Ứng dụng kỹ thuật beamforming để giảm can nhiễu và giảm xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN HUỲNH ĐỨC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BEAMFORMING ĐỂ GIẢM CAN NHIỄU VÀ GIẢM XÁC SUẤT NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA Chuyên ngành: Mã số: Kỹ thuật Điện tử 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012 Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hƣớng dẫn khoa học: TS Đỗ Hồng Tuấn Cán chấm nhận xét 1: TS Đặng Thành Tín Cán chấm nhận xét 2: TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 26 tháng 12 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Võ Quế Sơn Chủ tịch TS Lƣu Thanh Trà Thƣ ký TS Đặng Thành Tín .Phản biện TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Phản biện TS Đỗ Hồng Tuấn Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Huỳnh Đức MSHV: 10140006 Ngày, tháng, năm sinh: 05/01/1979 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng kỹ thuật Beamforming để giảm can nhiễu giảm xác suất nghẽn hệ thống thông tin di động CDMA II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu kỹ thuật Beamforming, giải thuật MaxSINR, MMSE MVDR với lời giải cho trƣờng hợp nhiều điều kiện ràng buộc  Khảo sát mối quan hệ mức suy hao búp sóng phụ, độ rộng búp sóng với xác suất nghẽn cell  Ứng dụng giải thuật MaxSINR, MMSE MVDR để giảm độ rộng búp sóng chính, ấn định lại búp sóng tăng độ suy hao búp sóng phụ  Khảo sát anten đồng đƣợc xếp vòng tròn (UCA Uniform Circular Array) cách xếp anten vòng tròn đồng tâm nhƣ UCCA (Uniform Circular Centered Array), PUCA (Planar Uniform Circular Array) and PUHA (Planar Uniform Hexagonal Array) III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/2011 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ HỒNG TUẤN Tp,HCM, ngày …… tháng…… năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRUỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trƣờng, đƣợc dạy nhiệt tình Q thầy trình học nhƣ thực luận văn, em hoàn thành luận văn thạc sĩ Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn, ngƣời cho em ý tƣởng đề tài tận tình hƣớng dẫn, dạy em suốt trình học tập nhƣ thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Điện - Điện tử trƣờng Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức quý báu suốt trình học tập nghiên cứu trƣờng Lời cuối cùng, xin gửi lời cám ơn gia đình, bạn bè động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận văn TP HCM, tháng 11 năm 2012 Học viên Nguyễn Huỳnh Đức LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết tơi thực Nguyễn Huỳnh Đức GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ TÓM TẮT Luận văn sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) để làm giảm can nhiễu giảm xác suất nghẽn cell có nhiều búp sóng hệ thống thơng tin di động dựa CDMA (hay làm tăng tải lƣu lƣợng cho cell), nhờ việc giảm độ rộng búp sóng tăng mức suy hao búp sóng phụ Trong trƣờng hợp phân bố tải không đồng cell, nhƣ trƣờng hợp có búp sóng có tải lƣu lƣợng cao gây nghẽn (hot-beam), giảm xác suất nghẽn cell cách quay búp sóng cell góc nửa độ rộng búp sóng Trong luận văn này, kỹ thuật Beamforming đƣợc sử dụng với thuật toán MaxSINR, MMSE MVDR Ở đây, sử dụng khoảng số lƣợng anten từ 16 đến 20 để thực kỹ thuật Beamforming Đối với số lƣợng 17 19 anten, xét đến cách xếp anten khác mảng anten nhƣ UCA, UCCA, PUCA PUHA Mỗi loại cấu hình đƣợc đánh giá xác suất nghẽn so với cấu hình UCA ABSTRACT In this thesis, the beamforming techniques are used to reduce interferences and to reduce blocking probabilities of multi-beam CDMA systems by reducing main beamwidth and increasing sidelobe attenuation For non-homogeneous traffic loading over a cell, an area loaded with heavy traffic is called a hot-beam, we can mitigate the blocking probability of cell by rotating each beam direction an angle that is the half of the main beamwidth In this thesis three beamforming techniques, Maximum Signal to Interference and Noise Ratio (MaxSINR), Minimum Mean Square Error (MMSE) and Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) are used For each the beamforming technique, a varying number of isotropic antenna elements from 16 to 20 is considered For the number of 17 and 19 elements, we consider the different Uniform Circular Array (UCA) configurations such as: UCCA (Uniform Circular Centered Array), PUCA (Planar Uniform Circular Array) and PUHA (Planar Uniform Hexagonal Array) For each array configuration, we evaluate and compare their blocking probabilities with the UCA configuration HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang i GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BEAMFORMING ĐỂ GIẢM CAN NHIỄU VÀ GIẢM XÁC SUẤT NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2 Phát biểu toán 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: .3 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.5 Nội dung luận văn CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các sở để tính trọng số Beamforming 2.1.1 Cực đại tỷ số tín hiệu can nhiễu (MaxSINR): 2.1.2 Sai số bình phương trung bình nhỏ (Minimum Mean-Square Error – MMSE) 11 2.1.3 Đáp ứng phi nhiễu phương sai cực tiểu (Minimum Variance Distortionless Response – MVDR) 13 2.2 Các phƣơng pháp giảm xác suất nghẽn cell .15 2.2.1 Giảm độ rộng búp sóng 17 2.2.2 Ấn định lại búp sóng 19 2.3 Cách tính hệ số dãy AF (Array Factor) cho anten xếp theo vòng tròn 21 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang ii GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ CHƢƠNG III: KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA MỨC SUY HAO CỦA BÚP SÓNG PHỤ, ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SĨNG CHÍNH VỚI SỐ LƢỢNG ANTEN VÀ XÁC SUẤT NGHẼN 27 3.1 Khảo sát phụ thuộc mức suy hao búp sóng phụ độ rộng búp sóng vào số lƣợng anten 27 3.2 Khảo sát phụ thuộc xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ độ rộng búp sóng 30 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 34 4.1 Thực với 16 anten 34 4.2 Thực với 17 anten 38 4.2.1 Sắp xếp 17 anten đồng vòng tròn – UCA(17) 38 4.2.2 Sắp xếp 16 anten đồng vòng trịn có anten tâm – UCCA(1:16) .42 4.2.3 Sắp xếp 16 anten đồng hai vịng trịn có anten tâm PUCA (1:4:12) 47 4.2.4 Sắp xếp 16 anten đồng hai vịng trịn có anten tâm PUCA (1:8:8) .49 4.2.5 Sắp xếp 17 anten đồng hai vòng tròn - PUCA (8:9) .52 4.2.6 Sắp xếp 16 anten đồng ba vịng trịn có anten tâm PUCA (1:8:4:4) 54 4.3 Thực với 18 anten 57 4.4 Thực với 19 anten 61 4.4.1 Sắp xếp 19 anten đồng vòng tròn – UCA(19) 61 4.4.2 Sắp xếp 18 anten đồng vịng trịn có anten tâm – UCCA(1:18) .65 4.4.3 Sắp xếp 18 anten đồng hai vịng trịn có anten tâm PUCA (1:6:12) 68 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang iii GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ 4.4.4 Sắp xếp 18 anten đồng hai vịng trịn có anten tâm PUCA (1:9:9) .71 4.4.5 Sắp xếp 19 anten đồng hai vòng tròn - PUCA (9:10) 74 4.4.6 Sắp xếp 18 anten đồng ba vịng trịn có anten tâm PUCA (1:6:6:6) 76 4.5 Thực với 20 anten 79 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 89 5.1 Kết luận 89 5.2 Hƣớng phát triển 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang iv GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bộ tạo búp sóng (Beamformer) Hình 2.1 Các tín hiệu băng hẹp tới dãy anten Hình 2.2 Hệ thống thích nghi MSE 11 Hình 2.3 Cho dãy anten 13 Hình 2.4 Mẫu búp sóng anten 15 Hình 2.5 Cell việc phân bố lƣu lƣợng sau ấn định lại búp sóng với M = 20 Hình 2.6 Sắp xếp N phần tử anten theo vòng tròn 22 Hình 2.7 Sắp xếp anten đồng theo vịng trịn có thêm phần tử tâm UCCA 25 Hình 2.8 Sắp xếp anten đồng vịng trịn đồng tâm - PUCA 25 Hình 2.9 Sắp xếp anten đồng vòng trịn đồng tâm có thêm phần tử tâm 26 Hình 3.1 Mức suy hao búp sóng phụ theo số lƣợng anten 28 Hình 3.2 Độ rộng búp sóng theo số lƣợng anten 29 Hình 3.3 Mẫu búp sóng sử dụng 10 anten – UCA(10) 30 Hình 3.4 Sự phụ thuộc xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ cho trƣờng hợp 17 anten 32 Hình 3.5 Sự phụ thuộc xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ cho trƣờng hợp 19 anten 33 Hình 4.1 Sắp xếp 16 anten vòng tròn (UCA) 34 Hình 4.2 Mẫu búp sóng sử dụng UCA(16) 35 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang v GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ BP for UCA (19) & PUHA(1:6:12) 10 BP for UCA(19) BP for PUHA(1:6:12) -1 10 -2 BP 10 -3 10 -4 10 35 40 45 50 55 60 Er Hình 4.54 Xác suất nghẽn cell sử dụng UCA(19) PUHA(1:6:12) 4.5 Thực với 20 anten Chúng ta xếp 20 anten vòng tròn có bán kính R = 1,98λ nhƣ hình 4.55 R Hình 4.55 Sắp xếp 20 anten vịng trịn (UCA (20)) HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 79 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ Thực tạo búp sóng góc có φ = 00, kết thực với tiêu chuẩn MaxSINR, MMSE MVDR nhƣ sau: UCA (20) MaxSINR MMSE MVDR 0.9 0.8 0.7 |AF( )| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -150 -100 -50 (deg) 50 100 150 Hình 4.56 Mẫu búp sóng sử dụng UCA(20) Ta thấy kết mô trƣờng hợp thuật toán MaxSINR, MMSE MVDR cho độ rộng búp sóng 36,49740 suy hao búp sóng phụ 16,9779 Nhƣ vậy, với trƣờng hợp ta tạo cho cell có 10 búp sóng chính, tức búp sóng có độ rộng 360 Chúng ta thực quay búp sóng theo chiều kim đồng hồ góc nửa độ rộng búp sóng chính, 180 Ta đƣợc kết nhƣ hình 3.57 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 80 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ UCA (20) MaxSINR MMSE MVDR MaxSINR after rotation MMSE after rotation MVDR after rotation 0.9 0.8 0.7 |AF( )| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -150 -100 -50 (deg) 50 100 150 Hình 4.57 Mẫu búp sóng sử dụng UCA (20) sau quay góc 180 Trong trƣờng hợp này, ta thấy mức suy hao búp sóng phụ lớn, lên tới 16,9779, giá trị cộng với số lƣợng búp sóng cell 10 làm cho cell có tải lƣu lƣợng cao trƣờng hợp ta xét mà đạt xác suất nghẽn 1% Ở đây, đánh giá xác suất nghẽn, q trình tính tốn xuất giá trị vƣợt q tính tốn máy tính thơng thƣờng (xuất giá trị lên tới 216!, nhƣng với máy tính thơng thƣờng tính tốn đến giá trị 170!) Vì với trƣờng hợp khơng có đƣợc đánh giá cải thiện tải lƣu lƣợng cell HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 81 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ UCA(20) 0.9 MaxSINR MMSE MVDR 0.8 0.7 |AF( )| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -150 -100 -50 (deg) 50 100 150 Hình 4.58 Thực tạo búp sóng cho tồn cell với UCA(20) Với UCA(20), ta thấy việc tạo búp sóng cho toàn cell tốt Với 10 cell độ rộng búp sóng nửa mức cơng suất tạo đƣợc 36,49740 hầu nhƣ phủ đƣợc toàn cell Sử dụng mảng anten kết hợp với thuật toán MaxSINR, MMSE MVDR để thay đổi đặc tính thơng qua việc xác định trọng số dãy anten Qua phần mô với số lƣợng anten khác cách xếp anten khác nhau, thấy giải thuật cho kết độ rộng búp sóng mức suy hao búp sóng phụ hầu nhƣ giống Tuy với cấu hình UCCA(1:16) UCCA(1:18), MaxSINR có khác với MMSE MVDR, nhƣng khác biệt khơng lớn Cịn hai giải thuật MMSE MVDR cho kết giống HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 82 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ Bảng 4.1 Mức suy hao búp sóng phụ cho số lƣợng anten khác D UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20) MaxSINR 3.4223 6.2150 7.2569 12.9870 16.9779 MMSE 3.4223 6.2150 7.2569 12.9870 16.9779 MVDR 3.4223 6.2150 7.2569 12.9870 16.9779 Bảng 4.2 Mức suy hao búp sóng phụ cho 17 anten với cách xếp khác UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUCA D (17) (1:16) (1:4:12) (1:8:8) (8:9) (1:8:4:4) MaxSINR 6.2150 3.5971 5.3135 3.6206 4.2373 6.3776 MMSE 6.2150 3.4831 5.3135 3.6206 4.2373 6.3776 MVDR 6.2150 3.4831 5.3135 3.6206 4.2373 6.3776 Bảng 4.3 Mức suy hao búp sóng phụ cho 19 anten với cách xếp khác UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUHA D (19) (1:18) (1:6:12) (1:9:9) (9:10) (1:6:12) MaxSINR 12.9870 7.2359 11.1857 5.4289 5.8754 13.3511 MMSE 12.9870 7.3692 11.1857 5.4289 5.8754 13.3511 MVDR 12.9870 7.3692 11.1857 5.4289 5.8754 13.3511 Bảng 4.4 Độ rộng búp sóng cho số lƣợng anten khác α (degree) UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20) MaxSINR 45.0918 40.9665 32.1429 37.9871 36.4974 MMSE 45.0918 40.9665 32.1429 37.9871 36.4974 MVDR 45.0918 40.9665 32.1429 37.9871 36.4974 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 83 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ Bảng 4.5 Độ rộng búp sóng cho 17 anten với cách xếp khác α UCCA PUCA PUCA PUCA PUCA (degree) UCA (17) (1:16) (1:4:12) (1:8:8) (8:9) (1:8:4:4) MaxSINR 40.9665 46.6961 21.1421 16.5585 21.0848 34.7785 MMSE 40.9665 48.243 21.1421 16.5585 21.0848 34.7785 MVDR 40.9665 48.243 21.1421 16.5585 21.0848 34.7785 Bảng 4.6 Độ rộng búp sóng cho 19 anten với cách xếp khác α UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUHA (degree) (19) (1:18) (1:6:12) (1:9:9) (9:10) (1:6:12) MaxSINR 37.9871 32.0283 21.2567 33.1743 38.2163 22.0589 MMSE 37.9871 32.2575 21.2567 33.1743 38.2163 22.0589 MVDR 37.9871 32.2575 21.2567 33.1743 38.2163 22.0589 Nhƣ vậy, khoảng số lƣợng anten từ 16 đến 20, mức suy hao búp sóng phụ tăng số lƣợng anten sử dụng tăng (theo bảng 4.1) Khi sử dụng cách xếp anten khác số lƣợng 17 19 anten, vài dạng có cải thiện mức suy hao búp sóng phụ (so với dạng UCA) nhƣng không đạt đƣợc mức suy hao búp sóng phụ trƣờng hợp nhiều anten Với độ rộng búp sóng chính, tăng hay giảm không phụ thuộc vào việc tăng hay giảm số lƣợng anten (xem bảng 4.4) Trong khoảng số lƣợng anten mà khảo sát, với việc sử dụng UCA, số lƣợng 18 anten cho độ rộng búp sóng tốt Tuy nhiên, khảo sát cách xếp anten khác cho trƣờng hợp 17 19 anten, ta thấy có dạng tạo búp sóng có độ rộng nhỏ (xem bảng 4.5 4.6) Để giảm can nhiễu giảm xác suất nghẽn cho cell (tăng tải lƣu lƣợng cho cell), mong muốn tăng mức suy hao búp sóng phụ giảm độ rộng búp sóng (tăng số lƣợng búp sóng cell) Tuy nhiên, trình sử dụng kỹ thuật Beamforming ta thấy nhiều lúc để tăng đƣợc mức suy hao búp sóng phụ phải trả giá cho việc tăng độ rộng búp sóng Ngƣợc lại, nhiều lúc HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 84 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ giảm đƣợc độ rộng búp sóng lại giảm mức suy hao búp sóng phụ Vì vậy, để đánh giá hiệu việc thực kỹ thuật Beamforming, chọn cách xem xét tới thay đổi xác suất nghẽn cell cho trƣờng hợp thực Các bảng Erlang/cell sau trƣờng hợp cell có hot-beam có tải lƣu lƣợng cao gấp đơi búp sóng có tải thấp Búp sóng có tải lƣu lƣợng thấp búp sóng có tải lƣu lƣợng 0,8 lần tải lƣu lƣợng đầy búp sóng (full load traffic beam) Bảng 4.7 Tải lƣu lƣợng cell với xác suất nghẽn 1% cho số lƣợng anten khác Erlang/cell UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20) MaxSINR 20.8 29.1 30.7 35.6 NA MMSE 20.8 29.1 30.7 35.6 NA MVDR 20.8 29.1 30.7 35.6 NA Sử dụng anten theo dạng UCA thuật toán MaxSINR, MMSE MVDR cho độ rộng búp sóng mức suy hao búp sóng phụ giống nên xác suất nghẽn giống Khi tăng số lƣợng anten, mức suy hao búp sóng phụ tăng nhờ làm cho xác suất nghẽn cell giảm (tải lƣu lƣợng cell tăng) độ rộng búp sóng tăng giảm (sự thay đổi độ rộng búp sóng số lƣợng anten thay đổi chƣa đến mức ảnh hƣởng mạnh đến tải lƣu lƣợng so với thay đổi mức suy hao búp sóng phụ) Trƣờng hợp cell có tải lƣu lƣợng th bao khơng đồng đều, có búp sóng có tải lƣu lƣợng cao gấp đơi búp sóng có tải thấp Chúng ta giảm xác suất nghẽn cell nhờ việc ấn định lại búp sóng Ấn định lại búp sóng cách quay tất búp sóng cell góc nửa độ rộng búp sóng HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 85 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ Bảng 4.8 Tải lƣu lƣợng cell với xác suất nghẽn 1% sau quay búp sóng Erlang/cell UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20) MaxSINR 21.8 31.7 33.9 41.1 NA MMSE 21.8 31.7 33.9 41.1 NA MVDR 21.8 31.7 33.9 41.1 NA Trong hai bảng Erlang/cell trên, không đánh giá đƣợc xác suất nghẽn trƣờng hợp sử dụng 20 anten việc tính tốn vƣợt khỏi tính tốn máy tính thơng thƣờng Nhƣng đƣợc xác suất nghẽn trƣờng hợp tốt tất trƣờng hợp mà khảo sát UCA(20) tạo búp sóng có mức suy hao búp sóng phụ tốt độ rộng búp sóng tốt UCA(19) Từ bảng 4.7 4.8, ta thấy với cell có búp sóng có tải lƣu lƣợng cao, sau thực quay tất búp sóng góc nửa độ rộng búp sóng chính, xác suất nghẽn cell cải thiện đáng kể Xem mức cải thiện tải lƣu lƣợng cell sau ấn định lại búp sóng bảng 4.9 sau: Bảng 4.9 Mức cải thiện tải lƣu lƣợng cell sau ấn định lại búp sóng Mức cải thiện Erlang UCA(16) UCA(17) UCA(18) UCA(19) UCA(20) MaxSINR 4.81% 8.93% 10.42% 15.45% NA MMSE 4.81% 8.93% 10.42% 15.45% NA MVDR 4.81% 8.93% 10.42% 15.45% NA Vẫn giữ nguyên số lƣợng anten, giảm can nhiễu xác suất nghẽn cell nhờ việc xếp cấu trúc anten khác Ở đây, tiến hành việc thay đổi cho số lƣợng anten 17 19 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 86 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ Bảng 4.10 Tải lƣu lƣợng cell với xác suất nghẽn 1% cho biến đổi UCA(17) UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUCA Erlang/cell (17) (1:16) (1:4:12) (1:8:8) (8:9) (1:8:4:4) MaxSINR 29.1 21.3 38.8 31.7 33.4 31.6 MMSE 29.1 21.0 38.8 31.7 33.4 31.6 MVDR 29.1 21.0 38.8 31.7 33.4 31.6 Bảng 4.11 Tải lƣu lƣợng cell với xác suất nghẽn 1% cho biến đổi UCA(19) UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUHA Erlang/cell (19) (1:18) (1:6:12) (1:9:9) (9:10) (1:6:12) MaxSINR 35.6 35.6 56.9 31.4 28.5 58.1 MMSE 35.6 35.8 56.9 31.4 28.5 58.1 MVDR 35.6 35.8 56.9 31.4 28.5 58.1 Xác suất nghẽn cell sử dụng 17 19 anten số dạng biến đổi UCA cải thiện đáng kể so với dạng UCA Trong cấu hình 17 anten, trừ trƣờng hợp UCCA(1:16) không cải thiện xác suất nghẽn so với UCA(17), lại trƣờng hợp khác cải thiện xác suất nghẽn so với UCA(17) Đặc biệt, cấu hình dạng PUCA(1:4:12), xác suất nghẽn cell cải thiện nhiều nhất, tải lƣu lƣợng cell tăng lên tới 33,33% so với UCA(17) Trong cấu hình 19 anten, có hai trƣờng hợp làm tăng xác suất nghẽn cell so với UCA(19) PUCA(1:9:9) PUCA(9:10), có trƣờng hợp có xác suất nghẽn hầu nhƣ không đổi so với UCA(19) UCCA(1:18) Các trƣờng hợp khác giảm xác suất nghẽn cell PUHA(1:6:12) cải thiện tải lƣu lƣợng cell nhiều nhất, làm tăng tải cell lên tới 63,20% so với UCA(19) Cụ thể mức cải thiện tải lƣu lƣợng cell xem bảng 4.12 (cho 17 anten) bảng 4.13 (cho 19 anten) HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 87 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ Bảng 4.12 Mức cải thiện tải lƣu lƣợng cell cấu hình khác so với UCA(17) UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUCA Erlang/cell (17) (1:16) (1:4:12) (1:8:8) (8:9) (1:8:4:4) MaxSINR 0% -26.80% 33.33% 8.93% 14.78% 8.59% MMSE 0% -27.84% 33.33% 8.93% 14.78% 8.59% MVDR 0% -27.84% 33.33% 8.93% 14.78% 8.59% Bảng 4.13 Mức cải thiện tải lƣu lƣợng cell cấu hình khác so với UCA(19) UCA UCCA PUCA PUCA PUCA PUHA Erlang/cell (19) (1:18) (1:6:12) (1:9:9) (9:10) (1:6:12) MaxSINR 0% 0% 59.83% -11.80% -19.94% 63.20% MMSE 0% 0.56% 59.83% -11.80% -19.94% 63.20% MVDR 0% 0.56% 59.83% -11.80% -19.94% 63.20% HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 88 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Xác suất nghẽn cell thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA phụ thuộc vào nhiều tham số, có hai tham số độ rộng búp sóng – α mức suy hao búp sóng phụ - D Trong trƣờng hợp cell có nhiều búp sóng có xác suất phân bố lƣu lƣợng khơng đồng đều, có búp sóng có tải lƣu lƣợng cao, giảm xác suất nghẽn cho cell nhờ việc ấn định lại búp sóng giảm nhỏ độ rộng búp sóng Khi giảm đƣợc mức suy hao búp sóng phụ búp sóng ta giảm đƣợc ảnh hƣởng búp sóng lân cận nhau, tức giảm đƣợc can nhiễu cho cell Nhờ sử dụng số lƣợng anten khác cách xếp anten khác vòng tròn vòng tròn đồng tâm mà cải thiện đƣợc xác suất nghẽn cell Đặc biệt, với số lƣợng 19 anten, trƣờng hợp PUHA(1:6:12), tăng tải lƣu lƣợng cell lên tới 63,2% so với cấu hình UCA(19) Chƣơng I đặt vấn đề, trình bày mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn Trong chƣơng II trình bày sở lý thuyết ba thuật toán sử dụng kỹ thuật Beamforming mà áp dụng luận văn MaxSINR, MMSE MVDR Ba thuật tốn mục đích tính tốn trọng số tối ƣu cho dãy anten theo tiêu chuẩn: cực đại tỷ số tín hiệu can nhiễu (SIR), cực tiểu trung bình bình phƣơng sai số cực tiểu hóa phƣơng sai Tiếp đó, trình bày cách xác định hệ số dãy AF (Array Factor) cho anten xếp vòng tròn (UCA) nhƣ trƣờng hợp anten đƣợc xếp theo dạng khác nhƣ UCCA, PUCA, PUHA Chƣơng đƣa hai cách để giảm xác suất nghẽn cell trƣờng hợp có búp sóng có tải lƣu lƣợng cao Đó HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 89 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ giảm nhỏ độ rộng búp sóng ấn định lại búp sóng cell Và trình bày cách tính xác suất nghẽn cell trƣờng hợp Chƣơng III, khảo sát phụ thuộc mức suy hao búp sóng phụ độ rộng búp sóng vào số lƣợng anten Ta thấy tăng số lƣợng anten tạo búp sóng tốt, nhƣng bên cạnh mong muốn giảm số lƣợng anten tốt Từ xác định khoảng số lƣợng anten mà quan tâm từ 16 đến 20 anten Tiếp đánh giá phụ thuộc xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ độ rộng búp sóng mà hai giá trị nằm dải mà đƣợc tạo chƣơng III Trong chƣơng IV, tiến hành thực tạo mẫu búp sóng cho số lƣợng anten khác nhau, nhƣ cách xếp khác số lƣợng anten 17 19 Các dạng cấu hình anten mà xét chƣơng gồm: UCA(16), UCA(17), UCCA(1:16), PUCA(1:4:12), PUCA(1:8:8), PUCA(8:9), PUCA(1:8:4:4), UCA(18), UCA(19), UCCA(1:18), PUCA(1:6:12), PUCA(1:9:9), PUCA(9:10), PUHA(1:6:12) UCA(20) Chƣơng có đánh giá xác suất nghẽn cell (tải lƣu lƣợng cell) cho dạng cấu hình Khảo sát xác suất nghẽn cell có búp sóng có tải lƣu lƣợng cao sau ấn định lại búp sóng nhƣ so sánh xác suất nghẽn cell cấu hình biến đổi so với cấu hình UCA 5.2 Hướng phát triển Trong luận văn này, xét đến thuật toán MaxSINR, MMSE MVDR để tính vector trọng số tối ƣu cho dãy anten Tuy nhiên, cần mở rộng việc tính tốn trọng số với giải thuật khác, đặc biệt giải thuật thích nghi nhƣ LMS, RLS, PSO,… Cũng tăng mức suy hao búp sóng phụ, giảm độ rộng búp sóng để từ giảm số lƣợng anten mà đạt tải lƣu lƣợng nhờ HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 90 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ việc sử dụng hàm cửa sổ (window functions) sử dụng giải thuật dãy lƣa thƣa (sparse array) Trong luận văn, tiến hành xem xét số cách xếp khác cho hai trƣờng hợp số lƣợng anten 17 19 cho trƣờng hợp bán kính anten R = 1,98λ Tuy vậy, có trƣờng hợp khác tối ƣu cho trƣờng hợp cụ thể Cần xem xét cách xếp anten khác cho trƣờng hợp khác Khi sử dụng kỹ thuật Beamforming để tạo mẫu búp sóng, khơng thể tạo búp sóng có độ rộng búp sóng mong muốn xác đƣợc Vì vậy, tạo búp sóng cho cell, tạo vùng bị chồng lấn búp sóng (là vùng có bao phủ búp sóng kề nhau) vùng hở búp sóng (là vùng mà khơng có độ rộng nửa cơng suất búp sóng bao phủ) Cần xây dựng thuật toán để xác định cho thuê bao thuộc búp sóng rơi vào vùng HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 91 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Kang et al., “On Blocking Probability of Multi-Beam CDMA System Using SBF Array Antennas ”, Wireless Personal Communications, vol 35, pp 87-98, Oct 2005 [2] R Gaokar, A Cheeran “Performance Analysis of Beamforming Algorithms,” International Journal of Electronics & Communication Technology, vol 2, Issue 1, pp 43-48, March 2011 [3] F.B Gross Smart Antennas for Wireless Communications With MATLAB McGraw-Hill, New York, 2005 [4] Nurul H Noordin et al., “Uniform Circular Arrays for Phased Array Antenna”, Loughborough Antennas & Propagation Conference, Loughborough, UK, November 2011 [5] P Ioannides and C A Balanis, “Uniform Circular and Rectangular Arrays for Adaptive Beamforming Applications”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Magazine, pp 192-206, 2005 [6] T Stepinski and M Engholm, “Uniform Circular Array for Structural Health Monitoring of Composite Structures”, in Proc of SPIE Vol 6935, 69352A, 2008 [7] C A Balanis Antenna Theory, Analysis and Design John Wiley & Sons, Inc, New Jersey, 2005 [8] S Haykin Adaptive Filter Theory Prentice Hall, Third Edition, 1996 [9] TIAN et al., “A Recursive Least Squares Implementation for LCMP Beamforming Under Quadratic Constraint ”, IEEE Trans On Signal Processing, vol 49, pp 1138-1145, June 2001 [10] B.J Yoon et al., “Robust Adaptive Beamforming Algorithm using Instantaneous Direction of Arrival with Enhanced Noise Suppression Capability ”, in Acoustics, Speech and Signal Processing, Honolulu, HI, 2007, pp I-133 – I-136 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 92 GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ [11] EL ALAMI et al., “Blocking Probability of a DS-CDMA Multi-Hop Virtual Cellular Network ”, IEICE Trans Fundamentals, vol E89, pp 1875-1883, July 2006 [12] H H Chen et al., “New Recursive Adaptive Beamforming Algorithms for Uniform Concentric Circular Arrays with Frequency Invariant Characteristics ”, in Proc 14th European Signal Processing Conference, Florence, Italy, Sept 2006 [13] R L Ali et al., “Adaptive Beamforming Algorithms for Anti-Jamming ”, International Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition, vol 4, No 1, pp 95-105, March 2011 [14] C Harmann, “On Capacity and Blocking of Multi Service CDMA Systems with Smart Antennas ”, In Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), vol 1, pp 72-76, September 2002 [15] V Zuniga et al., “Effect of a Central Antenna Element on the Directivity, Half-Power Beamwidth and Side-Lobe Level of Circular Antenna Arrays”, NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems, 2009 [16] L J Griffiths and C W Jim, “An alternative approach to linearly constrained adaptive beam-forming”, IEEE Trans Antennas and Propagat.,vol AP-30, pp 27-34, Jan 1982 [17] G Doblinger, “An Adaptive Microphone Array for Optimum Beamforming and Noise Reduction” in Proc 14th European Signal Processing Conference, Florence, Italy, Sept 2006 [18] M Al-Husseint et al, “Pattern Synthesis with Uniform Circular Arrays for the Reduction of WCDMA Intercell Interference”, Turk J Elec Engin, Vol.16, No.3, 2008 [19] S S Moghaddam and M S Moghaddam “Speed-Sensitive Weighting Algorithm for Digital Beamforming of Adaptive Antenna Arrays,” Wireless Engineering and Technology, vol.2, pp.165-174, 2011 [20] U Mallaparapu et al “Non-Blind Adaptive Beamforming Algorithms for Smart Antennas,” IJRRAS, vol 6, Issue 4, pp 490-496, March 2011 HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006 Trang 93 ... hiệu hệ thống thơng tin di động CDMA sử dụng dãy anten trạm gốc (BS) 1.2 Phát biểu toán Đề tài: ? ?Ứng dụng kỹ thuật Beamforming để giảm can nhiễu giảm xác suất nghẽn hệ thống thông tin di động CDMA. ”... ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng kỹ thuật Beamforming để giảm can nhiễu giảm xác suất nghẽn hệ thống thông tin di động CDMA II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu kỹ thuật. .. GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BEAMFORMING ĐỂ GIẢM CAN NHIỄU VÀ GIẢM XÁC SUẤT NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHƢƠNG I: ĐẶT