5. Phương pháp nghiên cứu
3.1 Mô phỏng hệ thống phát và thu nhận chùm tia
Hệ thống mô phỏng bao gồm 1 trạm thu phát gốc sử dụng 𝑁 ăng ten thu phát, thiết bị người dùng sử dụng 1 ăng ten thu. Hệ thống mô phỏng bao gồm các khối chức năng chính được minh họa như trong Hình 3.1.
Khối tạo
chuỗi bit Điều chế
IFFT IFFT IFFT Khối tạo chùm tia X X X Tín hiệu hoa tiêu
Hình 3.1 Sơ đồ khối tạo dữ liệu và chùm tia phát
Cấu trúc khung dữ liệu phía phát được mô tả như trong Hình 3.2. Trong đó khung dữ liệu bao gồm các ký tự OFDM mang dữ liệu người dùng và mang tín hiệu hoa tiêu cho phía thu thực hiện ước lượng và cân bằng kênh. Độ dài mỗi ký tự OFDM phụ thuộc vào băng thông tín hiệu và độ rộng sóng mang con sử dụng. Cấu trúc này tương tự như cấu trúc khung dữ liệu trong chuẩn 5G NR [33] đang được hầu hết các hãng triển khai trên thực tế.
52 Thời gian T ần s ố Ký tự OFDM Khung dữ liệu
Kênh dữ liệu Tín hiệu hoa tiêu
Hình 3.2 Cấu trúc khung dữ liệu phía phát
Luồng hoạt động giữa các khối trong hệ thống mô phỏng phía phát (Hình 3.1) được mô tả vắn tắt như sau:
- Khối tạo chuỗi bít ngẫu nhiên (đóng vai trò là khối bít phía phát).
- Khối bít này được đưa vào bộ điều chế, bộ điều chế có thể sử dụng các loại và bậc điều chế khác nhau. Đầu ra của bộ điều chế là các mẫu IQ. Trong hình 3.1, gọi 𝑠 là tín hiệu mang thông tin của người dùng sau bộ điều chế.
- Khi đến ký tự OFDM cho tín hiệu hoa tiêu, khối tạo tín hiệu hoa tiêu sẽ khởi tạo các mẫu IQ hoa tiêu làm đầu vào cho bộ tạo chùm tia.
- Các mẫu IQ sau bộ điều chế được cho qua bộ tạo chùm tia (beamforming), tại đây, các giá trị IQ được nhân với bộ trọng số gồm 𝑁 hệ số dịch pha giữa các ăng ten để tạo chùm tia theo một hướng nào đó. Gọi 𝒘là véc tơ chứa 𝑁 phần tử hệ số dịch pha này, khi đó 𝒘được tính toán theo công thức:
53
𝒘 = [𝑒−𝑗∗0∗Δ𝜙 𝑒−𝑗∗1∗Δ𝜙 … 𝑒−𝑗∗(𝑁−1)∗Δ𝜙]𝑇 (3.1) Trong đó độ dịch pha Δ𝜙 được tính theo công thức:
2 ( 1)dsin
j n
e
(3.2)
Trong đó 𝑛 = 1, … , 𝑁 là thứ tự phần tử ăng ten trong mảng ăng ten, 𝑑 là khoảng cách giữa các phần tử ăng ten, 𝜃 là góc hướng chùm tia, 𝜆 là độ dài bước sóng, các kết quả trong chương này được mô phỏng với 𝑑 =𝜆
2. Lưu ý tín hiệu hoa tiêu cũng được nhân với bột trọng số giống như với dữ liệu người dùng thông thường, như vậy phía thu mới có thể thực hiện cân bằng kênh một cách chính xác (nếu không dữ liệu sau cân bằng kênh sẽ bị xoay pha do ảnh hưởng của bộ trọng số tạo chùm tia).
- Mỗi đầu ra của bộ tạo chùm tia (beamforming) được cho qua bộ IFFT để tạo tín hiệu miền thời gian, sau đó tín hiệu này được phát qua giao diện vô tuyến thông qua 𝑁
ăng ten phát. Gọi 𝒙 = [𝑥1 𝑥2… 𝑥𝑁]𝑇 là véc tơ gồm 𝑁 phần tử tín hiệu đầu ra sau bộ tạo chùm tia, khi đó 𝒙 được tính theo công thức:
𝒙 = 𝒘 ∗ 𝑠 (3.3)
- Dữ liệu sau khối tạo chùm tia được cho qua bộ IFFT để chuyển sang miền thời gian theo bộ chuẩn hóa 5G NR [33] và truyền qua giao diện vô tuyến thông qua ăng ten phát.
54
Trạm gốc FFT
Cân bằng
kênh Giải điều chế Tính toán tỉ lệ
lỗi bit Ước lượng
kênh
Đáp ứng kênh
Hình 3.3 Sơ đồ xử lý phía thu
Tại đầu thu, các khối chính trong xử lý tín hiệu thu được mô tả như trong Hình 3.3. Luồng hoạt động giữa các khối được mô tả vắn tắt như sau:
- Tín hiệu thu miền thời gian được cho qua bộ FFT để đưa dữ liệu về miền tần số. - Dữ liệu sau bộ FFT là các mẫu IQ được tách thảnh hai phần:
+ Thành phần thứ nhất là tín hiệu hoa tiêu (theo cấu trúc khung dữ liệu như được mô tả ở phía phát) được đưa vào bộ ước lượng kênh để tính toán đáp ứng kênh cho các sóng mang con. Dữ liệu về đáp ứng kênh được đưa vào bộ cân bằng kênh để thực hiện cân bằng kênh.
+ Thành phần thứ hai là dữ liệu người dùng được kết hợp với đáp ứng kênh tín toán được đẻ thực hiện cân bằng kênh.
- Dữ liệu sau cân bằng kênh được cho qua bộ giải điều chế
- Dữ liệu sau bộ giải điều chế là các bít phía thu ước lượng được. Các bít này được so sánh với các bít phía phát để tính toán các chỉ số như tỉ lệ lỗi bít (BER – Bit Error Rate), hiệu quả sử dụng phổ (SE – Spectral Efficiency).