp ứng xung, n độ giữ chậm tia thứ n Ma trận kênh MIMO H G cho công thức: 12 vec(HG )  R vec(H ) đó, R 1/2 (9) quân phương trung bình ma trận R R xác định sau R  Rt  Rr (10) R ma trận tự tương quan, biểu diễn qua Rr  Rt , Rr Rt cho công thức   12   M       2M  R t R r    21           M 1  M   đó, ij hệ số tương quan phát anten thứ i anten thứ j ij   *ji (11) (12) ()* phép lấy liên hợp phức HG biểu diễn sau: 12 12 HG  Rr HRt (13) Để biểu diễn kênh MIMO, ta sử dụng DOA (Direction of Arrival - hướng tới), AS (Angle Spread- góc trải) PAS (Power Azimuth Spectrum - phổ công suất theo phương vị) anten để phản ánh đặc trưng mặt không gian thời gian Giả thiết sử dụng N anten thu vô hướng, d khoảng cách anten, biểu diễn hình 46 N.T.Tấn, L.T.T.Huyền, “Ảnh hưởng tương quan dung lượng kênh hợp tác MIMO.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Mơ hình truyền lan kênh pha đinh MIMO Các anten phát phát tín hiệu, sau tín hiệu phản xạ anten thu Xét mơ hình mảng anten thiết bị thu:  góc tới trung bình,  AS, (i ) hàm mật độ xác suất AS Hàm tương quan tín hiệu cho công thức π+     xx   π+  cos[2  d /  sin( )]p ( )d    (14)  π+     sin[2  d /  sin(  )] p (  ) d    π+     xy đó, xx xy thành phần thực ảo hàm tương quan hai anten Vì vậy, tính tương quan không gian liên quan tới (i ) Trong báo này, (i ) có phân bố Laplace Hàm mật độ xác suất   p (,  ,  )  N exp        (15) đó, N xác định        (16) N 01     exp   d     Tương quan không gian ij dựa PAS, DOA AS Đối với tất cặp anten, ij tính cho tạo ma trận tương quan hệ thống Co-MIMO Mối tương quan không gian anten phát anten thu phụ thuộc vào cấu hình anten, yếu tố khơng gian, góc hướng tới ngồi phụ thuộc vào AS PAS, PAS yếu tố quan trọng 2.4 Số lượng tia đa đường pha đinh Rayleigh Hình Mơi trường truyền dẫn khơng dây Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 31, 06 - 2014 47 Ra đa Hình cho thấy chướng ngại vật máy phát máy thu nguyên nhân gây suy hao lượng tín hiệu; độ suy giảm phụ thuộc vào cự ly đường truyền chướng ngại vật Giả thiết tín hiệu phát cho cơng thức   st t   At t  cos 2 fct   t  (17) Sau qua kênh pha đinh Rayleigh, tín hiệu thu   sr t   Ar t  cos 2 fct   t    t  (18) Triển khai độ lệch pha (t), tín hiệu thu N A  s r (t )  Re   exp j (2 fct  (t )  2 fDt cos n  n ) n 1 N     N      Re    exp j (2 fDt cos n  n )  A exp j (2 fct  (t )) (19)   n 1  N   Re H (t )A exp j (2 fct  (t )) đó, H (t )  N N  exp j (2 fDt cos n  n )  g(t ) exp j (t ) (20) n 1 fD tần số Doppler cực đại, N số tia đa đường Thay (20) vào công thức (1) ta tính độ tăng ích kênh kết hợp anten phát anten thu KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Các tham số mơ Các tham số mơ trình bày bảng 1, sử dụng mơ hình MIMO 2x2 2x4 Tham số mô Số anten nút nguồn Số anten nút hợp tác Số anten nút đích Số nút hợp tác Khoảng khơng gian anten/bước sóng Số tia đa đường pha đinh Rayleigh SNR Hướng tới (DOA) Góc (AS) Bảng Các tham số mơ Giá trị tham số 2-4 2-4 2-4 1-30 0.5-1 16 0-30(dB) 300 100 3.2 Các kết mô phân tích 3.2.1 Hiệu tương quan khơng gian Hình biểu diễn ảnh hưởng khơng gian anten tới dung lượng kênh hệ thống Co-MIMO DOA 30o AS 10o Ta thấy tương quan không gian anten tăng lên mở rộng không gian anten Do dung lượng kênh Co-MIMO tăng lên, mức tăng không rõ ràng Ta kết luận rằng, dung lượng kênh xấp xỉ giá trị lý tưởng không gian anten xấp xỉ lần bước sóng tính tương quan không gian anten nhỏ đủ 48 N.T.Tấn, L.T.T.Huyền, “Ảnh hưởng tương quan dung lượng kênh hợp tác MIMO.” Nghiên cứu khoa học công nghệ để không làm ảnh hưởng đến dung lượng kênh Hình Mối quan hệ dung lượng kênh hệ thống Co-MIMO khơng gian anten Hình minh họa mối quan hệ tương quan không gian anten dung lượng kênh hệ thống Co-MIMO MIMO truyền thống DOA 30o AS 10o Giữ nguyên giá trị DOA AS q trình mơ Số nút hệ thống Co-MIMO với số anten phát hệ thống MIMO truyền thống số anten thu giữ ngun Từ hình ta thấy rằng, dung lượng kênh hệ thống hợp tác MIMO lớn hệ thống MIMO truyền thống Dung lượng kênh hệ thống MIMO truyền thống chịu ảnh hưởng lớn tương quan không gian anten, khoảng cách anten giảm, dung lượng kênh giảm rõ rệt Do vậy, điểm đáng ý hệ thống Co-MIMO làm giảm tương quan không gian anten so với hệ thống MIMO truyền thống, hợp tác thiết bị đầu cuối di động đa anten giúp cho việc cấu hình Co-MIMO linh hoạt Trong điều kiện tương đối phức tạp, đạt kênh khơng tương quan không gian cách tối ưu dung lượng lý tưởng hệ thống MIMO Trong hệ thống này, tính tương quan kênh hệ thống MIMO truyền thống giảm xuống đáng kể, chọn kênh hợp lý tăng dung lượng Hình Sự ảnh hưởng không gian anten tới dung lượng hệ thống hệ thống MIMO truyền thống hệ thống MIMO hợp tác Hình biểu diễn ảnh hưởng tương quan không gian anten phát thu tới dung lượng kênh Co-MIMO số nút hợp tác số anten thu, phát khác Xét hai trường hợp, trường hợp sử dụng nút hợp tác, nút có anten phát anten thu Trường hợp sử dụng nút hợp tác nút hợp tác có anten phát anten thu Trong trường hợp này, yêu cầu số anten phát anten thu phải so với nút nguồn nút đích Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 49 Ra đa Hình Ảnh hưởng tương quan không gian anten tới dung lượng kênh Từ hình 6, ta để ý trường hợp nút hợp tác, anten nút hợp tác có tương quan mặt khơng gian Do dung lượng kênh giảm xuống; trường hợp nút hợp tác, anten phân bố thiết bị đầu cuối Vì truyền dẫn hợp tác sử dụng thiết bị đầu cuối đa anten, nên mức độ tương quan kênh giảm xuống đáng kể, dung lượng kênh MIMO tăng lên Do vậy, điều kiện Co-MIMO với nhiều người dùng hợp tác, dễ dàng giảm tương quan không gian đạt dung lượng lý tưởng 3.2.2.Ảnh hưởng pha đinh Rayleigh đa đường Hình Mối quan hệ dung lượng kênh số tia đa đường Hình minh họa ảnh hưởng số lượng tia đa đường tới dung lượng kênh Co-MIMO, số tia đa đường thay đổi từ đến 16, ảnh hưởng pha đinh đa đường tới dung lượng kênh MIMO truyền thống MIMO hợp tác khơng Có thể khắc phục pha đinh đa đường theo cơng thức tính dung lượng kênh MIMO lý thuyết thơng tin, lượng tín hiệu khơng giảm, ta kết luận số lượng tia đa đường không làm thay đổi SNR hệ thống MIMO, khơng làm thay đổi dung lượng kênh KẾT LUẬN Bài báo phân tích thay đổi dung lượng kênh hệ thống Co-MIMO theo tương quan không gian anten số tia đa đường kênh pha đinh Rayleigh Các kết mô cho thấy ảnh hưởng rõ rệt mối tương quan không gian tới dung lượng kênh Co-MIMO Việc hợp tác thiết bị đầu cuối người dùng làm giảm tính tương quan anten, dó làm tăng dung lượng kênh hệ thống Ý tưởng đề xuất báo giúp tiết kiệm không gian, dẫn tới tăng dung lượng kênh, đạt giá trị lý tưởng Bên cạnh đó, trường hợp lý tưởng, số lượng kênh pha đinh Rayleigh đa đường khơng có ảnh hưởng tới dung lượng kênh 50 N.T.Tấn, L.T.T.Huyền, “Ảnh hưởng tương quan dung lượng kênh hợp tác MIMO.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sendonaris A, Erkip E, Aazhang B, "User cooperation diversity-part l: system description," IEEE Transaction on Comm, 2003, 51(11): 1927-1938 [2] Cui, Shuguang, Goldsmith, Andrea J, "Cross-layer design of energy-constrained networks using cooperative MIMO techniques", Sig Processing, 2006, 86(8), 1804-1814 [3] Shyy, D.J Dunyak, J Mitre Corp, McLean, “ Cooperative MIMO gateways: A promising technique for fast handoff”, 2005 Wireless Telecommunications Symposium, (WTS) Apr 28-30, Pomona, CA, United States 2005, pp 49-54 [4] M D “Virtual Antenna Arrays”, PhD thesis, Strand, London: University of London, 2003 [5] A Ozgur, O Leveque, and D Tse, “Hierarchical cooperation achieves optimal capacity scaling in ad hoc networks,” IEEE Trans Inf Theory, vol 53, pp.3549-3572, Oct 2007 [6] W.-Y Shin, S.-W Jeon, N Devroye, M Vu, S.-Y Chung, Y H Lee, and V Tarokh, “Improved capacity scaling in wireless networks with infrastructure,” in arXiv:cs.IT/0811.0726, Nov 2008 [7] S.-W Jeon and S.-Y Chung, “Capacity scaling of single-source wireless networks: effect of multiple antennas,” in arXiv:cs.IT/0901.3880, Jan 2009 [8] Chizhik, G J Foschini, M J Gans, and R A Valenzuela, “Keyholes, correlations, and capacities of multielement transmit and receive antennas,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 1, pp.361-368, Apr 2002 [9] Wang, B., Zhang, J.and Host-Madsen, A., “On the capacity of MIMO relay channels,” Information Theory, IEEE Transactions on Volume 51, Issue 1, pp.29-43, Jan 2005 [10].T L.Marzetta and B.M.Hochwald, “Capacity of amobilemulit-antenna communication link in Rayleigh flat fading,” IEEE Trans Inf Theory,vol 45, no 1, pp 139-157, Jan 1999 ABSTRACT EFFECTS OF ANTENNA SPATIAL CORRELATION AND MULTI - PATH FADING TO THE CHANNEL CAPACITY OF COOPERATIVE MIMO SYSTEM Recent years, cooperative technology has taken a lot of attention since it can improve the bit error rate (BER) and lower the transmit power in radio mobile networks, especially when the direct channel between the source and the destination is poor Cooperative multiple input multiple output (Co-MIMO) is a kind of MIMO technique, where the multiple inputs and outputs are formed via cooperation The capacity of CoMIMO system over wireless channel has been investigated a lot, however few papers pay attention to the effect of antenna spatial correlation and the number of Multi-path to the capacity of MIMO channel This paper focuses on this problem Simulation results show that cooperation between different terminals can reduce antenna spatial correlation, thereby increase the capacity and throughput of the system, and even reach the ideal capacity of MIMO system Meanwhile, the number of multi-path Rayleigh fading does not affect the channel capacity Keywords: Cooperative MIMO, Channel capacity, Multiple-antenna terminals Nhận ngày 04 tháng 04 năm 2014 Hoàn thiện ngày 08 tháng 05 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 05 năm 2014 Địa chỉ: Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân Sự Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 51 ... minh họa ảnh hưởng số lượng tia đa đường tới dung lượng kênh Co -MIMO, số tia đa đường thay đổi từ đến 16, ảnh hưởng pha đinh đa đường tới dung lượng kênh MIMO truyền thống MIMO hợp tác khơng... - 2014 49 Ra đa Hình Ảnh hưởng tương quan khơng gian anten tới dung lượng kênh Từ hình 6, ta để ý trường hợp nút hợp tác, anten nút hợp tác có tương quan mặt khơng gian Do dung lượng kênh giảm... tới dung lượng hệ thống hệ thống MIMO truyền thống hệ thống MIMO hợp tác Hình biểu diễn ảnh hưởng tương quan không gian anten phát thu tới dung lượng kênh Co -MIMO số nút hợp tác số anten thu,