Xử lý anten mảng theo không gian-thời gian trong thông tin vô tuyến di động

Xử lý anten mảng theo không gian-thời gian trong thông tin vô tuyến di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN QUANG HƯNG

XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2006

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN QUANG HƯNG

XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

Chuyên Ngành: Mạng và kênh thông tin liên lạc

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 TS Đặng Đình Lâm 2 TS Chu Ngọc Anh

HÀ NỘI - 2006

Lời Cam Đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong bản luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố ở đâu và trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Quang Hưng

Lời Cảm Ơn!

Tôi xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới TS Đặng Đình Lâm và TS Chu Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận án Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và sự tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học của TS Đặng Đình Lâm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành được luận án này Tôi cũng xin cảm ơn PGS TS Nguyễn Minh Dân vì những chỉ dẫn, định hướng quan trọng ngay từ khi xây dựng đề cương nghiên cứu

Các kết quả mang tính thực tiễn cao có được là nhờ sự giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm ở Hàn Quốc của TS Phùng Văn Vận, TS Nguyễn Kim Lan, TSKH Nguyễn Ngọc San Tôi cũng không thể không cảm ơn TS Seung Chan Bang, TS Byung Han Ryu và các bạn đồng nghiệp Won Ik Kim, Il Guy Kim tại Phòng thí nghiệm thông tin di động-Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) vì những giúp đỡ quí báu trong thời gian tôi thực tập tại đây Xin cảm ơn Won ok Kwon- người bạn luôn có cảm tình đặc biệt với Việt Nam và vẫn liên tục giữ liên lạc với tôi trong mấy năm qua qua việc cung cấp tài liệu, trao đổi những thông tin về những phát triển khoa học công nghệ mới nhất trong lĩnh vực liên quan tại Viện ETRI

Cảm ơn TS Danie van Wyk-Đại học Tổng hợp Nam Phi đã hỗ trợ để tôi có thể phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống W-CDMA từ phiên bản tuân theo tiêu chuẩn cũ của ông Bên cạnh đó, sự sẵn sàng trao đổi, giúp đỡ của GS.TS Hak Lim Ho- Đại học Tổng hợp Chon-An, Hàn Quốc cũng đã giúp tôi định hướng một cách rõ ràng hơn trong nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, tất cả gia đình, bạn bè, người thân đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành bản luận án này.

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 4

1.1.Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 4

1.1.1.Sự phát triển của kỹ thuật anten: 4

1.1.2.Tín hiệu trong miền thời gian, không gian 6

1.2.Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động 9

1.2.1.Mô hình hệ thống không gian-thời gian 9

1.2.2.Môi trường thông tin di động 14

1.2.3.Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian 21

1.2.4.Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian 23

1.3.Phân loại anten 25

2.3.Thuật toán tạo búp thích nghi có hỗ trợ của kênh hoa tiêu cho

đường lên DS-CDMA 59

2.3.1.Anten thông minh cho DS-CDMA 59

3.2.1.Hiệu quả về dung lượng với hệ thống AMPS 72

3.2.2.Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống GSM 74

3.2.3.Đề xuất mẫu tái sử dụng tần số cho mạng GSM ở Việt Nam khi sử dụng anten thông minh 76

3.3.Ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất tới việc tái sử dụng tần số 77

3.3.1.Ảnh hưởng của sự che khuất 82

3.3.2.Các vùng nhiễu 83

3.3.3.Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nhiễu đồng kênh trong thực tế 85

3.4.Hiệu quả về dung lượng của anten chuyển búp sóng với ảnh hưởng của che khuất và pha-đinh 90

4.1.2.Kênh vật lý đường lên 98

4.1.3.Kênh vật lý đường xuống 100

4.1.4.Môi trường mô phỏng W-CDMA 102

4.2.Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập cho hệ thống CDMA 107

W-4.2.1.Chỉ tiêu kỹ thuật tạo búp sóng 107

4.2.2.Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập thu 112

4.2.3.Đề xuất phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W-CDMA 115

4.3.Kết quả mô phỏng 117

4.4.Đo kiểm hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA 1194.4.1.Giới thiệu hệ thống thử nghiệm 119

4.4.2.Anten mảng thông minh 120

4.4.3.Cấu hình hệ thống và điều kiện đo 122

4.4.4.Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm 129

4.5.Xử lý kết quả đo kiểm và so sánh với kết quả mô phỏng 131

4.6.Tổng kết chương 133

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 134

Kết luận 134

Hướng phát triển tiếp theo: 135

Bài báo, Công trình đã công bố 136

Tài liệu tham khảo 138

Tiếng Việt 138

Tiếng Anh 139

Chữ Viết Tắt

ABF AMPS AWGN BER BLER BPSK cdf CIR CNR DIV DPCH DPCCH DPDCH DS FDD GSM LMS LOS MIMO MRC pdf RF rms SIR SIRtarget

Adaptive beam-forming

Advanced Mobile Phone System Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate

Block Error Rate

Binary Phase Shift Keying Cumulative Distribution Function Carrier-to-Interference Ratio

Carrier-to-Noise Ratio Diversity

Dedicated Physical Channel

Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Direct Sequence

Frequency Division Duplex Global System for Mobile Communications

Least Mean Square Line Of Sight

Multiple-Input Multiple-Output Maximum Ratio Combiner probability density function Radio Frequency

Root Mean Square

Signal-to-Interference Ratio Signal-to-Interference Ratio Target

Tạo búp sóng thích nghi

Hệ thống điện thoại di động AMPS Tạp Gauss Trắng Cộng

Tỉ lệ Lỗi Bít Tỉ lệ lỗi khối

Khoá Chuyển Pha Nhị phân Hàm Phân bố Tích luỹ

Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu

Tỉ số công suất sóng mang trên tạp Phân tập

Kênh vật lý dành riêng

Kênh điều khiển vật lý dành riêng Kênh dữ liệu vật lý dành riêng Chuỗi trải phổ trực tiếp Song công phân tần

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

Trung bình Bình phương Nhỏ nhất Nhìn thẳng

Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra Bộ kết hợp Tỉ lệ Cực đại Hàm mật độ xác suất Cao tần / Tần số vô tuyến

Căn Trung bình Bình phương (Căn quân phương)

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đích (được

SNR TCP TDD TDMA TDTD UE UMTS W-CDMA

Universal Mobile

Telecommunications System Wideband Code Division Multiple

Access

đặt trước trong phép đo) Tỉ số tín hiệu trên tạp Giao thức điều khiển truyền Song công phân thời Đa truy nhập phân thời Phân tập phát theo thời gian Thiết bị đầu cuối

Hệ thống thông tin di động UMTS 3G sử dụng W-CDMA

CDMA băng rộng

Mục lục Hình vẽ

Hình Trang

Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian

Hình 1.2 Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử

thu trong môi trường tán xạ

Hình 1.3 Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông minh

Hình 1.4 Phân loại anten thông minh Hình 2.1 Anten mảng phân tập M phần tử

Hình 2.2. Hàm phân bố tích luỹ của γs so với γs/Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại

Hình 2.3 BER so với ‹γ› = MГ khi M thay đổi

Hình 2.4 Hai phần tử với các tín hiệu tương quan

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu ra ở bộ kết hợp tỉ lệ cực đại phân tập kép

Hình 2.6 BER so với ‹γ› (dB) của bộ kết hợp tỉ lệ cực đại 2 nhánh có đinh tương quan

pha-Hình 2.7 Anten mảng thích nghi

Hình 3.1 Mẫu tái sử dụng tần số trong thông tin di động

Hình 3.2 Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác

AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=7

Hình 3.3 Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác

AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4

Hình 3.4 Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác

GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=4

Hình 3.5 Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác

GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4

75

Hình 3.6 Thay đổi CIR khi hệ số tái sử dụng tần số giảm từ 4 xuống 1 ( : N=4, -x-: N=3, -o-: N=1)

Hình 3.7 Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai

thác GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=3

Hình 3.8 Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác

GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=3

Hình 3.9 Vùng có nhiễu và không nhiễu (a) không có pha-đinh (b) có pha-đinh và che khuất

Hình 3.10 Xác suất mất liên lạc khi có pha-đinh và che khuất

Hình 3.11 Ranh giới vùng nhiễu với các xác suất nhiễu khác nhau khi có pha-đinh và che khuất

Hình 3.12 Xác suất nhiễu đồng kênh, với i cho trước, theo Zd

Hình 3.13 Chỉ ra một điểm của xác suất rớt cuội gọi với sáu ô đồng kênh

Hình 4.1. Cấu trúc khung của kênh DPDCH/DPCCH đường lên

Hình 4.2 Cấu trúc khung của kênh DPCH đường xuống

Hình 4.3 Sơ đồ khối tổng thể đường lên

Hình 4.4 Sơ đồ khối tổng thể đường xuống

Hình 4.5 Giao diện chính của phần mềm mô phỏng

Hình 4.6 Giao diện để thiết lập các tham số mô phỏng

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng đối với phân tập MD = 4 anten, hệ thống tạo

búp MB = 4 anten và hệ thống phối hợp cả phân tập và tạo búp ở môi

120121

Hình 4.10 Hệ thống anten thông minh thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu ETRI

Hình 4.11 Cấu hình hệ thống anten thông minh cho W-CDMA sử dụng trong đo kiểm

Hình 4.12 Cạc kênh của bộ tạo búp sóng thích nghi (hỗ trợ 3 séc-tơ x 8 anten)

Hình 4.13 Mẫu búp sóng cố định đường xuống

Hình 4.14 Dạng búp sóng đường xuống (chuyển mạch búp sóng) và đường lên (búp sóng thích nghi)

Hình 4.15 Kết quả đo kiểm SNR trên Testbed theo giá trị SIRtarget đặt trước

Hình 4.16 Kết quả đo kiểm BLER cho ABF 8-anten và DIV 2-anten

Hình 4.17 Tỉ lệ lỗi bít BER đo được với ABF 8-anten và DIV 2-anten

130132

Mở Đầu

Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và cả ở Việt Nam Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết

Một trong số các kỹ thuật để có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu và dụng lượng của hệ thống đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát.[16,17,19, 28, 36]

Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các sản phẩm hữu dụng có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả năng xử lý, tính toán của các thiết bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong

các hệ thống thông tin di động hiện có một cách hiệu quả thực sự là vấn đề

cấp thiết Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to

lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao cho các hệ thống thông tin di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng như các hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu kỹ thuật xử lý không-gian thời gian

bằng anten thông minh cho thông tin di động với các trường hợp cụ thể anten thông minh cho mạng GSM ở Việt Nam và các hệ thống CDMA

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết

- Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống anten thông minh cho W-CDMA, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000

Phương pháp nghiên cứu được thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp

với mô phỏng bằng chương trình máy tính để đánh giá kết quả: Với hệ thống GSM, có tính đến các tham số và điều kiện đặc thù của mạng lưới hiện đang triển khai ở Việt Nam; Với đề xuất cho hệ thống W-CDMA, kết quả đo kiểm thực hiện trên hệ thống thử nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy

Nội dung luận án bao gồm 4 Chương Sau phần Mở đầu, Chương 1 trình

bày tổng quan về kỹ thuật xử lý mảng theo không gian-thời gian và đặt vấn đề

nghiên cứu Chương 2 đi sâu vào phân tích các anten mảng nhiều phần tử

được sử dụng trong thông tin di động với hai kỹ thuật phân tập và tạo búp Chương này cũng đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thích nghi kết hợp cả kênh hoa tiêu và lưu lượng cho hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp

Chương 3 đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong các hệ

thống thông tin di động tổ ong, đề xuất sử dụng cho hệ thống GSM ở Việt Nam có xem xét đến ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất Trên cơ sở nhận xét về những hạn chế của hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA, qua phân tích các đặc tính của kỹ thuật phân tập và tạo búp trong môi

trường pha-đinh và nhiễu đa truy nhập, Chương 4 đã đề xuất sử dụng kỹ

thuật phối hợp cho chép đạt được ưu điểm của cả hai kỹ thuật phân tập và tạo búp cho hệ thống W-CDMA Kết quả đo kiểm được thực hiện trên hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA tại Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) để đánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tập trung vào những kết quả mới đạt được của luận án

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

1.1 Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 1.1.1 Sự phát triển của kỹ thuật anten:

Sóng vô tuyến được phát minh ra vào năm 1861 khi Maxell (Đại học Hoàng Gia Luân đôn) đưa ra lý thuyết sóng điện từ Hertz (Đại học Karlsruhe) đã chứng minh sự tồn tại của sóng này bằng thực nghiệm vào năm 1887 bằng sóng đứng (tĩnh) Năm 1890 Branly (Paris) đã xây dựng một “bộ nhất quán” có thể phát hiện sự có mặt của sóng điện từ bằng một cái chai thuỷ tinh chứa kim loại Bộ nhất quán này sau đó được tiếp tục phát triển bởi Lodge (Anh) Mùa hè 1895, Marconi đã sử dụng máy phát của Hertz, bộ nhất quán của Lodge và lắp thêm anten để tạo ra một máy phát vô tuyến đầu tiên Ứng dụng dân dụng đầu tiên của kỹ thuật vô tuyến là hệ thống điện thoại vô tuyến 2MHz vào năm 1921 trong ngành Cảnh sát Những hệ thông được phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin của Bell ở tần số 150MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T (1946); Khái niệm celllular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970); Vào những năm 1990s: các hệ thống thông tin đi tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… ra đời và phát triển một cách mạnh mẽ [34,36] Kỹ thuật anten được sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến cũng có sự phát triển như sau:

- 1880- tới những năm1890: Hertz, Marconi, Popov đã thiết kế được các anten có tần số hoạt động và băng thông tốt hơn

- Những năm 1900: anten định hướng được sử dụng đã cho phép liên lạc qua biển Atlantic

- 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu

- Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda được phát minh đã đem lại tăng ích và băng thông tốt hơn

- Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa

- Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu và triệt nhiễu bằng các bộ xử lý tín hiệu số trong quân sự [29] Việc sử dụng anten nhiều phần tử ở máy thu trong thông tin vô tuyến mở ra một chiều mới trong xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho phép cải thiện chỉ tiêu hệ thống Tuy nhiên, đến trước những năm 1990, vấn đề được phát triển chủ yếu với anten mảng mới chỉ là kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới) [16]

- Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp cả miền không gian và thời gian) [29, 38]

+ 1996: Anten nhiều phần tử được sử dụng ở trạm gốc để hỗ trợ nhiều người dùng trên cùng kênh

+ 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến bằng cách sử dụng anten nhiều phần tử ở cả máy phát và máy thu Ý tưởng này tiếp tục được phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu một cuộc cách mạng về lý thuyết truyền thông [25, 28]

- Từ những năm 2000: Kỹ thuật thu-phát không gian-thời gian được tập trung nghiên cứu và phát triển [19, 20]

Có thể thấy rằng, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian với mảng (dàn) anten nhiều phần tử ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân sự từ khá lâu, nhưng do tính chất thay đổi liên tục của môi trường truyền sóng thông tin di động trong khi khả năng xử lý theo thời gian thực của máy thu phát còn nhiều hạn chế mà kỹ thuật này mới thực sự được nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây [17, 29, 36, 38, 55] Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu

hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát, nhờ đó cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong [19]

1.1.2 Tín hiệu trong miền thời gian, không gian

1.1.2.1 Biểu diễn tín hiệu theo thời gian

Tín hiệu thực s(t) có biến đổi Fourier là S(f) Phép biến đổi Fourier này

thoả mãn biểu thức đối xứng sau:

Nếu nói tín hiệu là thực, nghĩa là ta chỉ xét các tần số dương Gọi z(t) là đường bao phức của tín hiệu thực s(t), và Z(f) là biến đổi Fourier của z(t)[16] Đường bao phức cho tần số fc nào đó (tần số sóng mang) được xác định trong

miền Fourier là:

trong đó hàm bước đơn vị được định nghĩa là:

uTín hiệu s(t) là thực và có phổ bằng:

1.1.2.2 Biểu diễn tín hiệu theo không gian-thời gian

Tín hiệu có thêm chiều không gian (không gian-thời gian) được biểu diễn [27, 38]:

s(t,x,y,z) = s(t,r) (1.7)

trong đó r biểu diễn 3 biến không gian (x,y,z)

Trong hệ toạ độ cầu:

x = rsinφcosθ, y = rsinφsinθ, z = rcosθ, r = x2+ y2+z2 ,

Với hệ có m phần tử anten: tín hiệu theo không gian-thời gian có thể

viết bằng tổng các tính hiệu thành phần như sau:

1.1.2.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu

Với những biểu diễn tín hiệu như trình bày ở trên rõ ràng là ngoài kỹ thuật xử lý tín hiệu theo thời gian kinh điển, tín hiệu có thể được xử lý theo chiều không gian, hoặc cả không gian và thời gian [16]

Kỹ thuật xử lý chỉ theo miền không gian được dùng để đánh giá tín hiệu, ví dụ như các đáp ứng máy thu và tần số theo không gian, hướng tới (phương pháp hợp lý cực đại - ML (1964), phân loại nhiều tín hiệu - MUSIC (1980),

y z

θ

Đánh giá các tham số tín hiệu bằng kỹ thuật quay bất biến - ESPRIT (1985)), séc-tơ hoá vùng phủ trạm gốc (chia thành nhiều vùng phủ có hướng tới khác nhau) [49] Các mô hình không gian được sử dụng do những nguyên nhân chính sau:

- Không biết thông tin về tín hiệu phát Mô hình không gian áp dụng cho rất nhiều tín hiệu khác nhau và cho phép đánh giá vết không gian mà thậm chí không cần biết tính chất thời gian của tín hiệu phát chẳng hạn như: chuỗi huấn luyện đã biết, hằng số theo khối, chuỗi mã đã biết Khi đánh giá được vết không gian, có thể đánh giá được tín hiệu phát Tức là, nhiều tín hiệu có thể được đánh giá và phân biệt khi được bù tần số ở máy phát và máy thu, mà không cần giải điều chế và đồng bộ Nếu kết hợp được một mô hình không gian với các đặc trưng thời gian thì ta có thể cải thiện được việc đánh giá kênh và vết không gian nói trên

- Bằng mô hình không gian, ta có thể tính toán được các tham số vật lý của đường truyền Những tham số xác định được qua đường lên (vd: vị trí người sử dụng) có thể được sử dụng cho đường xuống và các phần khác của hệ thống Ví dụ: ở chế độ song công theo tần số - FDD (đường lên và đường xuống sử dụng tần số khác nhau), vị trí của máy phát là tham số không phụ thuộc vào tần số, nếu vị trí này được xác định nhờ quan sát ở đường lên thì đường xuống có thể phát chỉ theo hướng vị trí đó để giảm thiểu nhiễu

- Phân tích đường truyền: Bằng cách sử dụng các mô hình không gian dựa trên số liệu đo kiểm, ta có thể biết thêm về môi trường truyền sóng vô tuyến để sử dụng cho việc thiết kế các hệ thống vô tuyến khác

Hạn chế của mô hình không gian trong việc đánh giá tín hiệu là chỉ tiêu của phương pháp sử dụng mô hình này phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình, trong khi luôn có sự chênh lệch giữa mô hình và hệ thống thực

tế và anten mảng phải được định cỡ (điều chỉnh) để mô hình không gian này đúng với hệ thống thực Nếu kết hợp được một mô hình không gian với các đặc trưng thời gian thì việc đánh giá kênh và vết không gian có thể được cải thiện Kỹ thuật xử lý tín hiệu được thực hiện theo cả miền không gian và thời gian được gọi là xử lý không gian-thời gian

1.2 Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động 1.2.1 Mô hình hệ thống không gian-thời gian

Kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát Các kỹ thuật phổ biến đã biết như anten dẻ quạt (séc-tơ hoá) (xử lý không gian), phân tập (xử lý không gian-thời gian) và anten mảng tạo búp sóng (xử lý không gian-thời gian) có thể được xem như những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian-thời gian Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thể được xem như bộ xử lý không gian-thời gian Các bộ xử lý không gian-thời gian tiên tiến hơn bao gồm cả bộ tách đa người sử dụng, mã hóa không gian-thời gian,… sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không gian-thời gian

Để đơn giản hoá việc phân tích hệ thống xử lý không gian-thời gian, ta cần có một mô hình cơ bản về hệ thống thông tin bao gồm việc xác định các đầu vào, đầu ra và kênh của hệ thống Hệ thống xử lý không gian-thời gian tổng quát có nhiều phần tử anten được sử dụng tại cả máy phát và máy thu (mô hình Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra: MIMO) Mô hình này có đặc điểm là tín hiệu mong muốn có nhiều đầu vào kênh thông tin (các anten phát) cũng như nhiều đầu ra (các anten thu) Một hệ thống MIMO có thể được xem như

hệ ghép nhiều kênh con một đầu vào / một đầu ra (SISO), dung lượng kênh của hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần Dung lượng hệ thống MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích đặc trưng của các kênh con SISO

Xét Mô hình hệ thống thông tin với N anten phát và M anten thu hoạt

động tại một tần số không lựa chọn, môi trường pha-đinh Rayleigh, như trong

trong môi trường tán xạ

Đường bao phức của véc-tơ tín hiệu phát là TNtststs

r , trong đó chỉ số T là toán tử chuyển

vị; Biến thời gian t được giả thiết là rời rạc; Không phụ thuộc vào giá trị N, tổng công suất máy phát là hằng số Pt Giả sử véc-tơ tín hiệu phát bao gồm N

thành phần công suất bằng nhau, độc lập thống kê sao cho

E [s()s ()]=(/)I , trong đó IN là ma trận đơn vị N×N và ET(.) là kỳ

vọng trên toàn bộ thời gian xét nhỏ hơn nhiều lần so với nghịch đảo của tốc độ pha-đinh

1 2 3

N Tx

h1MhN1

Giả thiết công suất của các phần tử phát là bằng nhau bởi vì máy phát không bị ảnh hưởng bởi các tính năng biến đổi của kênh vô tuyến và các phần tử anten được xem là giống hệt nhau; Công suất trung bình tại đầu ra của mỗi

phần tử là Pr ; Tín hiệu nhận được còn bao gồm véc-tơ tạp Gauss trắng cộng

AWGN, v(t), với các thành phần độc lập thống kê có công suất là σ2

Tỉ số công suất sóng mang trên tạp (CNR) tại mỗi nhánh là Γ =Pr /σ2,

phụ thuộc vào M Ma trận đáp ứng xung kênh g(t) có M hàng và N cột Biến đổi Fourier của g(t) là G(f) Với giả thiết băng hẹp, các phần tử của G(f) là

hằng số trên toàn băng đang xét, đại lượng f có thể được loại ra Ngoại trừ

g(0), g(t) là ma trận '0' Ma trận đáp ứng xung kênh chuẩn hoá là h(t) với biến

đổi Fourier là H, với sự chuẩn hoá theo PrG= PtH sao cho

(tPrPth t

g = Chú ý rằng tỉ số Pr /Pt là hệ số suy hao trường do suy hao đường trong không gian tự do Ma trận hàm truyền của kênh được chuẩn hoá sao cho < Hmn 2 >=1, trong đó dấu ngoặc đơn là toán tử kỳ vọng theo thời gian, tỉ lệ nghịch với tốc độ pha-đinh

Ma trận H được giả thiết là được đo tại máy thu Do đó, trong hầu hết

trường hợp, máy phát không thể biết trước được ma trận kênh, trừ khi kênh vô tuyến có tính chất thuận nghịch - các đặc tính ở đường xuống và đường lên là tương tự nhau như trong trường hợp hệ thống song công theo thời gian (TDD), tần số đường lên và đường xuống là giống nhau

Hệ thống MIMO tổng quát thường vẫn chưa được sử dụng trong thực tế, mà người ta thường xét một số cấu hình khác sử dụng một anten tại máy di động và nhiều anten tại trạm gốc Các mô hình này có thể được sử dụng cho trường hợp một người dùng hoặc nhiều người dùng Trạm gốc có thể sử dụng kỹ thuật tạo búp hoặc phân tập Tại máy phát, dữ liệu người dùng có thể được mã hoá sử dụng kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian, trước khi điều chế và

được phát qua anten MT Khi xem xét máy phát tại đầu cuối di động, số luồng

dữ liệu bằng 1, trong đó số luồng dữ liệu được mã hoá và được ghép vào

anten phát và K là số người sử dụng tại trạm gốc

Máy thu của người sử dụng thứ k sẽ phải khôi phục được tín hiệu gốc từ

một hỗn hợp gồm: tín hiệu mong muốn, tạp AWGN và nhiễu đa truy nhập Giải pháp sử dụng anten nhiều phần tử tại cả máy thu và máy phát cho phép khôi phục dữ liệu phát tốt hơn Hiện tại, các vấn đề nghiên cứu về xử lý ở máy thu hầu hết được tập trung vào các thuật toán tối ưu hoặc trong miền thời gian hoặc trong miền mã

Việc đưa thêm miền không gian vào mạng thông tin di động tổ ong thông qua việc sử dụng hệ thống anten nhiều phân tử tạo ra nhiều khả năng mới trong việc phát triển các thuật toán cho máy thu Đặc biệt, việc dùng anten nhiều phần tử tại cả máy phát và máy thu cho phép cải thiện quá trình tách tín hiệu của người sử dụng Nhờ kỹ thuật không gian-thời gian, mức nhiễu đa truy nhập và pha-đinh tại máy thu sẽ được giảm xuống đáng kể, do đó sẽ làm tăng dung lượng của toàn hệ thống

Như vậy, hệ thống xử lý không gian - thời gian có thể cải thiện chất lượng kênh truyền theo hai cách: cách thứ nhất là sử dụng phân tập trong hệ thống để tối thiểu ảnh hưởng của pha-đinh đối với tín hiệu thu được; cách thứ hai là làm thay đổi thích nghi giản đồ phương hướng của hệ thống anten để giảm thiểu tổng mức nhiễu đa truy nhập tại máy thu Năng lực xử lý không gian - thời gian dựa trên kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập được kết hợp trong việc thiết kế toàn bộ hệ thống Do vậy, khái niệm xử lý không gian - thời gian được hiểu như sau:

• Xử lý không gian - thời gian là kỹ thuật giảm thiểu pha-đinh và nhiễu đa

truy nhập (MAI) thông qua việc sử dụng tích hợp anten nhiều phần tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, cấu trúc máy thu tiên tiến và sửa lỗi trước

Hình 1.3 Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông minh Như vậy, các kỹ thuật như: lọc không gian để giảm nhiễu (giảm nhiễu cho hệ thống thông tin di động ở đường xuống bằng cách tập trung năng lượng phát xạ điện từ theo hướng một hoặc một nhóm người dùng, tránh vùng không có thuê bao đang hoạt động), thu độ nhậy cao (sử dụng anten mảng thông minh ở đường lên để tập trung búp sóng anten vào một người dùng, làm tăng tăng ích anten ở hướng có người dùng và triệt tín hiệu từ thuê bao gây nhiễu), đa truy nhập theo không gian… là các dạng khác nhau của xử lý không gian - thời gian Trong đó, kỹ thuật xử lý không gian - thời gian được sử dụng theo các cách khác nhau để giảm pha-đinh và nhiễu đa truy nhập Khái niệm Anten thông minh có thể được hiểu như sau:

• Anten thông minh là sự kết hợp của anten với các thuật toán xử lý tín

hiệu để tạo ra một hệ thống anten có các tính năng linh hoạt

Vi dụ, các tính năng linh hoạt này có thể là một giản đồ phương hướng có thể thay đổi theo sự chuyển động của thuê bao

Về cơ bản, anten thông minh được sử dụng để chia nhỏ hơn vùng phủ hình dẻ quạt, mỗi vùng phủ dẻ quạt sẽ được phủ sóng bằng nhiều búp sóng kế

Tạo búp

Xử lý không gian-thời gian: Giảm thiểu pha-đinh và MAI

Anten thông minh

Các kỹ thuật xử lý tín hiệu cao cấp

Cấu trúc máy thu cao cấp

Sửa lỗi trước (FEC)

tiếp nhau do anten mảng tạo ra Số búp sóng trong mỗi vùng phủ dẻ quạt phụ thuộc vào cấu trúc anten mảng.[19, 28]

Việc tăng tính định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng (thường được áp dụng trong thành phố) và mở rộng vùng phủ sóng (áp dụng cho vùng nông thôn) Máy đầu cuối di động có thể giảm công suất phát do tăng ích của anten trạm gốc lớn hơn, nhờ đó kéo dài thời gian sử dụng của pin

Như vậy, ta thấy rằng mục đích chính của kỹ thuật không gian - thời gian cho hệ thống thông tin di động vẫn là đảm bảo một mức chất lượng nhất định bằng cách tăng tối đa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (SINR) cho mỗi

người dùng trong hệ thống Một anten mảng bao gồm MB phần tử có thể tạo ra

tăng ích công suất gấp MB lần đối với tạp âm trắng, nhưng việc triệt nhiễu từ

những người dùng khác trong mạng thông tin di tổ ong thì còn phụ thuộc vào dạng của tín hiệu nhận được

1.2.2 Môi trường thông tin di động

Ưu điểm mà xử lý không gian-thời gian có thể đạt được phụ thuộc vào nhiều tham số, trong đó có một số tham số phụ thuộc vào môi trường Do đó chúng phải được mô hình hoá một cách chính xác khi phân tích hệ thống Hai tham số ảnh hưởng quan trọng là: đường truyền sóng của tín hiệu, và pha-đinh thời gian Ngoài ra, còn có một số tham số về: môi trường tán xạ và phân bố thuê bao theo góc… có thể tham khảo thêm trong [36] Những tham số này ảnh hưởng lớn tới chỉ tiêu hệ thống và cần được đặc biệt chú ý khi thiết kế hệ thống tối ưu

1.2.2.1 Đường truyền sóng

Mô hình đường truyền sóng cần tính đến các ảnh hưởng sau: • Suy hao đường truyền;

• Sự che khuất: môi trường tán xạ cụ thể (vd: cây cối, toà nhà) trên đường truyền ở một khoảng cách nào đó sẽ khác nhau đối với các đường truyền khác nhau, gây ra những sai lệch so với mô hình suy hao đường truyền chuẩn Một số đường truyền sóng có suy hao lớn, trong khi các đường truyền khác bị che khuất ít hơn và có cường độ tín hiệu lớn hơn Hiện tượng này được gọi là che khuất hoặc pha-đinh chậm và có thống kê pha-đinh log-chuẩn);

• Số lượng thành phần đa đường và phân bố các đường bao của chúng (Do môi trường tán xạ cục bộ xung quanh máy di động và/hoặc trạm gốc quyết định);

• Pha-đinh thời gian (đặc tính quan trọng trong môi trường vô tuyến di động);

• Sự tương quan: các thành phần đa đường được tạo ra bởi một vùng tán xạ cục bộ (nhỏ) có tương quan khá cao - phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố liên quan tới phân bố không gian của các phần tử tán xạ cục bộ Tương quan là khái niệm rất quan trọng trong hệ thống không gian-thời gian do nó ảnh hưởng tới giản đồ phương hướng anten trong kỹ thuật tạo búp sóng và độ lớn tăng ích phân tập có thể đạt được trong hệ thống

Các đặc tính truyền sóng trên có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu của thuật toán tạo búp sóng được dùng Hầu hết các thuật toán tạo búp sóng đều dự trên giả thiết rằng các tín hiệu tới mỗi phần tử của mảng có tương quan lớn với nhau (ρij>0,8)

Suy hao đường truyền

Nếu không xác định được các đặc tính truyền sóng của một kênh vô tuyến, người ta thường tính suy hao tín hiệu theo khoảng cách bằng suy hao

trong môi trường không gian tự do - mô hình coi vùng giữa anten phát và anten thu là vùng không có bất kỳ vật hấp thụ hoặc phản xạ năng lượng sóng vô tuyến nào Trong vùng này, khí quyển được xem như môi trường không hấp thụ và đồng nhất hoàn toàn Ngoài ra, trái đất được xem như ở rất xa so với tín hiệu truyền sóng Trong mô hình không gian tự do, suy hao của năng lượng sóng vô tuyến tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Công suất thu

được biểu diễn theo công suất phát với hệ số suy hao Ls(R) - được gọi là hệ số

suy hao đường truyền hoặc suy hao không gian tự do Trong các ứng dụng thông tin vô tuyến di động, suy hao đường truyền trung bình, Ls(R), là một

hàm phụ thuộc khoảng cách R giữa máy di động và trạm gốc, tương ứng với

nl lần tỉ số R trên khoảng cách tham chiếu r0 Tức là:

L = 

Khi có hiện tượng dẫn sóng mạnh như khi tín hiệu truyền dọc theo các

đường phố ở đô thị, thì nl có thể nhỏ hơn 2 Khi xuất hiện các vật che khuất, nl

sẽ lớn hơn và nằm trong khoảng giá trị từ 2,5 đến 5 [36, 51] Các đo đạc thực

nghiệm cho thấy rằng với bất kỳ giá trị nào của R, tổng suy hao đường Lx(R)

là một biến ngẫu nhiên có phân bố log-chuẩn xung quanh giá trị trung bình phụ thuộc khoảng cách Ls(R) Do đó, suy hao tổng Lx(R) có thể được biểu

diễn bởi Ls(R) cộng với một biến ngẫu nhiên Xσ, như sau (tính bằng dB): [62]

( )RL ( )rn (Rr ) Xσ

Lx = s 0 +10 l log10 / 0 + (1.11) Trong đó Xσlà biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình bằng không (tính bằng dB) và phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí trạm gốc Việc chọn lựa giá trị cho Xσthường dựa trên đo đạc thực tế và phụ thuộc vào loại môi trường

thông tin tổ ong: macro-ô (ô lớn), micro-ô (ô nhỏ), hoặc picro-ô (ô rất nhỏ), và các tham số kênh khác Giá trị thường được sử dụng nằm trong khoảng từ 6 đến 10 dB

1.2.2.2 Pha-đinh và ảnh hưởng đến vùng phủ sóng

Pha-đinh có thể được chia thành hai loại đinh chậm và/hoặc đinh nhanh (có tài liệu dùng là pha-đinh large-scale, và small-scale) Pha-đinh chậm (hay che khuất) có suy hao như được trình bày trong mục 1.2.2.1 Pha-đinh nhanh biểu hiện hai đặc tính là méo tín hiệu (trải trễ tín hiệu) và sự biến đổi theo thời gian của kênh Do sự chuyển động giữa máy phát và máy thu, kênh truyền sẽ biến đổi theo thời gian khi thay đổi đường truyền sóng Tốc độ thay đổi của các điều kiện truyền sóng này được xem như tốc độ biến thiên nhanh của pha-đinh Pha-đinh nhanh thường được mô tả thống kê bằng phân bố Rayleigh, Rice [64] hoặc Nakagami-m [65] Việc lựa chọn mô hình phù hợp chủ yếu phụ thuộc vào môi trường hoạt động của hệ thống thông tin Nếu số các đường phản xạ đa đường lớn và không có thành phần tín hiệu trong tầm nhìn thẳng, đường bao của tín hiệu thu thường được mô tả thống kê bằng hàm mật độ xác suất Rayleigh Khi có sự xuất hiện của thành phần tín hiệu không pha-đinh với cường độ mạnh, ví dụ như tín hiệu đến từ đường truyền trong tầm nhìn thẳng, đường bao pha-đinh nhanh đuợc mô tả bằng hàm mật độ xác suất Rice Ngoài các đặc tính toán học đặc biệt của mô hình pha-đinh Nakagami-m, người ta thấy rằng mô hình này có thể mô tả chính xác đặc tính pha-đinh của các tín hiệu đa đường và các quá trình tán xạ vật lý khác [66]

pha-Kích thước của một ô trong hệ thống thông tin di động tổ ong có thể

được xác định bằng tỉ lệ phần trăm vùng nằm trong đường tròn bán kính R mà

trong đó cường độ tín hiệu thu được từ trạm gốc lớn hơn một ngưỡng cụ thể

nào đó Ta đặt phần vùng có dịch vụ Fu là vùng này (trong đường tròn bán kính R, cường độ tín hiệu thu được ở anten máy di động vượt quá ngưỡng xo

cho trước) Nếu Pxo là xác suất tín hiệu thu được x lớn hơn xo trong một vùng

Giả sử trị trung bình của cường độ tín hiệu x phụ thuộc vào khoảng cách

r-n, trong đó r là khoảng cách từ máy phát và n là hệ số suy hao đường truyền,

thì công suất tín hiệu trung bình (tính bằng dBm) là:

trong đó α (dBm) là hằng số phụ thuộc vào tăng ích, độ cao anten, công suất

phát,… và bằng tín hiệu trung bình thu được tại r=R

Giả sử tín hiệu trung bình cục bộ (cường độ tín hiệu trung bình cục bộ trên pha-đinh Rayleigh) tính bằng dB được biểu diễn bằng một biến ngẫu

nhiên chuẩn x có trị trung bình x(dB) và độ lệch chuẩn σ (dB), x là trị trung

bình theo dự đoán hoặc đo đạc Tín hiệu x (dB) khi có pha-đinh log-chuẩn

được viết là:

trong đó x~ là trị trung bình bằng không (zero mean) - phương sai đơn vị của biến ngẫu nhiên Gauss Vậy, hàm mật độ xác suất của x là :

Phương trình (1.15) cho thấy công suất tín hiệu thu được tức thời biễn thiên theo khoảng cách là 10σx~/10r−n Quĩ tích các điểm có công suất tín hiệu bằng nhau quanh máy phát sẽ không còn là một đường trong nữa mà có dạng càng bất thường khi σ càng tăng Ở điều kiện pha-đinh log-chuẩn, xác suất

tín hiệu thu được x lớn hơn xo là:

= -erf(-x) (1.21) và có mối liên quan với hàm Q(.) :

bằng biểu thức :

 −=

trong đó erfc(.) là hàm lỗi bù

Chú ý là Q(-x) = 1 – Q(x) Với các giá trị agumen lớn (≥3), Hàm Q có thể

được lấy xấp xỉ bằng biên dưới của nó [61] :

 −

Đặt a = (xo-α)/ 2σ và b = 10nlog(e)/ 2σ, ta có

 +−

(1.26)

 −−

(1.27)

Xác xuất để cường độ tín hiệu trên chu vi của đường tròn lớn hơn xo là )

x =β ta có :

Có thể giải phương trình này theo a rồi α, rồi dựa trên mức công suất theo

khoảng cách để xác định bán kính ô

1.2.3 Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian

Dựa trên các mô hình kênh thực tế của một hệ thống thông tin di động, các cơ cấu xử lý tín hiệu hiệu quả có thể được sử dụng để cải thiện chỉ tiêu hệ thống ; việc phân tích hệ thống một cách chính xác cũng cho phép dự đoán dung lượng và chỉ tiêu hệ thống Nói chung, các mô hình mô tả tham số như cường độ tín hiệu thu, đặc tính trễ công suất và phổ Doppler rất quan trọng cho việc phân tích hệ thống dùng anten đẳng hướng Nhưng một tham số rất quan trọng trong các hệ thống không gian-thời gian là hướng tới của tín hiệu thu lại không có trong các mô hình truyền thống Dựa trên các khái niệm cơ bản đã biết về pha-đinh, trải Doppler, tương quan, … các mô hình kênh mới có thể được xây dựng để có thể đề cập các khái niệm mới như trải trễ, HƯớNG TớI và hình dạng của anten mảng thích nghi Nhưng cần chú ý là đặc tính truyền sóng ở đường lên và đường xuống có thể khác nhau (do sự trải góc khác nhau ở máy di động và trạm gốc) - điều này rất quan trọng trong việc phân tích chỉ tiêu hệ thống không gian-thời gian

1.2.3.1 Mô hình kênh cơ bản

Trong một hệ thống vô tuyến di động, một tín hiệu có thể truyền từ máy phát tới máy thu qua nhiều đường phản xạ - hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường Hiệu ứng này gây ra sự thay đổi về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu được, và được gọi là pha-đinh đa đường

Giả sử rằng hệ thống không gian-thời gian bao gồm K người sử dụng,

mỗi người sử dụng phát một tín hiệu trên một kênh đa đuờng rời rạc độc lập

với đường truyền L tới máy thu, mỗi tín hiệu có một biên độ, pha và hướng

tới riêng Phân bố của các tham số này phụ thuộc vào loại môi trường thông tin di động (macro-ô, micro-ô, hoặc picro-ô)

Hướng tới phụ thuộc vào ba thành phần khác nhau là:

• Tán xạ tại đầu cuối di động (hiện tượng nhiễu xạ này cũng thường bị ảnh hưởng bởi tốc độ di động);

• Tán xạ tại trạm gốc;

• Các vật tán xạ ở xa Loại tán xạ này có thể xuất hiện trong các môi trường thành thị và nông thôn do các vật thể có cấu trúc lớn như núi đồi, các toà nhà, và có ảnh hưởng nhất định tới kênh thông tin di động kể cả khi các vật tán xạ này ở xa so với trạm gốc và máy di động Nếu các vật tán xạ này nằm trong tầm nhìn thẳng đối với cả trạm gốc và máy di động thì chúng có thể có vai trò giống như các vật phản xạ rời rạc hoặc vật phản xạ tập trung theo nhóm Khi các vật phản xạ được nhóm lại, anten trạm gốc hoặc máy di động có thể xem như các thành phần tán xạ như ở điểm 1 và điểm 2 nêu trên

Ta thấy rằng, mô hình phân bố của môi trường tán xạ chiếm một vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống Nhiều mô hình phân bố của môi trường tán xạ khác nhau đã được đề xuất, với các thuộc tính và độ chính xác khác nhau Chi tiết về các mô hình kênh có những ứng dụng khác nhau trong việc phân tích hệ sử dụng anten thông minh có thể tìm thấy trong tài liệu [36] Một số mô hình đã được phát triển cho thực tế, còn hầu hết mô hình khác có xu hướng phục vụ cho mục đích mô phỏng

1.2.3.2 Đánh giá đặc tính kênh không gian

Người ta đã thực hiện nhiều đo đạc thực nghiệm để đánh giá đặc tính của kênh không gian trong điều kiện thực tế [36] Một số kết quả đánh giá đáng chú ý được tóm tắt sau đây:

- Phần lớn năng lượng tín hiệu tập trung trong một khoảng trễ nhỏ và trong phạm vi hướng tới nhỏ ở môi trường vùng nông thôn, ngoại ô và thậm chí trong nhiều môi trường thành thị

- Bằng cánh sử dụng anten định hướng, có thể giảm được sự trải trễ

- Trải góc tăng khi độ cao anten trạm gốc giảm

- Trải góc tăng khi môi trường truyền sóng thay đổi từ nông thôn sang thành thị

- Mảng các phần tử anten với búp sóng nhỏ có thể cung cấp khá chính xác thông tin về hướng tới của máy di động đang di chuyển với tốc độ cao - Sự thay đổi theo thời gian của ký hiệu không gian có xu hướng tăng lên

theo tốc độ di chuyển của máy di động

Người ta cũng thực hiện phép đo tìm hiểu sự biến đổi của ký hiệu không gian cả về thời gian và tần số Kết quả đo cho thấy rằng khi máy di động và các vật xung quanh không chuyển động, tín hiệu không gian thay đổi nhỏ; khi môi trường và các vật xung quanh chuyển động thì sự thay đổi này ở mức trung bình; và khi máy di động di chuyển thì sự thay đổi tín hiệu không gian ở mức lớn nhất Các kết quả đo cũng cho thấy tín hiệu không gian thay đổi đáng kể khi tần số sóng mang thay đổi Trong thực tế, sự thay đổi biên độ tương đối của ký hiệu không gian có thể lớn hơn 10dB khi tần số thay đổi 10MHz Do đó, ký hiệu không gian ở đường lên không thể được áp dụng trực tiếp cho việc tạo búp sóng ở đường xuống trong hầu hết các hệ thống thông tin di động tổ ong hiện nay (thường có khoảng cách vài chục MHz giữa đường lên và đường xuống)

1.2.4 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian

Kỹ thuật không gian-thời gian có khả năng cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động bằng nhiều cách khác nhau Các ưu điểm nổi bật của kỹ thuật không gian-thời gian là:

• Dung lượng tăng (hiệu quả phổ tần tăng) nhờ tăng số người sử dụng tích cực đối với một giá trị BER cho trước

• Giảm nhiễu đồng kênh để cải thiện chất lượng dịch vụ và/hoặc tăng hệ số tái sử dụng tần số

• Giảm trải trễ và pha-đinh Bằng các kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập, có thể cải thiện tỷ số SINR của hệ thống trong môi trường pha-đinh Liên quan đến vấn đề này là giảm ảnh hưởng của trải góc của tín hiệu thu được do các vật tán xạ phân bố xung quanh thuê bao nhờ sử dụng các búp sóng hẹp để thu tín hiệu từ thuê bao

• Giảm xác suất mất liên lạc Bằng cách giảm nhiễu nhờ kỹ thuật không gian-thời gian, xác suất mất liên lạc có thể được giảm xuống

• Tăng hiệu quả truyền dẫn Do tính định hướng và tăng ích của hệ thống không gian-thời gian cao, bán kính trạm gốc có thể dược mở rộng và thuê bao có thể chỉ cần phát công suất thấp hơn cho phép kéo dài thời gian sử dụng pin

• Gán kênh động Khi dung lượng của hệ thống tổ ong vượt quá giá trị giới hạn, có thể thực hiện việc chia tách ô để tạo ra các ô mới, mỗi ô mới sẽ được phân bổ một trạm gốc cùng với tần số mới, làm cho tỷ lệ chuyển giao tăng lên Điều này có thể khắc phục được bằng các bộ xử lý không gian-thời gian cho phép tạo ra các búp sóng độc lập

• Cải thiện độ chính xác định vị bằng cách sử dụng anten mảng nhiều phần tử

• Giảm chi phí, độ phức tạp về cấu trúc mạng Do không phải lo ngại về các vấn đề như chuyển giao mềm, gán kênh động, tạo búp sóng không linh hoạt

Tuy nhiên, việc sử dụng anten mảng cũng có một số hạn chế đáng kể về chi phí và độ phức tạp sau:

• Tăng các yêu cầu về phần cứng cũng như phần mềm khi tăng số lượng phần tử anten của mảng

• Trong các trường hợp thực tế, chỉ tiêu của anten mảng có thể gây ra các ảnh huởng bất lợi bởi các lỗi mô hình kênh, lỗi định chuẩn (calibration), lệch pha và tạp âm tương quan giữa các phần tử anten

1.3 Phân loại anten

Các kỹ thuật anten thông minh có thể được phân thành ba loại chính [37]: Tạo búp sóng, phân tập, chia séc-tơ Tùy theo phương thức thực hiện mà các kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập có thể tiếp tục được phân loại cụ thể hơn nữa như Hình 1.4

Một anten mảng thích nghi bao gồm một nhóm các phần tử phát xạ được phân bố theo không gian, mỗi phần tử tương ứng với bản sao có độ tương quan cao của tín hiệu có ích Đầu ra của mỗi phần tử được đặt trọng số thích nghi và kết hợp với các đầu ra khác để tách ra tín hiệu hữu ích bằng cách xếp chồng các tín hiệu thu được

Anten thông minh

Tạo búp sóng

séc-tơ

Thích nghi Chuyển

Các yếu tố như môi trường tán xạ, phân bố người dùng, môi trường đinh.v.v đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chỉ tiêu của hệ thống di động không gian-thời gian Một hệ thống thông tin di động được thiết kế tốt phải sử dụng phần truyền dẫn chung sao cho: tổng lưu lượng thông tin phát trung bình càng lớn càng tốt; xác suất lỗi trung bình ở phía người dùng càng nhỏ càng tốt; và trễ trung bình càng nhỏ càng tốt Tuy nhiên không phải mọi tiêu chí này đều có thể được thoả mãn đồng thời; một thiết kế tốt đòi hỏi phải cân đối được các tiêu chí này Ví dụ, kỹ thuật tạo búp sóng có thể được dùng để giảm xác suất lỗi của hệ thống bằng cách giảm nhiễu CDMA Điều này được thực hiện bằng cách kết hợp thông minh các tín hiệu thu được từ nhiều phần tử anten ở trạm gốc hoặc máy di động

pha-Trong một hệ thống thông tin di động dùng anten mảng, thành phần tín hiệu pha-đinh nhanh tạo ra biên độ và pha ngẫu nhiên cho tín hiệu thu được trên mỗi phần tử anten, làm nhiễu loạn véc-tơ quay của mảng Trong trường hợp pha-đinh Rayleigh hoặc Nakagami, pha có thể là giá trị bất kỳ trong khoảng (0, 2π], và không thể xác định được hướng tới của sóng nếu chỉ giám sát tín hiệu trong một thời gian ngắn

Tương tự, khái niệm giản đồ phương hướng của mảng dựa trên giả thiết sóng phẳng tới các phần tử của mảng có biên độ không đổi Do đó, trong môi trường pha-đinh, việc thực hiện các bộ tạo búp để tạo và triệt (null) búp tương ứng về phía nguồn tín hiệu mong muốn và nhiễu có thể là không hiệu quả Khi pha-đinh nhanh có tương quan mạnh giữa các phần tử, nó có thể được coi như một nhân vô hướng với vec-tơ quay, tác động đều lên các phần tử Do đó có thể thực hiện việc khôi phục lại véc-tơ quay này Tuy nhiên, sẽ không có được tăng ích phân tập thu do kỹ thuật này dựa trên pha-đinh không tương quan Chính vì thế phát sinh mâu thuẫn giữa việc tránh làm nhiễu búp sóng và mong muốn có được phân tập thu

Từ những phân tích ở trên, ta thấy rằng có thể loại bỏ bớt được ảnh hưởng của kênh với thiết kế máy thu tốt hơn Tuy nhiên, do yêu cầu hạn chế độ phức tạp ở máy đầu cuối và do đặc tính của đường xuống, giải pháp được sử dụng để cải thiện đường xuống sẽ là dùng nhiều anten phát ở trạm gốc, nhờ đó không làm tăng độ phức tạp của máy đầu cuối

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu

Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát Các kỹ thuật phổ biến được biết là sử dụng anten dẻ quạt (séc-tơ) (xử lý tín hiệu theo không gian), phân tập (xử lý tín hiệu theo không gian-thời gian) và anten mảng tạo búp sóng (xử lý tín hiệu theo không gian-thời gian) có thể được xem như những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian-thời gian [16,17,19, 28, 36] Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thể được xem như bộ xử lý không gian-thời gian Các bộ xử lý không gian-thời gian tiên tiến hơn bao gồm cả bộ tách đa người sử dụng, và mã hóa không gian-thời gian sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không gian-thời gian [6, 16, 52]

Kỹ thuật MIMO tổng quát dùng nhiều anten ở cả đầu thu và phát sẽ làm cho dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến lớn hơn đáng kể so với các hệ thống thông thường Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu cần tiếp tục phát triển để có thể áp dụng kỹ thuật này vào thực tế [1, 4, 16, 27] Luận án nghiên cứu kỹ thuật xử lý không gian thời gian bằng Anten thông minh

Anten thông minh ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân sự từ khá lâu, nhưng mới thực sự được nghiên cứu sử dụng trong