5. Bố cục của luận án
2.3 xuất hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH
2.3.1 Các cấu hình MIMO trong mạng đơn tần
Cấu hình truyền dẫn MIMO có thể được triển khai theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào vị trí của ăng-ten phát. Chính xác hơn, trong bối cảnh phát sóng truyền hình mặt đất, truyền dẫn theo phương thức MIMO có thể thực hiện bằng nhiều ăng-ten phát được gắn trong một trạm gốc duy nhất. Một số trạm gốc có thể tạo thành Mạng
đơn tần (SFN), trong đó truyền MIMO cũng có thể được áp dụng. Ngoài ra, (các) liên kết phát sóng vệ tinh bổ sung có thể được tham gia vào mạng truyền dẫn, tạo thành kiến trúc truyền dẫn MIMO vệ tinh / mặt đất kết hợp. Các cấu hình truyền dẫn MIMO cho hệ thống truyền hình số mặt đất bao gồm:
a) Truyền dẫn MIMO một trạm gốc
Trong truyền dẫn MIMO một trạm gốc như biểu diễn trong hình 2.8, nhiều ăng-ten phát được lắp đặt trong một trạm gốc. Các tín hiệu được mã hóa không gian thời gian sau đó được truyền bởi nhiều ăng-ten. Sơ đồ này thường áp dụng trong triển khai Mạng đa tần (MFN).
Các ăng-ten phát thường được phân cực chéo để khử tương quan giữa các liên kết kênh để đạt được dung lượng kênh MIMO cao hơn. Cặp ăng-ten phân cực chéo có thể cung cấp đủ các liên kết kênh không tương quan cho phép tăng thông lượng truyền bằng kỹ thuật MIMO.
Máy phát
Máy thu
Hình 2.8.Truyền dẫn MIMO một trạm gốc
b) Truyền dẫn MISO phân tán
Trong quá trình triển khai SFN, một số máy phát đồng thời phát cùng một
chương trình trong cùng dải tần. Vùng phủ sóng của các dịch vụ phát sóng có thể được mở rộng đáng kể mà không cần nhiều dải tần số. Tuy nhiên, cũng có một số thách thức phải đối mặt trong SFN. Theo đó, các tín hiệu tương tự được truyền từ các máy phát nằm ở các vị trí khác nhau. Sự chồng lấn tín hiệu từ các máy phát khác nhau có thể dẫn đến suy giảm nghiêm trọng cường độ tín hiệu ở một số điểm vùng phủ sóng.
Phạm vi phủ sóng SFN có thể được cải thiện bằng phương thức truyền dẫn MISO phân tán. Mô hình hệ truyền dẫn MISO phân tán được biểu diễn trong hình 2.9. Tín hiệu được mã hóa theo mã không gian thời gian, sau đó được đưa đến các vị trí - truyền (trạm gốc) khác nhau. Mã hóa không thời gian không tương quan với các tín - hiệu được truyền từ các vị trí khác nhau và do đó giảm thiểu vấn đề suy giảm cường độ tín hiệu trong SFN truyền thống. Ngoài ra, so với trường hợp SISO, truyền dẫn MISO làm giảm yêu cầu về công suất tín hiệu tối thiểu để giải mã chương trình truyền
hình. Nói cách khác, MISO cải thiện vùng phủ sóng của SFN. Một ưu điểm quan trọng khác của truyền dẫn MISO là không yêu cầu ăng ten truyền phát và nguồn cấp - dữ liệu bổ sung trên mỗi vị trí truyền. Điều đó có nghĩa là việc triển khai truyền MISO phân tán không cần chi phí cập nhật phần cứng. Ngoài ra, bộ thu có thể dùng 1 ăng- ten, giúp giảm thiểu chi phí người dùng.
Máy phát 1
Máy thu
Máy phát 2
Hình 2.9.Truyền dẫn MISO phân tán
c) Truyền dẫn MIMO hai trạm gốc
Truyền dẫn MIMO hai trạm gốc được biểu diễn trong hình 2.10, trong đó, tín hiệu được mã hóa không gian thời gian và phát trên hai trạm gốc. Mô hình này có – thể được xem như là sự kết hợp của hai mô hình trước. Do các ăng ten trạm gốc được - đặt ở các vị trí cách nhau về mặt địa lý, các liên kết kênh khác nhau không tương quan tạo ra sự phân tập truyền dẫn MIMO. Nhiều ăng-t en thu cũng được sử dụng ở phía bên nhận để khai thác tính phân tập thu.
Máy phát 1
Máy phát 2
Máy thu
Hình 2.10. Sơ đồ truyền dẫn MIMO hai trạm gốc
d) Kiến trúc MIMO kết hợp vệ tinh
Kiến trúc vệ tinh / mặt đất kết hợp các cơ sở hạ tầng của cả phát sóng mặt đất và vệ tinh được biểu diễn trong hình 2.11. Kiến trúc này có phạm vi phủ sóng toàn quốc. Trong khi đó, truyền hình mặt đất bổ sung cho vùng phủ sóng ở các khu vực đô thị nơi có các tòa nhà dày đặc và có thể chặn tín hiệu vệ tinh truyền thống. Do đó, kiến trúc này có thể cung cấp hiệu quả các dịch vụ phát sóng trong một khu vực rộng lớn.
Máy phát
mặt đất
Máy phát
vệ tinh
Máy thu
Hình 2. .11 Kiến trúc MIMO kết hợp vệ tinh
Việc sử dụng cả máy phát vệ tinh và mặt đất cung cấp sự phân tập truyền vốn có thể được khai thác bằng cách áp dụng các sơ đồ MIMO thích hợp. Máy phát vệ tinh có thể hoạt động ở cùng tần số với các máy phát mặt đất để tạo thành SFN. Trong trường hợp này, tất cả các ăng-ten thu có thể nhận tín hiệu từ cả các máy phát vệ tinh và mặt đất, tạo thành một hệ thống truyền phát MIMO phân tán. Ngoài ra, các máy phát vệ tinh và mặt đất có thể hoạt động ở các dải tần số khác nhau. Trong trường hợp này, một hoặc nhiều ăng-ten thu bổ sung phải được dành riêng để nhận tín hiệu vệ tinh, cung cấp một liên kết truyền dẫn độc lập, hợp tác. Sự phân tập có thể được trích xuất bằng cách kết hợp các tín hiệu nhận được từ các nguồn khác nhau.
Luận án nghiên cứu truyền dẫn MIMO phân tán, đặc biệt sử dụng mô hình massive MIMO cho trạm gốc.
2.3.2 Mô hình tín hiệu
Bộ tạo búp sóng sử dụng một số các phần tử ăng-ten được phân pha riêng lẻ theo cách để tạo thành các chùm tia (hoặc không) theo hướng mong muốn. Các ăng- ten định hướng búp sóng có tính tương quan cao, các phần tử và các cột có khoảng cách gần. Trong hình 2.11 mô tả một kết nối không dây giữa các trạm cơ sở tập trung hóa và nhiều người dùng cố định hoặc di chuyển. Trạm cơ sở có khả năng tạo ra một số lượng các chùm tia.
Xét hệ thống định hướng đa búp sóng với các ăng ten mảng cách đều hình trụ. - Khoảng cách giữa các phần tử là . Hệ thống có d M phần tử trên mỗi vòng và số vòng cho định hướng đa búp sóng là . Số phần tử là N = × . Mô hình hệ thống được minh họa trên hình 2.12.
Hình 2. .12 Kịch bản định hướng đa búp sóng dựa trên nhiều ăng-ten mảng hình trụ
Ký hiệu s(t) là tín hiệu truyền của chùm tia tùy ý, góc trỏ liên kết với s(t) là θ, vector của mảng truyền từ các phần tử Nt t i thạ ời điểm t được bi u th là : ể ị
( ) = ( , ) ( ) (2.70 ) V i ớ ( , ) là steering vector:
( , ) = 1 ( )/ ( )/… ( ) ( )/ (2.71)
Với ω là tần số sóng mang và c là tốc độ ánh sáng. Steering vector phụ thuộc vào hướng của độ ệ l ch và t n sầ ố. Để đơn giản, bi u di n ể ễ ( , ) là a. Mô hình định hướng búp sóng đơn được bi u di n là: ể ễ
( ) = ( ) (2.72)
Mô hình định hướng đa búp sóng được thể hiện như sau:
( ) = ( ), (2.73)
trong đó = [ ( , ), ( , ), … ( , ) ] theo chùm P. Có hai hệ ống đị th nh hướng búp sóng chung, bao gồm định hướng búp sóng băng hẹp và định hướng búp sóng băng rộng. Trong mô hình định hướng búp sóng băng hẹp, tín hiệu đầu ra c a ủ máy t o sóng t i thạ ạ ời điểm là t y(t) thu được bằng cách k t h p tuy n tính các tín hiế ợ ế ệu của các phần tử như:
( ) = ( ) (2.74)
Đối với mô hình băng thông rộng, tín hiệu đầu ra được biểu thị bằng [61]:
( ) = , ( ) (2.75)
Với K-1 là số giai đoạn trễ tại mỗi kênh của phần tử thứ i của mảng
Trong đó ( ) là vector tín hiệu. Vector có độ dài w đại diện cho các trọng
số như:
= , , … , = [ ] (2.77)
Đáp ứng của bộ tạo chùm tia đơn giản được thể hiện như sau:
( , ) = (2.78)
Mô hình tạo chùm tia được định nghĩa là độ ớn bình phương củ l a ( , ). Lưu ý rằng mỗi trọng số trong vector tác động đến bộ tạo chùm tia về thời gian và không w
gian.
Công suất đầu ra hoặc phương sai của tín hiệu ước tính được xác định là:
{| | }= { } (2.79)
Với E{.} biểu thị bình quân. Nếu tín hiệu là đứng yên, ma trận hiệp phương sai
= { }là độc lập thống kê theo thời gian. Mặc dù thống kê tín hiệu không thường xuyên cố định, nhưng hiệu năng của định hướng búp sóng tối ưu thiết kế và đánh giá dựa trên giả thuyết rằng tín hiệu này là dừng nghĩa rộng.
Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu băng hẹp s(t) ở tần số là:
= ( , ) ( , ) = (2.80) Với = là công suất tín hiệu truyền trung bình.
2.3.3 Mô hình kênh massive MIMO
Đối với mỗi chùm tia, mô hình kênh massive MIMO như sau:
= , , … , , , , , , … , + (2.81) Trong định dạng ma trận: = + , (2.82)
V i ớ = , , … , là một tập hợp các tín hiệu nhận được từ NRăng-ten nhận của trạm di động. Bởi vì hệ thống ghép kênh không gian MIMO tận dụng lợi thế của phân tập truyền trong không gian theo thời gian gây ra bởi pha-đinh và đa đường kết hợp với tín hiệu trực giao. Việc phát hiện tín hiệu trong máy thu là phát hiện tuần tự. Do đó, đối với quy trình phát hiện chuỗi, thiết lập tín hiệu và kênh như sau: Giả sử dữ liệu được chia thành các khối bao gồm ký hiệu. Trong mỗi khối, để tránh nhiễu giữa K
các khối, ta chèn P vector bằng 0 chứa phần tử và là số lượng mẫu dữ liệu hữN N u ích v i ớ K = N + P. Kênh là kênh pha-đinh Finite Impulse (FIR) có Lđường trên mỗi liên
kết từ ộ ăng m t - truyten ền đến một ăng-ten thu. Chọn thP để ỏa mãn > 1. Tín hiệu nhận được tại ăng-ten thứ trong miền thời gian riêng biệt có dạng:j
[ ] = , [ +] [ ] (2.83)
Trong đó:
Mẫu tín hiệu nhận được ở ăng-ten thứ jthtại thời điểm rời rạc k là [ ]
Vector đầu ra tại thời điểm k là:
[ ] = [ ], [ ], … , [ ] với k = 0,1,…,K-1 (2.84) Vector nhận được là
=( [0 ], [1], … , [ 1]) (2.85)
Phần tử thứ l của kênh phản hồi , là , với l = 0, 1,… L – 1, Vector tín hiệu truyền tại thời điểm k là:
[ ] = [ ], [ ], … , [ ] (2.86)
Nhiễu ảnh hưởng đến các mẫu tín hiệu nhận được là
[ ] = [ ], [ ], … , [ ] (2.87)
Vector tín hiệu truyền là
= ( [0], [1], … , [ 1]) (2.88)
Vector nhiễu AWGN
= ( [0], [1], … , [ 1]) (2.89)
Ma trận kênh truyền H có thể được tham số hóa như sau [84]:
= ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) (2.90)
Trong đó:
= 1 là một yếu tố chuẩn hóa
là mức tăng phức tạp của mỗi đường dẫn.
, lần lượt là góc phương vị và độ cao của điểm đến hoặc đi của đường dẫn thứ th tại cụm p l- -th.
( , ) và ( , ) tương ứng là độ lợi phần tử ăng-ten cho máy thu và máy phát.
( , ) và ( , ) tương ứng là steering vector của ăng ten mảng - máy thu và máy phát.
Ở đây, giả định rằng các phần tử ăng- ten là các phần tử đẳng hướng và không có sự can nhiễu giữa các phần tử và liên phần tử. Các hàm khuếch đại có độ lợi bằng nhau, ví dụ: , = , = 1. Tuy nhiên, các phần tử đẳng hướng có thể được thay thế bằng các loại ăng-ten khác nhau như ăng-ten patch, có tính đến các hàm khuếch đại tương ứng.
2.3.4 Đề xuất tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng
Sơ đồ khối chức năng hệ thống định hướng đa búp sóng được đề xuất trình bày trong hình 3.6. Các hàm tạo búp sóng phân chia tín hiệu RF thành các chùm (P chùm) để cung cấp cho từng phần tử hoạt động của dàn ăng-ten được định pha. Nó thực hiện trọng số pha và biên độ phân giải cao, cần thiết để tổng hợp các mô hình định hướng búp sóng và các nhiễu tiềm năng không thích ứng. Các khối xử lý tín hiệu điều chế OFDM bao gồm IFFT , biến đổi song song sang nối tiếp P/S (Parallel- to-Serial), chèn tiền tố tuần hoàn CP (Cyclic Prefix) và thực hiện chuyển đổi số sang tương tự DAC (Digital-to-Analog Converter) để tạo thành tín hiệu đầu ra. Bộ trộn chuyển đổi tín hiệu băng cơ sở lên tần số sóng mang. Khối cuối cùng là khối front end, chứa 1 bộ khuếch đại công suất lớn và truyền hiệu năng cao PA (Power Amplifier), một switch truyền/nhận và bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low-Noise Amplifier).
IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC LNA CHÙM #1 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC LNA CHÙM #2 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC LNA CHÙM #P Mảng con Ăng-ten #1 Mảng con Ăng-ten #2 Mảng con Ăng-ten #Nt Chùm #1 Chùm #2 Chùm #P
Hình 2. .13 Đề xuất sơ đồ khối chức năng hệ thống định hướng đa búp sóng.
Định hướng búp sóng là một kỹ thuật quan trọng trong xử lý mảng để tối ưu hóa tín hiệu mong muốn trong khi giảm thiểu nhiễu. Các kỹ thuật tạo chùm tia tối ưu thống kê bao gồm tối đa hóa SNR, lỗi bình phương tối thiểu MMSE, tối thiểu hóa phương sai có ràng buộc tuyến tính LCMV, đáp ứng biến dạng phương sai tối thiểu, MVDR được áp dụng rộng rãi [66]. Thiết kế của bộ tạo búp sóng theo phương pháp
tối ưu thống kê đòi hỏi các thuộc tính thống kê của nguồn và các đặc tính thống kê của kênh. Các tiêu chí tối ưu được mô tả trong mục 2.2.1.2.
2.3.5 Kết quả mô phỏng
Trong phần này, các kết quả mô phỏng được sử dụng để so sánh hệ thống định hướng đa búp sóng được đề xuất. Hiệu năng của hệ thống được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo bao gồm các bước mô phỏng tuần tự như sau- : Thiết lập cấu hình hệ thống, tạo dữ liệu người dùng iền mã hóa MIMO, t , tạo các ký hiệu OFDM, chèn CP, tạo dạng tia nhận tín hiệu cân bằng MIMO cân bằng MUD, , , (Multi-user Detection), giải điều chế OFDM, so sánh với dữ liệu nguồn, tính BER. Ước lượng cuối cùng được tính là trung bình của tất cả các giá trị Q đo được sau mỗi mô phỏng. Tỷ lệ lỗi bit BER được sử dụng để xác định hiệu năng của hệ thống.
Hiệu năng hệ thống trong mô phỏng là ai số toàn phương trung bình chuẩn s hóa, NRMSE, giá trị cuối cùng là giá trị trung bình của tất cả các giá trị Qsau mỗi mô phỏng:
= mean ( ) ( )
( ) ( ( )) (2.91) Trong mô phỏng, cấu hình của mảng là mảng hình trụ với số lượng ăng-ten Massive MIMO là 200 để biểu thị hiệu năng SNR, khoảng cách giữa hai phần tử ăng- ten liên tiếp là λ⁄2.
Tín hiệu mô phỏng có tần số fc 1.5 ÷ 2.1 = GHz, N = 10000 m u. ẫ
Bảng 2.5. Các tham s mô ph ng [39] 1] ố ỏ [4
Các tham số Đơn vị Thông số
Tần số sóng mang fc GHz 1.5 ÷ 2.1 at SNR [-50dB÷50dB]
OFDM symbol symbol 1024
AWGN ( ) n t V 1
SNR dB [-50dB÷50dB]
INR dB 0
SIR dB [ ] [ ] [ ]
Số nguồn can nhiễu 1
Mảng hình học Cylindical array
Số lượng mẫu N Sample 10000
Số lượng ăng-ten M 100÷300
Độ phân giải mẫu và trọng
số beamforming bit 32 (complex double)
Monte-Carlo Q 200
Bán kính của mảng hình trụ (2 )
Hiệu năng của hệ thống massive MIMO đề xuất khi SNR thay đổi từ -50 ÷50dB với 3 phương pháp tối ưu MVDR, LCMV và Frost Beamformer được minh họa trong hình 2.14 (a-b). Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu năng của hệ thống với 3 phương pháp tối ưu đều có kết quả tương đương trong miền SNR thấp và SNR cao. Giá trị ai số toàn phương trung bình chuẩn hóas NRMSE trong miền SNR > -20dB với cả 3 phương pháp đều cho giá trị < 0.6 minh chứng hệ thống đề xuất có hiệu năng khá tốt khi SNR tăng.
Khi thay đổi số lượng ăng ten với cả 3 phương pháp tối ưu trên được minh họa - trong hình 2.14c. Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị ai số toàn phương trung bình s chuẩn hóa NRMSE không chênh lệch nhiều (trong khoảng 0.37 – 0.42), phương pháp LCMV cho kết quả tốt hơn các phương pháp còn lại. Kết quả này cũng minh chứng hệ thống đề xuất có hiệu năng đáng tin cậy.
(b)
(c)
Hình 2. . 14 NRMSE theo SNR (a,b), số lượng ăng-ten (c) của hệ thống massive MIMO được đề xuất
Đồ thị búp sóng trong các trường hợp búp sóng đơn và đa búp sóng, số lượng