Kỹ thuật tạo búp cho sóng milimet : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông : 605202

I HỌ QUỐ GI H TRƢỜ G I HỌ I G GH - - LÊ QUANG ANH KỸ THUẬT T O BÚP CHO SÓNG MILIMET UẬ V TH S CÔNG NGH KỸ THUẬT I N TỬ, TRUYỀN THÔNG H I - 2018 I HỌ QUỐ GI H TRƢỜ G I HỌ I G GH - - LÊ QUANG ANH KỸ THUẬT T O BÚP CHO SĨNG MILIMET ệ Kỹ thuật iện tử, Truyền thơng u ỹ thuật Viễn thông Mã số: 60520208 UẬ V TH S CÔNG NGH KỸ THUẬT I N TỬ, TRUYỀN THÔNG GƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊ H H I - 2018 H VŨ ỜI M O Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp công trình nghiên cứu cá nhân tơi, đƣợc thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Trịnh Anh Vũ Các số liệu, kết luận luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mơ hình, kết đạt đƣợc nƣớc giới trải nghiệm thân, chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức trƣớc trình bày bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Hà nội, Ngày tháng 05 năm 2018 Ngƣời cam đoan ỜI ẢM Ơ Đầu tiên, cho phép em đƣợc gởi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trịnh Anh Vũ Thầy ngƣời theo sát em trình làm luận văn, Thầy tận tình bảo, đƣa vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức có định hƣớng đắn để hoàn thành luận văn Tiếp đến, em xin đƣợc gởi lời cảm ơn đến tất quý Thầy Cô giảng dạy trƣờng Khoa Điện từ - Viễn thông, Trƣờng Đại học Cơng nghệ giúp em có đƣợc kiến thức để thực luận văn Kính chúc Thầy Cô dồi sức khoẻ, thành đạt, ngày thành công nghiệp trồng ngƣời Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ em thời gian thực luận văn tốt nghiệp Cảm ơn đề tài Nghiên cứu QG.18.39 Đại học Quôc gia Hà nội Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG - SÓNG MILIMET VÀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN 1.1 Tính chất sóng milimet 1.2 Đặc điểm hệ thống Massive MIMO 13 1.3 Tạo búp vớisóng milimet 16 CHƢƠNG – ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN VÀ KỸ THUẬT TẠO BÚP TRÊN SÓNG MILIMET 21 2.1 Mô hình hệ thống MIMO: 21 2.2 Thiết kế hệ thống toàn số (Full Digital Beam Forming) 26 2.3 Thiết kế hệ thống lai ghép 288 CHƢƠNG – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 34 3.1 Các tham số mô 344 3.2 Khảo sát số luồng truyền song song BS MS 35 3.3 Khảo sát thay đổi số anten BS số anten MS 366 3.4 So sánh pp dùng hệ thống quét búp hệ thống đề nghị dùng DOA 366 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 D H MỤ Á HÌ H VẼ, Ồ THỊ Hình 1.1 Kết phép đo xác suất suy hao đƣợc dự đoán phƣơng trình Friis 10 Hình 1.2 So sánh suy giảm đƣờng truyền sóng centimet milimet 11 Hình 1.3 Mơ hình tán xạ thấp với sóng milimet 13 Hình 1.4 Mơ hình truyền nhận với ăng ten trạm thuê bao 10 Hình 1.5 Búp số búp tƣơng tự 16 Hình 1.6 Mơ hình tạo búp lai 18 Hình 1.7 Sơ đồ khối kiến trúc chùm tia lai 19 Hình 2.1 Mơ hình kênh mimo điểm điểm 23 Hình 2.2 Mơ hình ghép kênh tƣơng đƣơng 24 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống lai ghép 29 Hình 2.4 Sơ đồ phối hợp hệ thống Massive MIMO với hệ thống sóng Milimet 33 Hình 3.1 Kết mô so sánh Phân bố CDF tốc độ tổng trƣờng hợp 35 Hình 3.2 Kết mô thay đổi số anten BS số anten MS 36 Hình 3.3 Kết mơ với K=1 M=2, NMS = 10, NBS = 30 37 Hình 3.4 Kết mơ với K=1 M=3, NMS = 20, NBS = 20 37 D H MỤ THUẬT GỮ VIẾT TẮT CDF: Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy FDD: Frequency Division Duplex Phân chia song công theo tần số Full Digital Beam Forming Hệ thống tồn số LS: Least Square Bình phƣơng nhỏ LOS: Light of sight Hƣớng nhìn thẳng MIMO: Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu Massive MIMO MIMO tập hợp lớn mmWave: milimet Wave Sóng milimet ML: Maximum Likelyhood Khả tối đa MMSE: Mimimum mean square error Trung bình bình phƣơng lỗi tối thiểu MS: Mobile Station Máy di động OFDM: multiple Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia tần số trực giao TDD: Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian ZF: Zero Forcing Cƣỡng không ỜI MỞ ẦU Trong năm gần đời kỹ thuật Massive MIMO (2006) tạo nên bƣớc đột phá truyền tin vô tuyến hệ thứ chỗ bên cạnh chiều thời gian chiều tần số sử dụng thêm chiều không gian tạo nên búp sóng ảo riêng rẽ kết nối đến ngƣời dùng Kỹ thật đem lại hiệu phổ nhƣ hiệu lƣợng gấp nhiều lần so với cơng nghệ trƣớc trạm sở sử dụng nhiều anten Tuy nhiên Massive MIMO có hạn chế hoạt động dải tần số centimet (≤6GHz) nên băng thông kênh liên lạc hạn chế (20-40MHz).Sự bùng nổ nhu cầu băng thông dịch vụ truyền thông di động thúc quan tâm ngày lớn dải tần chƣa đƣợc sử dụng Điển hình dải tần ứng với sóng milimet mà đặc tính suy giảm mạnh truyền môi trƣờng nên lịch sử phát triển truyền thơng, dải tần đƣợc quan tâm Mở rộng lên sóng milimet hứa hẹn có băng băng tần lớn (500MHz-1GHz) sóng mang hàng chục GigaHz, đáp ứng nhu cầu phát triển Tuy nhiên phải khắc phục đƣợc nhƣợc điểm cố hữu sóng milimet nhƣ nói là: Tầm truyền hạn chế khả tán xạ thấp (so với sóng centimet) nên khó truyền vịng qua vật cản, ngồi việc chế tạo linh kiện cao tần dải sóng milimet đắt tiền tiêu tốn nhiều lƣợng dải sóng centimet Để kết hợp lợi sóng milimet kỹ thuật Massive MIMO cần có kỹ thuật tích hợp lai ghép: vừa tạo búp kỹ thuật số băng sở phù hợp vừa đủ với với môi trƣờng tán xạ sóng milimet để có hiệu suất phổ cao, vừa tạo búp kỹ thuật tƣơng tự dải tần số cao để tăng cự ly truyền tiết kiệm lƣợng Đây chủ đề mà luận văn tập trung nghiên cứu Sau phân tích tổng quan, phân tích sở phần mơ đánh giá Luận văn nêu đề xuất tích hợp hệ thống Massive MIMO hệ thống sóng milimet Do thời gian nghiên cứu trình độ có hạn, khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc nhiều nhận xét góp ý Thầy bạn HƢƠ G SÓNG MILIMET VÀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN Chƣơng mô tả đặc điểm sóng milimet kỹ thuật tiên tiến phát triển hệ thống Massive MIMO nhƣ kiến thức tổng quan, làm sở cho nghiên cứu phát triển truyền tin sóng milimet 1.1 Tính chất sóng milimet 1.1.1 Suy giảm mạnh Trƣớc tiên ta giới hạn nghiên cứu sóng điện tử có tần số từ 6GHz đến 60GHz ứng với bƣớc sóng từ 50mm - 5mm Mặc dù số thí nghiêm minh họa đƣợc thực dải 3-30GHz, song có giá trị đặc trƣng Ta bắt đầu với phƣơng trình truyền Friis, đƣợc đƣa nhƣ sau: [1] ( )[ ] (1.1) Trong Pr cơng suất thu đƣợc không gian lý tƣởng không bị cản trở, Pt công suất phát, Gt Gr tƣơng ứng độ lợi ăng ten phát thu, R khoảng cách máy phát máy thu đƣợc tính mét, f tần số sóng mang, c tốc độ ánh sáng Dễ dàng nhận thấy cơng suất thu đƣợc tỷ lệ nghịch với bình phƣơng tần số độ lợi anten đẳng hƣớng (Gt = 1, Gr = 1) đƣợc sử dụng đầu Tuy nhiên, thực tế, độ lợi ăng ten Gt Gr đƣợc thiết kế lớn với kết hợp đƣợc sử dụng hai đầu Khi kích thƣớc độ mở vật lý anten Aecố định, độ lợi anten tỷ lệ thuận với bình phƣơng tần số theo cơng thức: G 4Ae   4Ae f bù đắp suy giảm đƣờng truyền thông qua chùm trực diện hẹp Để xác minh điều này, phép đo đƣợc thực buồng kín sử dụng hai ăng-ten hỗ trợ với tần số tƣơng ứng 30 GHz nhƣ thể Hình 1.1 Một ăng ten đơn tần số GHz mảng ăng ten tần số 30 GHz có kích thƣớc vật lý đƣợc thiết kế cho phép đo đƣợc đặt buồng không phản xạ đầu giao tiếp Theo phƣơng trình Friis tham số trên, kết Hình 1.1 cho thấy lƣợng mát truyền khơng phụ thuộc vào tần số hoạt động mảng ăng-ten kích thƣớc độ vật lý đƣợc sử dụng đầu thu 30GHz Ngoài ra, mảng ăng ten đƣợc sử dụng hai đầu phát đầu thu 30 GHz, công suất nhận đƣợc đo đƣợc cao 20 dB so với trƣờng hợp đơn ăng ten GHz Hình 1.1: Kết phép đo xác suất suy hao dự đốn phương trình Friis.[1] Cùng với phép đo phịng thí nghiệm nói trên, nghiên cứu gần cho kênh tín hiệu ngồi trời cho thấy tiềm dải tần số cao cho truyền thơng di động Các phép đo kênh ngồi trời đƣợc thực dải tần 38 28 GHz, khuôn viên Đại học Texas Austin hay chiến dịch đo lƣờng kênh khác đƣợc tiến hành tần số 28 GHz để tạo liệu đo lƣờng cho môi trƣờng đô thị phụ trang điện tử Samsung Electronics Suwon, Hàn Quốc Ngoài việc đầu tƣ nghiên cứu đặc tính kênh môi trƣờng đô thị dày đặc đƣợc thực Manhattan, New York Tất phép đo kênh đƣợc thực tốc độ 38 28 GHz thay 60 GHz E-Band nhiều yếu tố bao gồm tình trạng quy định khu vực số lƣợng có sẵn băng tần đƣợc cấp phép Các kết nghiên cứu cho thấy thơng số quan trọng đặc trƣng cho tính chất truyền dải sóng milimet, chẳng hạn nhƣ số mũ tổn hao đƣờng truyền, tƣơng đƣơng với dải tần số cổ điển anten phát thu đƣợc sử dụng để tạo búp Ví dụ, liên kết truyền đƣợc thiết lập cho khoảng cách lên đến 200 -300 m với số mũ suy hao đƣờng truyền khoảng từ 3,2 -4,58 cho NLOS 1,68 -2.3 cho mơi trƣờng LOS, kết đo tƣơng tự cell truyền thống Cần lƣu ý số mũ mát dƣới đƣợc quan sát bổ sung đƣờng phản xạ trực tiếp hành lang đƣờng hầm môi trƣờng LoS 10 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ [√ √ [√ ] √ √ √ ] Để xác định S, đƣa bậc trị riêng khác zero từ lớn đến nhỏ vào đƣờng tréo ma trận: [√ ] √ Ta có kết phân tích SVD A là: √ [√ √ [√ √ √ √ √ [√ √ ] √ √ √ ] √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ [√ √ [√ √ ] √ √ * + ] √ ] 2.2.Thiết kế hệ thống toàn số Để dễ phân tích hệ thống ta xét trƣờng hợp tạo búp toàn số cho đơn ngƣời dùng, tức anten kết nối với RF độc lập (giống nhƣ trạm sở BS hệ thống Massive MIMO) Kênh sóng milimet BS MS hệ MIMO thực (Do MS có nhiều anten để tạo búp hƣớng lên, khác với hệ thống Massive MIMO: quan hệ BS MS quan hệ MISO, hệ thống với nhiều MS quan hệ MIMO) Sơ đồ thực theo giao thức TDD, tức liên lạc chiều thực khoảng thời gian kết hợp tức phần thời gian đƣợc dùng để ƣớc lƣợng kênh, phần cịn lại để truyền liệu theo chiều Ƣớc lƣợng kênh kênh BS MS đƣợc chia thành pha Ở pha a) BS gửi Pilot thích hợp để MS ƣớc lƣợng đƣợc vecto riêng bên trái trội ma trận kênh 26 Sau pha b) MS gửi Pilot thích hợp, đƣợc tạo búp (mã trƣớc) vecto riêng bên trái trội ƣớc lƣợng đƣợc pha a) gửi đến BS để BS ƣớc lƣợng đƣợc vecto riêng phải trội ma trận kênh Từ giá trị vecto riêng phải trái ta thiết kế đƣợc hệ thống ( ) chuỗi vecto cột giả ngẫu nhiên (Pilot) kích Cụ thể, pha a) gọi thƣớc ( ), Những vecto ày đƣợc phát BS thời điểm (độ dài PBS đƣợc lựa chọn thích hợp, nói sau) Tại máy MS nhận đƣợc n lần vecto kích thƣớc ( ) nhƣ sau: ( ) ( ) ( ) (2.4) Ở ( ) vecto AWGN kích thƣớc ( ) theo phân bố ( ) Dựa phân tích , coi tạp âm đại lƣợng nhỏ, ta tính ma trận hiệp phƣơng sai tín hiệu nhận đƣợc MS: [ ( ) ( )] (2.5) Với E phép lấy trung bình giá trị sau n lần gửi ( ) Từ ta ƣớc lƣợng M vecto riêng trái trội ma trận kênh ma trận U, tức M hƣớng truyền trội (ứng với đặc tính nghèo tán xạ kênh truyền) Ký hiệu ma trận ( ) chứa M vecto riêng ƣớc lƣợng đƣợc Ma trận đƣợc dùng để mã trước liệu pha truyền liệu ngƣợc đồng thời đƣợc dùng nhƣ tổ hợp nhận liệu pha truyền liệu xi Sau pha b) MS phát vecto ngẫu nhiên phép BS ƣớc lƣợng vecto riêng phải trội kênh H Cụ thể MS phát vecto ( ) ( ) (2.6) ( ) Ở dãy vecto ngẫu nhiên (Mx1) có thành phần =+-1 ma trân hiệp phƣơng sai=1 Tại BS tín hiệu nhận đƣợc là: ( ) Với ( ) ( ) ( ) vecto AWGN, kích thƣớc(NBSx1) có thống kê (2.7) ( ) Đồng thời: [ ( ) ( )] (2.8) Từ bỏ qua lỗi tạp âm không đáng kể, ƣớc lƣợng đƣợc M vecto riêng ( ) ma trận chứa M vecto riêng Ma phải trội H, ta ký hiệu trận dùng để mã trƣớc liệu kênh xuôi 27 Sau giải toán trị riêng, M vecto trội ma trận riêng phải trái đƣợc lựa chọn để ƣớc lƣợng liệu theo công thức: (2.9) Với E ma trận tuyến tính xác định theo phƣơng pháp MMSE, A kích thƣớc (MxM) khơng tính trễ trải liệu mong muốn, s1(n) vecto chứa nhiễu từ dịng liệu khác có A1 ma trận xử lý tƣơng ứng [4] Từ tính đƣợc tốc độ đạt đƣợc hay hiệu suất phổ theo công thức : * Ở Và ( ( [ ( ) )+ (2.10) ) ( )] (2.11) Nhận xét: - Khi kênh tán xạ tốt M=min (NBS, NMS) - Khi kênh tán xạ M>K nhằm đảm bảo kênh ngƣời dùng khác trực giao với Từ ta có dẫn thiết kế cho hệ thống tạo búp toàn số: - Dựa ma trận U V phân tích kênh, ƣớc lƣợng đƣợc dùng Pilot, tiến hành tạo búp số nhƣ mã trước cho phát tín hiệu đi, đóng vai trị thu tổ hợp để ƣớc lƣợng tín hiệu đến - Hạng ma trận diễn tả số luồng song song M kênh MIMO tƣơng đƣơng phụ thuộc vào số lƣợng anten hai đầu đồng thời dựa vào tính tán xạ mơi trƣờng Nếu môi trƣờng tán xạ kém, cho dù đầu nhiều anten số luồng song song nhỏ (vì tƣơng quan môi trƣờng tán xạ hạn chế số luồng song song độc lập) 2.3.Thiết kế hệ thống lai ghép Tạo búp tƣơng tự sơ đồ tạo búp lai dùng RF (nhƣ nói phần trƣớc) nên ma trận trọng số tạo búp tƣơng tự khơng làm thay đổi số dịng song song tạo từ búp số Nếu gộp búp tƣơng tự từ phía với kênh để có kênh tƣơng đƣơng hiệu dụng ta lại trở lại hệ thống hồn tồn búp số Mơ hình M dịng liệukhảo sát phân viết ghép thêm phần tạo búp tƣơng tự nhƣ sau: (2.12) 28 (2.13) Ở ( ) chuẩn đơn vị, ( ( )là ma trận với phần tử đƣợc )và ( ) ma trận có phần tử khơng ràng buộc có tham số cố định (sau bắt tay kết nối) Các cột ]đặt: đáp ứng mảng ULA ứng với lƣới góc rời rạc quét từ:[ Giả sử () ( ) , i =1,…., (2.14) () ( ) , i =1,…., (2.15) Các ma trận tạo búp tƣơng từ từ RF BS MS có dạng sau: [ ( ( )) ( [ ( ( )) ( ( ( )) ] )) ] (2.16) (2.17) Coi tầng nối tiếp là: búp tƣơng tự BS, ma trận kênh H, búp tƣơng tự MS nhƣ ma trận kênh tƣơng đƣơng ̃ có kích thƣớc Lúc ta qui mơ hình búp tồn số nhƣ khảo sát phần với kênh ̃ tƣơng đƣơng có số chiều giảm nhiều so với số ăng ten Từ vecto riêng phải, trái trội ̃ theo phƣơng pháp xác định nhƣ 2.2 thơng qua pilot phía xác định đƣợc ma trận mã trƣớc Hình vẽ dƣới minh họa điều này: Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống lai ghép 2.4 Mơ hình nhiều ƣời sử dụng 29 Bài tốn cho K ngƣời dùng mở rộng toán đơn ngƣời dùng với vị trí khác mà lúc BS phải phục vụ Áp dụng yêu cầu Massive MIMO >>K để đảm bảo khơng có nhiễu xun ngƣời dùng (do thu ngƣời dùng khác phối hợp thu với nhau) Lúc ký hiệu MSk) ( ) ma trận BS MS thứ k (viết gọn Ta có: ( ) ( ( Với ( ) ) ) (2.19) ) có phần tử chuẩn đơn vị, ( ( (2.18) ) có phần tử không ràng buộc Kênh tƣơng đƣơng đƣợc mơ hình tầng ma trân nối tiếp: ̃ (2.20) ( ) Tại pha a) Gọi dãy vecto cột có ma trận hiệp phƣơng sai đơn vị Các vecto đƣợc BS phát với công suất PT Tín hiệu nhận đƣợc MSk là: ( ) Ở √ ( ) ( ) vecto AWGN Đặt: ̃ ̃ ( ) ( ) chiều có thống kê (2.21) ( ) , ma trận hiệp phƣơng sau tín hiệu nhận đƣợc là: [ ( ) ( )] (2.22) xấp xỉ ma trận đơn vị, MSk ƣớc lƣợng đƣợc M vecto riêng trái Giả sử trội Rk đồng thời M hƣớng truyền trội Hk MSk giả sử ma trận ( ) chứa vecto Chú ý khơng địi hỏi MSk biết dãy Pha b) gọi ( ) ma trận có hàng M dãy pilot lƣợng phần cho ngƣời dùng k Các hàng trực giao khơng địi hỏi trực giao ngƣời dùng khác MSk phát ma trận √ nối tiếp với khe thời gian hệ số công suất điều chỉnh vị trí MSk Tín hiệu nhận đƣợc BS ma trận kích thƣớc ( ) biểu diễn là: 30 ∑√ ̃ ∑∑ ( ) (2.23) Ở Z thành phần tạp âm Khơng tính tổng quát giả thiết phần tử chéo xắp theo thứ tự giảm dần đồng thời ký hiệu phần tử đƣờng chéo thứ i √ vecto cột thứ i Dựa vecto nhân đƣợc ma trận pilot ƣớc lƣợng đƣợc vecto riêng phải trội kênh Một thuật tốn đơn giản PM (pilot-matched) ( ) ] [ ƣớc lƣợng nhƣ sau: ̂ Hoặc trận [ , thuật tốn ZF đƣợc áp dụng để ƣớc lƣợng ma ] xét thống kê với Zk ( )và đồng thời Pha truyền liệu: Sau ƣớc lƣợng đƣợc vecto riêng trội phải trái kênh pha truyền liệu đƣợc tiến hành nhƣ sau: - Truyền ngƣợc: MSk tạo búp (Mã trƣớc) dùng ma trận xác định đƣợc BS sử dụng ma trận [ - Truyền xuôi: BS dùng [ MS dùng 2.5 ] để tách tín hiệu ] để tạo búp (mã trƣớc), để tách liệu thu đƣợc ề xuất phối hợp hệ thống Massive MIMO với hệ thống sóng Milimet: Một điểm đặc biệt hệ thống sóng milimet sóng suy giảm mạnh nên tạo búp kết nối từ phía trạm sở BS MS phải đƣợc thiết lập trƣớc phát Pilot ƣớc lƣợng kênh Điều có nghĩa, hai búp sóng đƣờng xuống đƣờng lên phải hƣớng phía để đảm bảo SNR lớn trƣớc truyền Pilot Do phải có pha qt búp dị tìm Lúc đầu trạm sở quét búp tƣơng tự (ở sóng milimet) theo bƣớc quét (cỡ ) Tại bƣớc quét, máy di động MS quét búp (bƣớc qt lớn cỡ 300 có anten hơn) Với góc hƣớng lên hƣớng xuống truyền tín hiệu để đánh giá SNR nơi thu Kết ta có ma trận hƣớng giá trị SNR BS máy MS (ở ta xét tƣơng quan BS MS mặt phẳng chiều, xét chiều ma trận hƣớng trở thành mảng chiều phức tạp) Sau có ma trận hƣớng, giá trị SNR lớn cho dẫn hƣớng “bắt tay” BS MS tạo nên kênh truyền đảm bảo độ lớn SNR Đây dẫn để thiết kế ma trận trọng số cho búp tƣơng tự Sau BS MS bắt tay theo hƣớng dẫn truyền Pilot để ƣớc lƣợng kênh truyền Ngồi BS 31 MS có vật cản đáng kể với tán xạ sóng milimet yếu khơng có giá trị SNR đáng kể ma trận hƣớng khơng thể kết nối máy di động MS vào hệ thống Trong với hệ thống Massive MIMO, dải sóng centimet (≤6GHz), pha Pilot đƣờng lên máy MS cần dùng anten (phát sóng omni mà khơng cần tạo hƣớng), tín hiệu dễ dàng đạt tới dàn anten trạm sở với SNR đủ đảm bảo để trạm sở xác định đƣợc ma trận kênh Ngoài tính chất tán xạ cao dải tần nên BS MS có vật cản sóng truyền vịng sau (tất nhiên với lƣợng suy giảm định) nhƣ MS kết nối đƣợc với BS Phân tích đặc điểm đề xuất hệ thống BS MS hoạt động kết hợp mode: Mode Massive MIMO mode sóng milimet (với tạo búp lai) Việc kết hợp đem lại lợi ích: Khơng tốn thời gian khảo sát việc qt búp, dị tìm hƣớng bắt tay BS MS việc xây dựng ma trận hƣớng dùng sóng milimet, đồng thời khơng đủ điều kiện kết nối MS với BS (do có vật cản) qua sóng milimet chuyển sang kết nối sóng centimet Cụ thể đề xuất nhƣ sau: - Cả BS MS đƣợc tích hợp phần cứng, phần mềm, hoạt động mode: Massive MIMO sóng Milimet; - Tại pha ban đầu: Các MS phát pilot mode Massive MIMO dùng anten; - BS nhận đƣợc pilot đƣờng lên xác định đƣợc hƣớng MS thông qua kỹ thuật DOA (các hƣớng hƣớng LOS, hƣớng phản xạ mạnh có vật cản NLOS) Chú ý hƣớng sóng tới (DOA) độc lập với bƣớc sóng Tức đƣờng truyền LOS giá trị góc tới nhƣ (khơng phụ thuộc sóng centimet hay sóng milimet) - Dựa vào kết DOA xác định đƣợc (qua mode Massive MIMO), BS tạo búp sóng milimet hƣớng phía MS (mà khơng phải qt búp dị tìm) Khi cần quét búp lên từ máy MS để tìm hƣớng có SNR mạnh - Nếu DOA từ MS có đƣờng truyền LOS sau búp bắt tay sóng milimet có SNR đủ để truyền Pilot ƣớc lƣợng đƣợc kênh truyền MS đƣợc kết nối với BS qua mode sóng milimet - Nếu DOA từ MS có đƣờng truyền NLOS, hƣớng búp với sóng milimet theo hƣớng khơng cho đủ giá trị SNR để truyền Pilot pilot Khi MS đƣợc trả lại mode Massive MIMO để kết nối với BS Sơ đồ đƣợc mnh họa nhƣ sau: 32 Hình 2.4: Sơ đồ phối hợp hệ thống Massive MIMO với hệ thống sóng Milimet Tóm lại hệ thống tổ hợp đề xuất có số lợi ích sau: - Khơng thời gian dị tìm bắt tay búp lên búp xuống trạm sở máy di động - Nếu có vật cản BS MS khơng đủ điều kiện liên lạc qua sóng milimet đảm bảo kết nối qua sóng centimet So với hệ thống quét búp sóng, hệ thống tạo búp theo DOA đảm bảo điều kiện LOS, máy MS ln nằm tâm búp sóng, đảm bảo SNR lớn nhât, hệ thống quét búp MS nằm lệch tâm búp sai lệch ngẫu nhiên phạm vi nửa độ rộng búp quét Kết luận C ƣơ Chƣơng khảo sát kỹ thuật xử tín hiệu kênh truyền MIMO Để xử lý tối ƣu cần xác định đƣợc ma trận chứa vecto riêng phải trái kênh (thực vecto tạo búp số thu phù hợp) thơng qua Pilot từ phía Khi thiết kế búp lai phù hợp với đặc điểm sóng milimet gộp búp tƣơng tự phía với kênh truyền H để đƣợc kênh hiệu dụng tƣơng đƣơng Lúc tốn lại đƣa tạo búp cho kênh MIMO hồn tồn số Cịn trọng số cho búp tƣơng tự phải thực qua pha dị tìm, bắt tay Phần cuối chƣơng có đề xuất mơ hình kết hợp hệ Massive MIMO sóng centimet với hệ thống sóng milimet nhằm giảm bƣớc dị tìm pha bắt tay búp từ phía dựa kỹ thuật xác định DOA máy MS, hƣớng xác định có đƣờng truyền LOS, hƣớng búp sóng milimet theo hƣớng mà khơng phải dị tìm Nếu hƣớng sóng đến từ MS qua đƣờng NLOS hƣớng búp milimet theo khơng đảm bảo SNR, MS kết nối vào hệ Massive MIMO Phƣơn pháp cho kết nối vào mạng tốt dùng sóng milimet, cịn có điều kiện kết nối sóng milimet cho băng tần liên lạc lớn nhiều 33 HƢƠ G – MÔ PHỎ G V Á H GIÁ Chƣơng sử dụng phần mềm theo tài liệu [3] nhằm mơ kênh sóng milimet theo mơ hình Saleh-Valenzuela (công thức 1.2) với số cụm tán xạ số ngẫu nhiên có trung bình 1,9 Số tia số ngẫu nhiên nguyên < 30 phân bố từ cụm tán xạ Mô thực tế bào bán kính R, có tính đến suy giảm công suất theo khoảng cách tạp âm nhiệt đầu thu Trạm sở có NBS ăng ten Có K máy di động phân bố ngẫu nhiên cell, máy di động có NMS anten Mỗi lần gieo ngẫu nhiên, vị trí máy di động cell đƣợc xác định, kéo theo ma trận kênh BS với MS đƣợc xác định Từ ma trận kênh xác định thuật toán phân tích đƣợc thực để tìm ma trận vecto riêng phải trái đƣợc ƣớc lƣợng, từ tính đƣợc SNR phía thu hiệu suất phổ đƣờng truyền (theo công thức 2.5, 2.7, 2.10 chƣơng 2) Kết tính hiệu suất phổ đƣợc tính theo phân bố tích lũy sau 1000 lần gieo ngẫu nhiên Kết mô nhằm xác định mục tiêu: - Với mơ hình kênh MIMO với sóng milimet xây dựng, chọn số luồng truyền song song thích hợp với cấu hình có số ăng ten phát thu chọn trƣớc Hiệu suất phổ phân bố tích lũy phụ thuộc theo số ăng ten phát thu nhƣ - Ngoài xử dụng mơ hình đánh giá mơ hình đề xuất kết hợp hệ thống Massive MIMO với hệ sóng milimet khơng làm giảm dung lƣợng (hay hiệu suất phổ) hệ thống tổng cộng, vị trí MS xác định theo DOA độ lợi búp cực đại so với sai lệnh ngẫu nhiên phạm vi nửa búp sóng theo phƣơng pháp quét búp sóng 3.1.Các tham số mô Băng tần W=500MHz tần số mang f0=73GHz Khoảng cách BS MS ngẫu nhiên dải [5,100]m Tạp âm nhiệt giả sử -174dBm/Hz cấu hình ồn bên BS MS 6dB Tại pha a) BS phát công suất 1W, độ dài pilot PBS=32, pha b) MS phát công suất 0.1W độ dài pilot là:PMS=10 Ở pha truyền liệu công suất phát BS MS 1W 0.1W Kết lấy trung bình 1000 lần ngẫu nhiên với kênh độc lập 34 Sử dụng mơ hình kênh MIMO milimet theo CDF tốc độ đạt đƣợc ngƣời dùng cho hệ thống có K = ngƣời dùng NBS = 28 ÷ 40 NMS = 8÷10; Trong mơ chọn K=1 thay K=5 số lần gieo ngẫu nhiên tăng thêm lần 3.2.Khảo sát số luồng truyền song song BS MS Tính so sánh Phân bố CDF tốc độ tổng trƣờng hợp: - Trƣờng hợp 1: Xét K=1, M=1 Số ăng ten thu NMS=8; số ăng ten phát NBS=32; Trƣờng hợp 2: Xét K=1, M=2 Số ăng ten thu NMS=8; số ăng ten phát NBS=32; Trƣờng hợp 3: Xét K=1, M=3 Số ăng ten thu NMS=8; số ăng ten phát NBS=32; Trƣờng hợp 4: Xét K=1, M=4 Số ăng ten thu NMS=8; số ăng ten phát NBS=32; Hình 3.1 Kết mơ so sánh Phân bố CDF tốc độ tổng trường hợp Nhận xét: Với kết cho thấy M=3 thích hợp, có xử lý tăng thêm số dịng M kết khơng tăng đáng kể (vì vecto riêng thứ 4, thứ cho trị riêng nhỏ) Đồng thời ý khoảng cách xa việc tăng M có tác dụng ngƣợc lại SNR nhỏ nhiễu xuyên dòng tăng 35 3.3.Khảo sát t a đổi số anten BS số anten MS Hình 3.2 Kết mơ thay đổi số anten BS số anten MS Nhận xét: Khi cố định M=3, thay đổi số lƣợng anten phát thu Kết cho thấy tăng số lƣợng anten hiệu suất phổ tăng đáng kể 3.4 So sánh pp dùng hệ thống quét búp hệ thố đề nghị dùng DOA Ở ta chọn M=2, để thời gian xử lý nhanh mà đảm bảo hiệu suất phổ cao a) Trƣờng hợp 1: Xét K=1, M=2 Số ă te t u MS=10; số ă te p át BS=30; 36 Hình 3.3 Kết mơ với K =1, M=2, NMS = 10, NBS = 30 b) Trƣờng hợp 2: Xét K=1, M=3 Số ă te thu NMS=20; số ă te p át BS=20: Hình 3.4 Kết mô với K =1,M=3, NMS = 20, NBS = 20 37 Nhận xét: - Phƣơng pháp DOA có độ lợi tốt so với việc không sử dụng phƣơng pháp DOA - Khi M=3, số ăng ten khác nhau, đồ thị 3.3 xoải rõ - Phƣơng pháp DOA có độ lợi tốt so với việc khơng sử dụng phƣơng pháp DOA Kết cho hàm phân phối tích lũy CDF phƣơng pháp xác định búp theo DOA không tồi hơn, đồng thời thời gian thiết lập nhỏ hơn, tạo điều kiện tốc độ liệu tăng thêm theo thời gian Kết luận C ƣơ Chƣơng dùng phần mềm tài liệu [3] để đánh giá tính chất hệ thống Phần mềm mơ kênh MIMO cho sóng milimet theo mơ hình SalehValenzuela theo kênh sóng milimet tán xạ kém, góc tới hay phát từ ăng ten góc thƣa Mơ nhằm đến nội dung là: - Cho dẫn Lựa chọn số luồng sóng song thích hợp kênh MIMO milimet, nhƣ số ăng ten phát thu Chứng tỏ mơ hình đề xuất kết hợp hệ Massive MIMO với hệ sóng milimet khơng giảm thời gian dị tìm bắt tay mà cải thiện hiệu suất phổ hệ thống MS ln nằm búp nhắm theo hƣớng DOA 38 ẾT UẬ Luận văn trình bày số nghiên cứu sóng milimet nhƣ: - Đặc tính truyền sóng; - Mơ hình kênh; Vấn đề quan trọng vấn đề tạo búp cho sóng milimet để tăng cực ly đƣờng truyền đem lại khả áp dụng thực tế điện thoại tế bào Cùng với phát triển kỹ thuật Massive MIMO việc tạo búp sóng số phục vụ đồng thời nhiều ngƣời dùng di động, việc tạo búp lai số tƣơng tự giải pháp thích hợp khả thi với sóng milimet Ngồi Luận văn đề xuất mơ hình tích hợp hệ thống Massive MIMO hệ thống sóng milimet nhằm giảm phức tạp việc qt búp dị tìm hệ sóng milimet đồng thời đảm bảo kết nối ngƣời dùng kênh milimet không đảm bảo điều kiện SNR Trong nghiên cứu học viên hƣớng đến kết cấu tối ƣu tạo búp số búp tƣơng tự hệ thống sóng milimet 39 T I I U TH M HẢO [1].Wonil Roh, Ji-Yun Seol, JeongHo Park, Byunghwan Lee, Jaekon Lee, Yungsoo Kim, Jaeweon Cho, and Kyungwhoon Cheun, Samsung Electronics Co., Ltd Farshid Aryanfar, Samsung Research America, “Millimeter-Wave Beamforming as an Enabling Technology for 5G Cellular Communications: Theoretical Feasibility and Prototype Results”; [2].Xinyu Gao, Linglong Dai, and Akbar M Sayeed, “Low RF-Complexity Technologies for 5G Millimeter-Wave MIMO Systems with Large Antenna Arrays”; [3].Stefano Buzzi, Senior Member, IEEE, and Carmen D’Andrea “On Clustered Statistical MIMO Millimeter Wave Channel Simulation”; [4] Taeyoung Kim, Jeongho Park, Ji-Yun Seol, Suryong Jeong, Jaeweon Cho, and Wonil Roh, “Tens of Gbps Support with mmWave Beamforming Systems for Next Generation Communications [5].Stefano Buzzi, Senior Member, IEEE, and Carmen D’Andrea, “Multiuser Millimeter Wave MIMO Channel Estimation with Hybrid Beamforming”; [6] homas L Marzetta, Erik G Larsson, Hong Yang, Hien Quoc Ngo, “Fundamentals of Massive MIMO”, Cambridge University Press; [7] Hien Quoc Ngo, Erik G.Larsson, Thomas L Marzetta, “Energy and Spectral Efficiency of Very Large Multiuser MIMO Systems”; [8] Hien Quoc Ngo: “Fundamentals and System Design”, Linköping Studies in Science and Technology, Dissertations, No 1642; 40