2. 4.2 Thông tin kênh đầy đủ
3.3Tạo búp cơ hội dùng Anten câm
Độ lợi phân tập đa người dùng phụ thuộc vào tốc độ và dải thăng giáng kênh trong hệ. Trong môi trường mà thăng giáng kênh nhỏ, một ý tưởng tự nhiên là: liệu có thể khuếch đại phân tập người dùng bằng cách tạo ra kênh thay đổi nhanh hơn và thăng giáng lớn hơn? Tập trung vấn đề vào đường xuống, ta mô tả một kỹ thuật thực hiện dùng nhiều ăng-ten phát tại trạm gốc như minh họa trong hình . Xem xét một hệ thống với nt anten tại trạm gốc. Gọi hlk [m] là hệ số kênh phức từ ăngten l đến người sử dụng k tại thời gian m. Trong thời gian m, cùng biểu tượng x [m] được truyền từ tất cả các ăng-ten đồng thời nhân với một số phức
tại ăng ten l, với l = 1 : nt, sao cho
(tổng công suất phát đặt trước). Tín hiệu nhận được ở người dùng k (mô hình kênh fading cơ bản đường xuống để so sánh) được cho bởi:
(3.4) Trong dạng vector, sơ đồ truyền q [m] x [m] tại m, ở đó
(3.5)
Là vecto đơn vị và
(3.6)
ở đó hk [m] ¤: = (h1k [m]; :::; HNT; k [m])
là vector kênh từ mảng ăng-ten phát đến người dùng k. Độ lợi kênh tổng thể nhìn thấy bởi người dùng k bây giờ là
biểu thị các phần công suất được phân bổ cho mỗi ăng-ten phát, và biểu thị dịch pha cấp cho mỗi ăng-ten với các tín hiệu. Bằng việc thay đổi các đại lượng này theo thời gian từ 0 đến 1 và 0 đến 2π), các
ăng-ten phát tín hiệu theo hướng thay đổi theo thời gian, và thăng giáng trong kênh
toàn thể được tạo ra ngay cả khi hệ số kênh vật lý có thăng giáng nhỏ (Hình 3.8)
Trong hệ thống ăng ten phát đơn, mỗi người dùng k phản hồi SNR toàn thể của kênh riêng của mình, , về trạm cơ sở (hoặc tương đương là tốc độ dữ liệu được kênh hiện có thể hỗ trợ) và trạm cơ sở lên các lịch truyền cho người sử dụng thích hợp. Không cần đo hệ số kênh cá riêng rẽ hlk [m] (pha hoặc độ lớn), trong thực tế, sự tồn tại của nhiều ăng-ten truyền là hoàn toàn minh bạch đối với người sử dụng. Do đó chỉ cần một tín hiệu dẫn đường duy nhất là cần thiết để đo kênh (như trái ngược với một pilot để đo hệ số mỗi ăng-ten). Ký hiệu dẫn đường được lặp lại ở mỗi anten phát, cũng như ký hiệu dữ liệu.
Tốc độ thay đổi theo thời gian (hay tương đương, là hướng phát q [m]) là một tham số thiết kế hệ thống. Chúng ta muốn nó nhanh để có thể cung cấp thăng giáng kênh toàn thể trong thời gian trễ quan tâm. Mặt khác, có một giới hạn thực tế đối với sự nhanh này là sự thay đổi phải đủ chậm và xảy ra ở cỡ thời gian cho phép kênh được ước lượng tin cậy bởi người sử dụng và phản hồi SNR. Hơn nữa, sự thay đổi phải đủ chậm để đảm bảo rằng các kênh nhìn thấy bởi một người dùng không thay đổi đột ngột và do đó duy trì sự ổn định của vòng lặp theo dõi kênh.
Fading chậm: Beamforming cơ hội
Để thấy rõ tính hiệu quả của sơ đồ này, xét trường hợp fading chậm. Vector hệ số kênh của người sử dụng k không đổi, tức là, hk [m] = hk, cho tất cả các m. (Trong thực tế, điều này có nghĩa là: Cho tất cả các m có độ trễ thời gian quan tâm)
Hình 3.8 Sự thăng giáng kênh
SNR nhận được cho người dùng này sẽ không thay đổi nếu chỉ có một ăng-ten phát được dùng. Nếu tất cả người dùng trong hệ thống chịu fading chậm như vậy, sẽ không có phân tập người dùng để khai thác. Mặt khác, theo sơ đồ đề xuất, , hệ số kênh toàn thể đối với người dùng k thay đôi theo thời gian và cung cấp cơ hội để khai thác phân tập đa người dùng.
Chúng ta tập trung vào người dùng k cụ thể. Bây giờ nếu q [m] thay đổi theo tất
cả các hướng, bình phương biên độ của kênh nhìn thấy bởi người
dùng k thay đổi từ 0 đến . Giá trị đỉnh xảy ra khi truyền dữ liệu xắp hàng theo hướng kênh của người dùng k, tức là, q [m] = hk /||hk|| . Công suất và giá trị pha sau đó có cấu hình tạo búp.
Để tạo búp đến một người dùng cụ thể, các trạm gốc cần biết đáp ứng biên độ và pha của các kênh riêng lẻ từ tất cả các ăng-ten, đòi hỏi nhiều thông tin phản hồi hơn SNR tổng thể. Tuy nhiên, nếu có nhiều người sử dụng trong hệ thống, thuật toán công bằng tỷ lệ sẽ lên kế hoạch truyền cho người sử dụng chỉ khi SNR kênh tổng thể của người đó là gần đỉnh. Như vậy, rất có thể trong một môi trường fading chậm, kỹ thuật này có thể đạt được hiệu quả của tạo búp đồng bộ nhưng chỉ với thông tin phản hồi toàn thể SNR (Hình ). Trong bối cảnh này, kỹ thuật có thể được hiểu như Beamforming cơ hội: bằng cách thay đổi pha và công suất phân bổ cho các ăng-ten phát, một chùm tia quét ngẫu nhiên và tại bất kỳ thời điểm nào việc truyền được lên kế hoạch cho người dùng đang gần gũi nhất với chùm tia này.
Fading nhanh: sự làm tăng thăng giáng kênh
Chúng ta thấy rằng beamforming cơ hội có thể cải thiện hiệu suất đáng kể trong môi trường fading chậm bằng cách bổ sung thăng giáng thời gian nhanh thời gian nhanh lên chất lượng kênh toàn thể. Tốc độ thăng giáng kênh là được tạo ra nhân tạo. Có thể chùm tia cơ hội cũng trợ giúp đỡ nếu thay đổi kênh cơ bản là nhanh (nhanh so với độ trễ thời gian)?
Hình 3.9 Búp đồng bộ nhưng chỉ với thông tin phản hồi toàn thể SNR
Thông lượng dài hạn trong fading nhanh chỉ phụ thuộc vào phân bố tĩnh của hệ số kênh. Ảnh hưởng của beamforming cơ hội trong kịch bản fading nhanh sau đó phụ thuộc vào cách phân bố dừng của hệ số kênh tổng thể có thể được sửa đổi bởi
có thể được khai thác tốt hơn nếu dải động phân bố của hk có thể tăng, do đó, SNR tối đa có thể lớn hơn. Chúng tôi xem xét hai ví dụ về mô hình fading phổ biến:
Fading Rayleigh độc lập:
Mô hình này, phù hợp với môi trường nơi có đầy đủ tán xạ và các ăng-ten phát cách nhau đủ xa, hệ số kênh h1k [m]; :::; hntk [m] biến ngẫu nhiên IID CN. Trong trường hợp này, các vector kênh hk [m] được phân bố đẳng hướng, và hk [m] ¤ q [m] là Gaussian đối xứng tròn cho bất kỳ sự lựa chọn của q [m], hơn nữa hệ số tổng thể là độc lập đối với người sử dụng. Do đó, thống kê tĩnh của kênh là giống hệt nhau như tình huống với một ăng-ten phát. Như vậy, trong môi trường fading Rayleigh độc lập nhanh, kỹ thuật beamforming cơ hội không cung cấp bất kỳ hiệu suất nào thêm.
Fading Ricean độc lập: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngược lại với trường hợp fading Rayleigh, Beamforming cơ hội có tác động đáng kể trong một môi trường Ricean, đặc biệt khi hệ số k là lớn. Trong trường hợp này, sơ đồ có thể tăng đáng kể dải động của thăng giáng. Điều này là do thăng giáng trong quá trình fading Ricean đến từ các thành phần khuếch tán, trong khi ngẫu nhiên hóa của pha và công suất, thăng giáng là cộng hay khử đồng bộ là từ các thành phần đường dẫn trực tiếp trong các tín hiệu từ ăng-ten phát khác nhau, bổ sung vào thăng giáng của các thành phần khuếch tán. Nếu đường dẫn trực tiếp mạnh mẽ hơn nhiều so với khuếch tán (giá trị k lớn), thăng giáng lớn hơn có thể được tăng với kỹ thuật này
Trực giác này được chứng minh trong hình 6.22, trong vẽ thông lượng tổng cộng với thuật toán công bằng tỷ lệ (lớn tc, cỡ 100 lần khe thời gian) đối với fading Ricean có k = 10. Chúng ta thấy rằng có một cải tiến đáng kể hiệu quả khi chuyển từ trường hợp ăng ten phát duy nhất sang hai anten phát với Beamforming cơ hội. Để so sánh, chúng tôi cũng vẽ đường cong tương tự cho kênh fading Rayleigh, như mong đợi, không có cải thiện hiệu quả nào trong trường hợp này. Hình 6.23 so sánh phân bố tĩnh của hệ số kênh tổng cộng trong các trường hợp đơn ăng-ten và hai ăng-ten; ta có thể thấy sự gia tăng dải động do Beamforming cơ hội.
Ăng-ten: Dumb, thông minh và thông minh hơn
Đến đây, phân tích của chúng ta đã tập trung vào việc sử dụng nhiều tennas phát để tạo ra thăng giáng kênh lớn hơn và nhanh hơn để sử dụng độ lợi phân tập đa người dùng.
Sẽ rất tốt khi so sánh kỹ thuật này với hai kỹ thuật truyền điểm-điểm đã biết là: - Mã không gian-thời gian với sơ đồ Alamouti: Chủ yếu được sử dụng để tăng phân tập trong môi trường fading chậm điểm-điểm.
- Tạo búp phát: Ngoài việc cung cấp phân tập, một hệ số công suất cũng đạt được thông qua việc cộng đồng bộ tín hiệu tại người sử dụng.
Hình 3.10 Thông lượng người dùng kênh Rice với fading nhanh
Ba kỹ thuật này có yêu cầu hệ thống khác nhau: Mã không gian-thời gian đồng bộ như Alamouti yêu cầu người sử dụng theo dõi tất cả các kênh (biên độ và pha) xuống từ từng anten. Điều này đòi hỏi pilot riêng biệt trên mỗi ăng-ten phát. Phát búp có yêu cầu mạnh hơn là bộ phát cũng phải biết các kênh xuống. Trong một hệ thống FDD, điều này có nghĩa là phải phản hồi của các hệ số kênh riêng rẽ (biên độ và pha). Ngược với hai kỹ thuật này, sơ đồ tạo búp cơ hội không đòi hỏi biết hệ kênh riêng rẽ cả ở người sử dụng cũng như tại máy phát. Trong thực tế, người sử dụng là hoàn toàn không biết gì về kênh thực tế là có nhiều ăng-ten phát hay duy nhất 1 ăng ten phát. Do đó, có thuật ngữ gọi là ăng-ten câm. Tạo búp cơ hội dựa trên lập lịch phân tập đa người dùng, nó yêu cầu phản hồi SNR tổng thể của mỗi người dùng. Tuy nhiên, điều này chỉ cần một pilot duy nhất để đo các kênh tổng thể (chứ không phải kênh riêng rẽ).
Hiệu quả của các kỹ thuật này khi dùng trong đường xuống là thế nào?
Trong môi trường fading chậm, ta đã nhận xét rằng tạo búp cơ hội đạt hiệu quả như tạo búp phát thông thường khi có nhiều người sử dụng trong hệ thống. Mặt khác, mã không gian-thời gian không tốt như tạo búp phát thông thường vì nó không có hệ số công suất mảng. Điều này có nghĩa, chẳng hạn như, sử dụng sơ đồ Alamouti với hai ăng-ten truyền trong đường xuống là 3 dB tồi tệ hơn sử dụng tạo búp cơ hội kết hợp với lập lịch phân tập đa người dùng khi có nhiều người sử dụng trong hệ thống. Do đó, ăng-ten câm cùng với lập lịch thông minh có thể vượt qua hiệu suất của mã không gian-thời gian thông minh và đạt tới phát búp với thông minh hơn.
Còn trong môi trường fading Rayleigh nhanh? Trong trường hợp này, chúng ta đã thấy rằng ăng-ten câm không ảnh hưởng lên kênh tổng thể như độ lợi phân tập đa người dùng được thực hiện đầy đủ. Mã không gian-thời gian, mặt khác, tăng phân tập kết nối point-to-point và do đó làm giảm thăng giáng kênh và đồng thời giảm phân tập đa người dùng. Như vậy, việc sử dụng mã không gian-thời gian như một công nghệ điểm-điểm cho đường xuống đa người dùng với kiểm soát tốc độ và lập lịch thực sự có thể có hại, theo nghĩa là ngay cả phân tập tự nhiên đa người dùng cũng bị lấy đi. Hiệu quả của việc phát búp không phải là quá rõ ràng: một mặt nó làm giảm thăng giáng kênh và do đó giảm sự phân tập đa người dùng, nhưng mặt
khác nó lại cung cấp một hệ số công suất mảng. Tuy nhiên, trong một hệ thống FDD có kênh fading nhanh, có thể khó phản hồi nhiều thông tin kịp để thực hiện phát búp đồng bộ.
So sánh giữa ba phương án được tóm tắt trong bảng .. Tất cả ba kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát đến một người sử dụng tại một thời điểm. Với đầy đủ thông tin kênh tại máy phát, một sơ đồ thông minh hơn có thể phát đến nhiều người sử dụng đồng thời, khai thác nhiều bậc tự do hiện có vốn trong các kênh nhiều ăng-ten. Sẽ được thảo luận tiếp sau.
Antennas câm Antennas thông minh
Antennas thông minh hơn
Kênh Tất cả SNR Toàn bộ CSI tại bộ thu Toàn bộ CSI tại bộ thu và phát
Fading
chậm Phân tập và công suất Độ lợi phân tập Phân tập và công suất
Hiệu suất Đạt được Duy nhất Đạt được
Fading
nhanh Không có tác động
Phân tập đa người dùng giảm
Phân tập đa người dùng giảm
Hiệu suất Công suất tăng
Hình 3.12 So sánh giữa 3 phương pháp truyền antennas
3.4 Phân tập đa người dùng trong hệ thống đa bào
Ta đã xem xét một kịch bản đơn bào, nơi tiếng ồn được giả định là Gauss trắng. Đối với hệ băng rộng di động với hệ thống tái sử dụng tần số đầy đủ (chẳng hạn như CDMA, OFDM ), điều quan trọng là xem xét ảnh hưởng của giao thoa giữa các tế bào đến hiệu suất của hệ thống, đặc biệt là kịch bản giới hạn bởi giao thoa. Trong một hệ thống di động, ảnh hưởng này được đánh giá bằng cách đo chất lượng kênh của một người sử dụng theo SINR: đó là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng với tiếng ồn.
được và giao thoa thăng giáng theo thời gian. Từ thuật toán lập lịch phân tập đa người dùng, phân bổ tài nguyên dựa trên SINR của kênh (chúng phụ thuộc vào cả hai biên độ kênh và biên độ giao thoa), thuật toán sẽ tự động khai thác cả thăng giáng trong năng lượng của tín hiệu nhận được cũng như của giao thoa và cố gắng để sắp xếp nguồn lực vào một người dùng có kênh tức thời là tốt và giao thoa là yếu. Vì vậy, phân tập đa người dùng cũng tự nhiên có độ lợi của giao thoa thay đổi theo thời gian để tăng cường việc dùng lại không gian của mạng.
Từ quan điểm này, sự ngẫu nhiên hóa biên độ và pha tại anten phát ở trạm cơ sở đóng vai trò bổ sung: nó làm tăng không chỉ lượng thăng giáng của tín hiệu nhận được cho những người dùng chủ định bêntrong các tế bào, nó cũng làm tăng thăng giáng của của giao thoa của trạm gốc gây ra cho các tế bào lân cận. Do đó, tạo búp cơ hội có lợi đúp trong một hệ thống tế bào bị giới hạn bởi giao thoa. Trên thực tế, tạo búp cơ hội thực hiện nulling cơ hội đồng thời: trong khi ngẫu nhiên hóa biên độ và pha trong các tín hiệu truyền từ ăng-ten cho phép búp gần đối với một số người sử dụng bên trong tế bào, thì nó cũng tạo ra gần null đối với một số người dùng khác trong các tế bào lân cận. Hiệu ứng này cho phép tránh giao thoa đối với người dùng nếu nó hiện đang được lập lịch
Ta hãy tập trung vào đường xuống và kịch bản fading chậm để thấy hiệu quả từ tạo búp cơ hội và nulling. Bằng cách ngẫu nhiên hóa biên độ và pha ở tất cả các trạm cơ sở, tín hiệu nhận được của một người sử dụng điển hình bị nhiễu bởi J trạm gốc lân cận cho bởi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(3.9)
Ở đây, x [m]; h; q [m] tương ứng là tín hiệu, vector kênh và hướng phát ngẫu nhiên từ trạm cơ sở quan tâm; uj[m]; gj; qj[m] tương ứng là tín hiệu giao thoa , vector kênh và hướng phát ngẫu nhiên từ các trạm gốc j. Tất cả các trạm cơ sở có cùng công suất phát, P, và nt ăng ten phát và thực hiện biên độ và pha ngẫu nhiên độc lập.
Trung bình tín hiệu x[m] và giao thoa uj[m], (thay đổi theo thời gian) SINR của người dùng k có thể được tính là:
(3.10)
Khi hướng phát ngẫu nhiên q [m]; qj [m] thay đổi, SINR tổng thể thay đổi theo thời gian. Điều này là do sự thay đổi của hệ số tổng thể từ trạm cơ sở quan tâm như cũng như từ các trạm cơ sở giao thoa. SINR là cao khi q [m] gần xắp hàng với vecto kênh h, và đối với nhiều người j, qj [m] là gần như vuông góc với gj, tức là, người