Mô phỏng kênh truyền cho truyền thông MIMO quang không dây

Như vậy, khi giảm số bước tính toán không làm ảnh hưởng đến kết quả tính toán vì phương pháp này tính các đường ít phản xạ bằng cách gom chung với các đường nhiều phản x[r]

DOI:10.22144/jvn.2017.007

MÔ PHỎNG KÊNH TRUYỀN CHO TRUYỀN THÔNG MIMO QUANG KHÔNG DÂY

Phan Cẩm Thảo, Đặng Lê Khoa, Nguyễn Minh Trí, Nguyễn Thanh Tú, Lê Hữu Phúc Nguyễn Hữu Phương

Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP HCM Thông tin chung:

Ngày nhận: 18/08/2016

Ngày chấp nhận: 28/04/2017 Title:

Channel simulation of optical wireless MIMO

communications Từ khóa:

Internet vật, LiFi, mơ hình kênh truyền, quang khơng dây, hệ thứ Keywords:

5th generation, channel model, Internet of Things LiFi, optical wireless

ABSTRACT

Optical wireless communication is a potential candidate for 5th generation wireless communication systems (5G) The technology is orientated towards a commercial product called LiFi This is technology for high-speed transmission and is especially effective in applications of Internet of Things (IoT) In order to evaluate the transmission quality of optical wireless systems, the wireless optical channel needs to be simulated through mathematical equations The popular simulation methods of optical channel nowadays need to take many operations, particularly in the multiple-input and multiple-output (MIMO) In this paper, the response of the MIMO optical wireless communication and methods to reduce the number of operations in determining response of MIMO optical wireless channel were studied Analysis results show that this method was reduced four times the complexity in 2x2 MIMO antenna configuration with reflection factor of

TĨM TẮT

Truyền thơng quang không dây ứng viên tiềm cho mạng truyền thông không dây hệ thứ (5G) Công nghệ hướng tới sản phẩm thương mại mang tên LiFi Đây công nghệ truyền dẫn tốc độ cao đặc biệt hiệu ứng dụng Internet vật (IoT) Để đánh giá chất lượng truyền dẫn hệ thống quang không dây, kênh truyền quang không dây cần mô thơng qua phương trình tốn học Các phương pháp mô kênh truyền quang phổ biến nay cần thực nhiều phép tính tốn, đặc biệt hệ thống nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO) Trong báo này, sẽ nghiên cứu về đáp ứng kênh truyền MIMO quang không dây phương pháp nhằm giảm số phép tính tốn xác định đáp ứng kênh truyền MIMO quang khơng dây Kết phân tích cho thấy phương pháp này giảm số phép tính tốn lần cấu hình MIMO 2x2 với bậc phản xạ

Trích dẫn: Phan Cẩm Thảo, Đặng Lê Khoa, Nguyễn Minh Trí, Nguyễn Thanh Tú, Lê Hữu Phúc Nguyễn Hữu Phương, 2017 Mô kênh truyền cho truyền thơng MIMO quang khơng dây Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ 49a: 47-55

1 GIỚI THIỆU

Truyền thông quang không dây (OWC) ứng viên tiềm cho truyền dẫn khơng dây nhà Kỹ thuật sử dụng sóng ánh sáng để

́

truyền cao so với công nghệ truyền thông không dây Bluetooth, WiFi, lại hoạt động dải băng tần không cấp phép (Gfeller and Bapst, 1979) Hơn nữa, việc sử dụng linh kiện đơn giản rẻ tiền với LED phía phát photodetector phía thu nên chúng ứng dụng thực tế dễ dàng

Khi thiết kế hệ thống không dây, kênh truyền yếu tố quan trọng cần xem xét cẩn thận ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn chất lượng hệ thống Hệ thống quang khơng dây có nhiều đường truyền phía phát phía thu gây tượng đa đường làm can nhiễu liên ký hiệu Kênh truyền quang không dây bao gồm đường LOS NLOS Năm 1999-2000, kỹ thuật dò tia sáng (ray tracing) kết hợp với Monte Carlo đề xuất để ước lượng kênh truyền không dây hồng ngoại nhà (Lopez-Hernandez et al., 1999, Lopez-Hernandez et al., 2000) Đồng thời, để đánh giá tượng đa đường, cần ước lượng xác đáp ứng xung kênh truyền (CIR) (Alqudah and Kavehrad, 2003) Năm 2005, thuật toán Monte Carlo đề xuất để tính đáp ứng kênh truyền quang khơng dây nhà dựa mơ hình xạ (Zhang et al., 2005) Năm 2009, có nghiên cứu nhận thấy LED cơng suất cao lên đến 130 lumens LED, LED cung cấp đủ chiếu sáng môi trường nhà truyền thơng quang khơng dây thường sử dụng nhiều LED phát nhiều photodetector tạo nên hệ thống MIMO Hệ thống MIMO có khả giảm hiệu ứng chắn sáng (shadowing) cho hiệu suất cao so với SISO (Zeng et al., 2009) Hơn nữa, cách sử dụng nhiều LED để truyền liệu nên kỹ thuật MIMO truyền dẫn tốc độ cao

Năm 2013, có đề xuất sử dụng phương pháp “iterative site-based” để tính tốn đáp ứng xung kênh truyền phương pháp ray tracing, phương pháp mở rộng cho hệ thống MIMO hiệu (Tan et al., 2014)

Bài báo nghiên cứu lý thuyết kênh truyền quang không dây sử dụng kỹ thuật MIMO Phương pháp dị tia sáng sử dụng để tính đáp ứng kênh truyền MIMO nhà bao gồm đáp ứng xung miền thời gian miền tần số Mơ hình kênh truyền thực bao gồm ảnh hưởng phản xạ khuếch tán nên cho kết có đặc tính tương tự mơi trường thực tế (Ghassemlooy et al., 2012) Phần lại báo trình bày sau: Phần II việc tính tốn đáp ứng xung giảm phép tính tốn cho kênh truyền MIMO quang không dây Kết mô

phỏng kênh truyền trình bày phần III Phần IV kết luận

2 MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN QUANG

KHƠNG DÂY

2.1 Kênh truyền quang khơng dây

Vấn đề quan tâm kênh truyền ảnh hưởng đa đường tín hiệu từ phát đến thu Hiện tượng đa đường gây phản xạ tường, trần, vật dụng nội thất Các bề mặt phản xạ phòng đóng vai trị phản xạ Lambertian phản xạ ngẫu nhiên tín hiệu theo hướng Giả sử bề mặt phản xạ phòng tạo thành từ nhiều thành phần phản xạ trực tiếp tới phát, lần phản xạ tạo nhiều phản xạ Các đáp ứng xung đạt cách chia bề mặt phản xạ thành N thành phần phản xạ Nếu N lớn, đáp ứng xung tính giống với thực tế Số lượng thành phần N phịng hình chữ nhật với kích thước chiều rộng W , chiều dài L, chiều cao H(W ,L,H) cho (1)

 

2 ,

x z x y y z

x y z

N n n n n n n

W L H d

n n n

      

   (1)

Hằng số d thể khoảng cách từ trung tâm đến thành phần lân cận, lấy cho tất bề mặt Mỗi bề mặt góp phần trực tiếp tín hiệu thu chúng nằm góc thu FOV, đóng góp gián tiếp thơng qua đường phản xạ nằm ngồi Mơ hình tính tốn kênh truyền quang khơng trình bày Hình

Ti

q

Ti

j

Ti

R

TR

j RTR

*

Ti

j

iR

j

iR

R *

jR

q TR

q *

Ti

q

*

ij

j

*

iR

j * ij

q

R T

Hình 1: Mơ hình tính tốn kênh truyền quang khơng dây

Mơ hình xạ thành phần khuếch tán hàm bậc Lambertian Đáp ứng xung LOS

 

0

     

0

2

cos cos

,

TR TR R TR

TR

TR

A R

h t t

c R          

  (2)

trong TR góc phát TR góc thu, AR

là diện tích đầu thu, RTRlà khoảng cách T R, c tốc độ ánh sáng Đáp ứng sau lần phản xạ khỏi thành phần i có cách xem i máy thu nên cần N phép tính, sau i nguồn nên cần N phép tính Khi chia thành N bề mặt phản xạ đáp ứng lần phản xạ cần 2N phép tính Đáp ứng xung lần phản xạ cho công thức (3)

          2 cos cos cos cos , Ti Ti i

TR

Ti

i iR iR R Ti iR

iR

A

h t

R

A R R

t c R                    (3)

trong Ai diện tích thành phần phản xạ i, i hệ số phản xạ i Đáp ứng từ hai lần

phản xạ thành phần i và thành phần j như công thức (4) Khi chia thành N bề mặt phản xạ, đáp ứng nguồn đến thành phần i cần N phép tính, thành phần i và thành phần j cần N2 phép tính,

thành phần j đếnđầu thu cần N phép tính Đáp ứng kênh lần phản xạ từ đầu phát đến đầu thu cần

 2

2N N phép tính cho bởi:

             

2

, , 2

2

cos cos cos cos

cos cos

i ij ij j

Ti Ti i

i j R

Ti ij

j jR jR R Ti ij jR

jR

A A

h t

R R

A R R R

t c R                          (4)

Đáp ứng xung tổng hợp tính cách cộng đáp ứng xung trực tiếp đáp ứng xung phản xạ (Perez-Jimenez et al., 1997)

2.2 Giảm số phép tính tốn cho mơ hình

kênh truyền MIMO quang khơng dây

Mơ hình kênh truyền quang khơng dây phân tích với anten phát anten thu Hình Kích thước thơng số mơ hình thể Bảng 1, Bảng

Bảng 1: Thuộc tính đầu phát đầu thu

Thuộc tính Giá trị

anten anten

Vị trí đầu phát T1(1.25, 2.5, 3) T2 (3.75, 2.5, 3)

Kích thước LED mảng 7x7 mảng 7x7

Công suất LED 20 mW 20 mW

Bậc Lambert 1

Góc đặt phát -900 -900

Góc nửa cơng suất 700 700

Vị trí thu R1(1.25, 2.5, 0.85) R2(3.75, 2.5, 0.85)

Diện tích đầu thu cm2 1 cm2

FOV thu 850 850

Góc đặt thu 900 900

Bảng 2: Thuộc tính phịng

Thuộc tính Giá trị

Kích thước phịng Hệ số phản xạ trần Hệ số phản xạ tường Hệ số phản xạ

t



Ts R

5x5x3 m3 0.8 0.8 0.2 0.5 ns 0.75 A/W Tổng số phép tính đáp ứng xung hệ thống anten phát anten thu phương pháp trực tiếp là:

2

1 D

C   N N . (5)

Đáp ứng xung kênh MIMO với NT anten phát NR anten thu phương pháp trực tiếp với hai lần phản xạ (K2) là:

1 4 2 MIMO

D T R

C N N  N N (6)

Trong báo này, chúng tơi sử dụng mơ hình tính đáp ứng xung nhằm giảm bớt số lượng tính tốn Hình đáp ứng xung từ đầu phát đến đầu thu Dựa vào khả tính tốn ma trận nhanh chóng dễ dàng phần mềm Matlab, chia thành N bề mặt phản xạ mơ hình kênh truyền chia làm phần nhỏ gồm đường truyền thẳng, nguồn phát đến N bề mặt phản xạ, bề mặt phản xạ với nhau, N bề mặt phản xạ với đầu thu (Lopez-Hernandez et al., 1998) Mơ hình tính nhanh đáp ứng kênh truyền MIMO quang

́

khơng dây Hình Đáp ứng xung tổng hợp H

giữa đầu phát đầu thu với K phản xạ cho (7)

   

0

K

i

 i  0 

T K R

H H H F Φ G , (7)

với phần thứ H 0 thành phần LOS, T

F

là thành phần đầu phát đến N bề mặt phản xạ,

K

Φ ma trận bề mặt phản xạ với nhau, GR

là N bề mặt phản xạ tới đầu thu

Phần thứ hai thể hàm chuyển đầu phát thành phần phản xạ Thành phần mơ hệ thống đơn đầu vào – đa đầu ra, thể (8)

   

2 cos cos

2

i ki ki Tk

ki

ki

i ki

ki

A

R R

f t t u

c R c

  

  



     

          



    , (8)

với đầu phát thứ k, vector Fk với N

thành phần bề mặt thể (9)

fk1, ,fkN

 

k

F (9)

1

f

i f

N f

1

g

i g

N g

 N N

Φ

(0)

H

Hình 2: Mơ hình tính nhanh kênh truyền

11

f

1

k f

1 T

N f

11

g

1

i g

1

N g



K

Φ

(0)

H

2

k f

2 T

N f



1N f

T

N N f





1k g

ik g

Nk g



1NR

g

R

iN g

R

NN g



1

T

k T

T

N T

1

R

k R

R

N R ki

f

kN f

Hình 3: Mơ hình tính nhanh kênh truyền MIMO

Phần thứ ba phụ thuộc vào việc chia số lượng thành phần phản xạ hệ số phản xạ phòng Thành phần bao gồm hàm

chuyển thành phần phản xạ công thức (10)

2 N N

N N

I ,

I , K K K                   K

Φ , (10)

với IN N ma trận đơn vị kích thướcN N

 cho (11)

11

1

, , 1, , ij

i

j

i j N

                    

Thành phần ij thể hàm chuyển thành phần i j cho (11)

    0, cos cos , i ij

j j j

ij ij ij ij A R i j t c j

R u i

                               (11) Phần cuối đáp ứng xung phụ thuộc vào thông số thu vị trí góc thu FOV Đây hàm chuyển thu thành phần bề mặt Ở dạng vector, đáp ứng xung có dạng

g1k; ;gNk

 R

G , với gik cho (12)

     

2

cos cos

ik ik R ik

ik k ik

ik

A R

g t u FOV

c R             

  (12)

Xét trường hợp phản xạ bậc (K2), số phép tốn để tính cho đường LOS N NT R, số phép toán phần Fklà N NT , số phép toán phần ΦK

là N2, số phép toán phần R

G NNR Đáp ứng xung hệ thống MIMO giảm số phép toán là:

2

MIMO

L T R T R

C N N N N N NN (13)

Ví dụ, với hệ thống MIMO anten phát anten thu số phép tốn tính trực tiếp

 

2 2x 4 4

D

C   N N giảm số phép toán 2x 4 4

L

C   N N Vậy thuận toán giảm gần lần so với phương pháp trực tiếp

3 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG

Kết mơ chia làm phần Phần đầu công suất phân bố trung bình kết đáp ứng kênh truyền Phần sau thể độ trễ hiệu dụng phân bố độ trễ mô kênh truyền Hệ thống mô chia tường thành 26x16 điểm, sàn trần 26x26 điểm Vậy N 3016 điểm phản xạ Ở đây, hệ thống xét với hai lần phản xạ (

2

K ) Việc chia N, K lớn tăng độ xác tăng số tính tốn

3.1 Đáp ứng thời gian tần số kênh

Dựa cơng thức để tính đáp ứng xung anten thu anten phát Cơng suất máy phát chuẩn hóa Watt, đáp ứng xung tổng công suất tương ứng đạt sau qua mơ hình kênh truyền phân bố Để khảo sát phân bố cơng suất quang phịng, vị trí hai anten phát đặt trần nhà với tọa độ tương ứng T1(1.25, 2.5, 3) T2 (3.75, 2.5, 3), đồng thời qt tồn bề mặt sàn để tính tốn đáp ứng xung từ hai anten phát đến tất điểm mặt sàn để có phân bố cơng suất quang phịng

Hình 4: Phân bố công suất kênh

Dựa vào mật độ phân bố cơng suất quang phịng thu được, cơng suất quang cao vị trí máy thu đặt trung tâm phịng tín hiệu LOS lớn hai anten Khi máy thu di chuyển dần từ trung tâm phòng gần bề mặt tường đáp ứng xung cơng suất quang tương ứng giảm dần Đặc biệt máy thu đặt gần góc tường, đáp ứng xung kênh thấp Khi đặt máy thu góc tường, khoảng cách hai anten xa nhất, đồng thời đầu thu không nhận thành phần phản xạ từ bề mặt phản xạ khác

́

ứng xung cặp anten phát thứ anten thu thứ (h11h22) Và điều xảy với đáp ứng kênh cặp anten h12 h21

Xét cặp anten T1R1, với công suất nguồn

Watt, tổng công suất đường LOS 105 W, tổng

công suất đường phản xạ thứ

7

2.10 W Công suất giảm bậc phản xạ đáp

ứng xung tăng Hơn nữa, đáp ứng xung bậc cao đến chậm so với đáp ứng xung bậc thấp

Hình 5: Đáp ứng xung đường LOS đường phản xạ T1R1/T2R2 h0

h1

h2

Hình 6: Đáp ứng xung đường LOS đường phản xạ T1R2 / T2R1

Để đánh giá băng thông kênh truyền, đáp ứng tần số kênh xác định cách sử dụng biến đổi Fourier rời rạc

( ) ( ) j n t

j j

n

H   h n t e 

   (14)

Sau đó, đáp ứng biên độ kênh truyền chuẩn hóa để tìm giá trị băng thơng -3 dB kênh

2

3

|Hj(dB) | 0.5 |Hj(0) | (15)

h0

h1

h2