Hỡnh 3.5-1 biểu diễn đồ thị của tỷ số lỗi ký hiệu SER trong cỏc trường hợp:
1. Khụng dựng phõn tập
3. Dựng phõn tập khụng gian với tổ hợp cú cựng độ lợi EGC 4. Dựng phõn tập khụng gian với tổ hợp cú tỷ số cực đại MRC Nhận xột:
Đường màu xanh trờn cựng là biểu diễn của SER khi khụng dựng phõn tập, dễ nhận thấy SER cú giỏ trị cao hơn hẳn cỏc đường khi dựng phõn tập. Ngay cả khi cỏc đường dựng phõn tập cú giỏ trị rất nhỏ xấp xỉ 10-3
tại Eb/N0 =40 ,thỡ nú vẫn ở mức >10-2. Điều này chứng tỏ kỹ thuật phõn tập cải thiện được chất lượng tớn hiệu rừ rệt, giảm SER đi đỏng kể.
Trong 3 phương phỏp MRC, EGC và SC, thỡ phương phỏp tổ hợp MRC cho phộp cải thiện xỏc suất lỗi tốt nhất. Tiếp đến là phương phỏp tổ hợp EGC và SC. Tuy nhiờn, với cựng số anten và phương phỏp điều chế thỡ sự sai khỏc của 3 phương phỏp tổ hợp phõn tập này là khụng quỏ lớn.
Tỷ số xỏc suất lỗi tớn hiệu tỷ lệ nghịch với tỷ số Eb/N0 nghĩa là, SER càng nhỏ khi Eb/N0 càng lớn, hay núi cỏch khỏc khi năng lượng tớn càng lớn (nhiễu sinh ra là khụng đỏng kể).
Hỡnh 3.5-2: đồ thị SER theo số anten tăng lờn từ 1 đến 4 (phương phỏp MRC, điều chế BPSK)
Hỡnh 3.5-2 biểu diễn đồ thị của tỷ số lỗi ký hiệu SER với phương phỏp tổ hợp MRC, điều chế BPSK trong cỏc trường hợp:
1. Dựng 1 anten 2. Dựng 2 anten 3. Dựng 3 anten 4. Dựng 4 anten Nhận xột:
Đường biểu diễn trong 4 trường hợp cho thấy SER đạt giỏ trị tốt nhất khi số anten =4, và giảm dần tương ứng trong cỏc trường hợp số anten ớt hơn. SER thể hiện sự thay đổi rừ rệt khi số lượng anten được sử dụng thay đổi.
Xỏc suất lỗi giảm đỏng kể khi tăng số anten: ở mức lỗi 10-1, độ lợi thu được khi tăng số anten từ 1 lờn 2 là gần 12db. Độ lợi này sẽ tăng thành 16 dB khi số anten là 3, và gần 20dB khi số anten sử dụng tăng lờn 4.
Tuy nhiờn, độ lợi gia tăng chậm dần khi tăng số anten. Ta nhận thấy rằng, độ gia tăng độ lợi giữa 2 và 3 anten chỉ là 4 dB, trong khi con số này là 12dB khi tăng từ 1 thành 2 anten.
3.5.2 Khảo sỏt đồ thị bức xạ của phương phỏp phõn tập anten MRC
Thực hiện khảo sỏt đồ thị bức xạ của phương phỏp phõn tập anten dựng bộ tổ hợp tỷ số cực đại MRC. Đồng thời, so sỏnh với kỹ thuật anten thụng minh. Khảo sỏt với 8 anten.
Hỡnh 3.5-3: Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tớn hiệu tới cú DOA1=300 và SNR1=0dB, DOA2=-300 và SNR2=0dB, DOA3=00 và SNR3=15dB
Hỡnh 3.5-4: Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tớn hiệu tới cúDOA1=300 và SNR1=0dB, DOA2=-300 và SNR2=0dB, DOA3=600 và SNR3=15dB
Nhận xột:
Đồ thị bức xạ của kỹ thuật phõn tập anten cú mức năng lượng cao hơn hẳn so với phương phỏp beamforming. Do đú, hiệu quả hơn trong cải thiện chất lượng tớn hiệu thu.
Tuy nhiờn, kỹ thuật phõn tập anten khụng điều chỉnh pattern bỏm theo hướng tớn hiệu đến như kỹ thuật beamforming thực hiện. Do đú, khụng hiệu quả bằng kỹ thuật beamforming trong việc lỏi bỳp súng để thu tớn hiệu, đặc biệt trong khả năng triệt nhiễu đồng kờnh.
3.5.3 Nhận xột thực nghiệm
1. Kỹ thuật phõn tập anten cải thiện tốt xỏc suất lỗi trong điều kiện kờnh truyền cú phading. Độ lợi thu được của phương phỏp phõn tập anten lờn đến hàng
chục dB. Đõy là thụng số thể hiện rừ tớnh ưu việt của kỹ thuật phõn tập anten ứng dụng vào cỏc hệ thống truyền thụng, đặc biệt là cỏc hệ thống thụng tin di động vốn đũi hỏi cỏc yờu cầu về nõng cao dung lượng, chất lượng dịch vụ, tiết kiệm năng lượng sử dụng, thu gọn kớch thước thiết bị mỏy đầu cuối.
2. Kết quả mụ phỏng đó chứng tỏ phương phỏp MRC cho phộp cải thiện SER tốt hơn nhiều so với cỏc phương phỏp tổ hợp phõn tập EGC và SC, phự hợp với cỏc phõn tớch lý thuyết cũng như cỏc nghiờn cứu khỏc. Tuy nhiờn, độ phức tạp trong thi cụng phương phỏp MRC cao hơn nhiều so với SC hay EGC. Điều này đũi hỏi phải cú những đỏnh giỏ chuyờn sõu về hiệu quả kinh tế khi lựa chọn phương phỏp kết hợp để triển khai thực tế.
3. Thụng số SER được cải thiện đỏng kể khi tăng số lượng anten. Tuy nhiờn, cựng với sự gia tăng của số anten thỡ độ gia tăng độ lợi hệ thống cú xu hướng giảm. Kết quả mụ phỏng cho thấy độ tăng độ lợi tốt nhất khi tăng từ 1 lờn 2 anten. Đõy cũng là một ưu điểm đỏng quan tõm cho việc ứng dụng kỹ thuật phõn tập anten vào thực tế, đặc biệt khi triển khai trờn mỏy đầu cuối của mạng di động. Số anten khụng nhiều sẽ giỳp tiết kiệm chi phớ và độ phức tạp thi cụng, đỏp ứng được yờu cầu giảm kớch thước mỏy đầu cuối mà vẫn đảm bảo ứng dụng kỹ thuật phõn tập anten vào nõng cao chất lượng dịch vụ.
4. Từ cỏc mẫu chựm tia (Beam pattern) nhận thấy phương phỏp phõn tập anten làm gia tăng đỏng kể năng lượng tớn hiệu thu: biờn độ mẫu chựm tia (Beam pattern) của kỹ thuật phõn tập anten lớn hơn rất nhiều biờn độ Beam pattern của beamforming. Điều này làm tăng đỏng kể độ lợi của hệ thống. Tuy nhiờn, trong khi Beamforming điều chỉnh Beam pattern bỏm theo tớn hiệu đến dựa vào việc điều chỉnh cả biờn độ và pha của trọng số tối ưu thỡ beam pattern của phõn tập anten khụng thay đổi theo hướng tớn hiệu đến do trọng số của phõn tập anten là cỏc số thực (khụng điều chỉnh pha). Rừ ràng, Beamforming tỏ ra ưu việt hơn trong triệt nhiễu đồng kờnh nhờ khả năng bỏm theo tớn hiệu, phõn bố mẫu Beam pattern của anten cực đại ở cỏc hướng tớn hiệu đến và “null” ở cỏc hướng cú tớn hiệu khụng mong muốn.
5. Qua cỏc nghiờn cứu và lý thuyết cựng kết quả mụ phỏng về kỹ thuật phõn tập anten, cú thể khẳng định đõy là kỹ thuật rất hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng của phading lờn tớn hiệu, nõng cao độ lợi hệ thống, cải thiện đỏng kể chất lượng cũng như dung lượng, cũng như cho phộp khai thỏc hiệu quả thành phần khụng gian – khụng làm hao tổn tài nguyờn tần số, thời gian như cỏc phương phỏp phõn tập khỏc.
Với cỏc ưu điểm đú, cú thể thấy việc ứng dụng mụ hỡnh phõn tập anten vào hệ thống MIMO là hoàn toàn phự hợp, đặc biệt trong việc nõng cao dung lượng hệ thống – một yờu cầu đang rất được quan tõm của cỏc cụng nghệ truyền thụng hiện đại.
KẾT LUẬN
Khúa luận đó hoàn thành được yờu cầu đặt ra là nghiờn cứu tỡm hiểu về kỹ thuật phõn tập trong việc giảm ảnh hưởng của phading lờn tớn hiệu. Rừ ràng, phõn tập là kỹ thuật hiệu quả giỳp nõng cao chất lượng tớn hiệu và dung lượng hệ thống. Đồng thời, khúa luận đó tỡm hiểu về mụi trường phading với nhiều loại phading khỏc nhau cú thể ảnh hưởng trờn kờnh truyền. Việc ứng dụng kỹ thuật phõn tập trong thực tế để giảm ảnh hưởng của phading đũi hỏi ỏp dụng nhiều mụ hỡnh và phương phỏp tổ hợp khỏc nhau. Cỏch chọn lựa dựng cỏc bộ tổ hợp phõn tập cú thể quyết định đến tỷ lệ SER cao hay thấp cho kờnh truyền.
Khúa luận cũng giới thiệu tổng quan về hệ thống khụng dõy MIMO – kỹ thuật sử dụng nhiều anten ở cả nơi phỏt và nơi thu. Hệ thống MIMO cú khả năng tăng dung năng bằng cỏch thay đổi đường truyền với số lượng anten cố định mà khụng cần tăng dải thụng hay cụng suất. Qua kết quả mụ phỏng ta thấy việc ứng dụng kỹ thuật phõn tập anten vào hệ thống MIMO giỳp khai thỏc hiệu quả thành phần khụng gian, trỏnh hao phớ băng thụng tần số.
Tuy vậy, do thời gian làm khúa luận chưa đủ để cú thể nghiờn cứu sõu hơn những vấn đề cú liờn quan đến kỹ thuật phõn tập anten trong cỏc hệ thống MIMO hiện đại hiện nay. Việc mụ phỏng mới chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản, dựng hệ thống MIMO – OFDM với số lượng anten thu phỏt nhỏ nờn chưa thấy được kết quả tốt nhất.
Đề tài của khúa luận cũn cú thể được nghiờn cứu tiếp, tập trung hơn vào ứng dụng kỹ thuật phõn tập trong cỏc hệ MIMO hiện đại khỏc. Cú thể so sỏnh kết quả ứng dụng phõn tập trong nhiều điều kiện kờnh truyền khỏc nhau để từ đú cho kết quả tổng quỏt hơn.
Với cỏc kết quả đạt được của khúa luận, mong rằng sẽ giỳp ớch hữu hiệu cho những ai quan tõm đến kỹ thuật phõn tập và ứng dụng của nú trong truyền thụng vụ tuyến di động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bựi Thiện Minh (2006), Vi ba số, Nhà xuất bản Bưu điện, tr. 97 – 147
2. BP.LATHI (1999), Hệ thụng tin số và tương tự hiện đại, Chương 5 + 6, Người dịch: PGS-TS Nguyễn Viết Kớnh, Trường Đại Học Cụng Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
3. TS. Phan Hồng Phương, KS.Lõm Chi Thương (2007), Kỹ thuật phõn tập anten trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO-OFDM,
http://www.ebook.edu.vn .
Tiếng Anh
4. Hermann Lipfert (2007), MIMO OFDM Space time coding – Spatial Multiplexing Increasing Performance and Spectral Efficiency in Wireless Systems, Part I, pp. 6 – 11.
5. Nguyễn Tuấn Đức (2008), MIMO OFDM techniques: state of art and future, IRIRA, University of Rennes - France
6. John G. Proakis (1983), Digital Communications, pp. 323 – 453
7. Simon Haykin and Michael Moher (2005), Modern Wireless Communications, pp. 339 – 450.
8. Theodore S.Rappaport (1997), Wireless Communications Principles and Practice Unit 1, pp. 214 -312
9. Theodore S.Rappaport (1997), Wireless Communications Principles and Practice Unit 2, pp. 20 -47
10.www.parteqinnovations.com (2005), Diversity Coding Method for MIMO-
OFDM, Parteq Innovations, Queen’s University, Kingston, Ontario, Canada. 11. Helmut Bolcskeiz (2005), Principles of MIMO-OFDM Wireless Systems,
PHỤ LỤC
1. Mó code Matlab file MIMO_System.m
Trong chương trỡnh này: thiết lập mụi trường phõn tỏn cao, phõn tớch dung lượng của một kờnh MIMO gồm nt anten phỏt và nr anten thu. Cụng suất trong kờnh song song (sau phõn tớch) cú phõn bố theo thuật toỏn “nổi bọt” (water- filling algorithm). Hàm phõn bố xỏc suất của cỏc phần tử ma trận lanada cũng vậy.
clear all close all clc nt_V = [1 2 3 6 4 2]; nr_V = [1 2 2 6 8 10]; N0 = 1e-4; B = 1;
Iteration = 50; % must be grater than 1e2
SNR_V_db = [-20:5:20];
SNR_V = 10.^(SNR_V_db/10);
color = ['b';'r';'g';'k';'c';'r'];
for(k = 1 : 6) nt = nt_V(k); nr = nr_V(k); for(i = 1 : length(SNR_V)) Pt = N0 * SNR_V(i); for(j = 1 : Iteration) H = random('rayleigh',1,nr,nt); [S V D] = svd(H); landas(:,j) = diag(V); [Capacity(i,j)PowerAllo]=WaterFilling_alg(Pt,landas(:,j),B,N0) end end f1 = figure(1); hold on plot(SNR_V_db,mean(Capacity'),notation(k,:),'color',color(k,:)) f2 = figure(2); hold on [y,x] = hist(reshape(landas,[1,min(nt,nr)*Iteration]),100); plot(x,y/Iteration,'color',color(k,:));
end f1 = figure(1) legend_str = []; for( i = 1 : length(nt_V)) legend_str =[ legend_str ;... {['nT = ',num2str(nt_V(i)),' , nR = ',num2str(nr_V(i))]}]; end legend(legend_str) set(f1,'color',[1 1 1]) xlabel('SNR (dB)') ylabel('Mean Capacity (bps/Hz)') f2 = figure(2) legend(legend_str) set(f2,'color',[1 1 1])
ylabel('pdf of elements in matrix landa in svd decomposition of marix H')
function[CapacityPowerAllo]= WaterFilling_alg(PtotA,ChA,B,N0); ChA = ChA + eps;
NA = length(ChA); % the number of subchannels allocated to
H = ChA.^2/(B*N0); % the parameter relate to SNR in subchannels
% assign the power to subchannel
PowerAllo = (PtotA + sum(1./H))/NA - 1./H; while(length(find(PowerAllo < 0 ))>0) IndexN = find(PowerAllo <= 0 ); IndexP = find(PowerAllo > 0); MP = length(IndexP); PowerAllo(IndexN) = 0; ChAT = ChA(IndexP); HT = ChAT.^2/(B*N0);
PowerAlloT = (PtotA + sum(1./HT))/MP - 1./HT; PowerAllo(IndexP) = PowerAlloT;
end