Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được cho bởi:
Y(t) = HX(t) + N(t) (1.20) Với: X(t) là tín hiệu phát NT chiều
Y(t) là tín hiệu thu NR chiều
H là ma trận kênh (NRN )T chiều
N(t) là tạp âm máy phát NR chiều.
Giả sử cả máy phát và máy thu đều biết thơng tin trạng thái kênh H, tín hiệu phát và tín hiệu thu trước và sau khi xử lý sẽ được biểu diễn bởi cơng thức:
_
(t) * (t), _(t) * (t)
X V X Y U Y (1.21) Với X_(t)và (t)
_
Y lần lượt là tín hiệu phát và tín hiệu thu mới. Khi đĩ, ta cĩ: (t) (t) * (t)
_ _
Y X U N (1.22) Phương trình (1.22) cho thấy kênh MIMO mới cĩ giá trị tương đương với các kênh
TR
N độc lập và mỗi kênh đều cĩ cùng băng thơng. Nếu sử dụng phương pháp ghép khơng gian, tốc độ truyền dẫn dữ liệu cĩ thể tăng trung bình NTR lần so với hệ thống SISO. Nếu xét trên quan điểm dung lượng kênh, dung lượng kênh ecgođic của hệ thống MIMO cũng cĩ thể tăng NTR lần so với kênh SISO, do dung lượng được xác định bởi định thức của ma trận I + HH*.
1.3.3. Ƣu điểm của kỹ thuật MIMO
Kỹ thuật MIMO mang lại những lợi ích khác nhau phụ thuộc vào những mục đích khác nhau:
- Nhiều anten phát/ thu cĩ thể được sử dụng để phân tập, chống lại pha-đinh kênh vơ tuyến. Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽ cĩ độ tương quan thấp. Để đạt được điều đĩ thì khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn (phân tập khơng gian) hoặc sử dụng các anten cĩ phân cực khác nhau (phân tập phân cực).
- Nhiều anten phát/thu cĩ thể được sử dụng để “định hình” cho búp sĩng anten tổng (búp sĩng phía phát và búp sĩng phía thu) theo một cách nào đĩ. Ví dụ, tối đa hĩa độ khuếch đại anten theo một hướng thu/phát nhất định hoặc để triệt tiêu tạp âm lấn át tín hiệu. Kỹ thuật tạo búp sĩng này cĩ thể dựa trên cả độ tương quan cao hoặc thấp giữa các anten.
- Độ khả dụng của đa anten phát và thu cĩ thể được sử dụng để tạo ra nhiều kênh truyền song song thơng qua giao diện vơ tuyến. Điều này mang lại khả năng tận dụng băng thơng mà khơng cần giảm thơng tin với cùng cơng suất. Nĩi cách khác là khả năng cho tốc độ dữ liệu cao với băng tần hạn chế mà khơng cần thu hẹp vùng phủ. Ta gọi đây là kỹ thuật ghép kênh khơng gian.
1.4 Hệ thống UWB-MIMO
UWB và MIMO là hai cơng nghệ chủ chốt cho truyền thơng khơng dây tốc độ cao trong tương lai. Hệ thống MIMO cĩ thể được chia thành 3 loại chính:
- Ghép khơng gian - Phân tập khơng gian - Tạo dạng búp
Trong khi kỹ thuật tạo dạng búp cần cĩ các mặt sĩng tương để giảm nhiễu giao thoa và tăng độ rộng vùng phủ, mơ hình mã hĩa khơng gian thời gian hay ghép khơng gian địi hỏi mơi trường phân tán để cải thiện chất lượng kết nối hoặc tăng tốc độ dữ liệu. Trong khi đĩ, hệ thống truyền thơng UWB được phân loại dựa theo phương thức điều chế:
- Xung vơ tuyến hiệu chỉnh trong miền thời gian (máy thu rake) - Truyền dẫn sĩng mang đơn hiệu chỉnh trong miền tần số (SC-FDE) - Truyền dẫn đa sĩng mang với phương thức mã hĩa tương ứng.
Xung vơ tuyến được coi là cách tiếp cận cổ điển của UWB, mơ hình đa sĩng mang đem lại rất nhiều lợi ích cho các ứng dụng nhờ khả năng cấu hình linh hoạt của chúng. Ngược lại, mơ hình sĩng mang đơn với sự hiệu chỉnh trong miền tần số lại khơng thu hút nhiều sự chú ý trong truyền thơng UWB. Chú ý rằng, hệ thống khơng dây UWB chủ yếu nhắm tới tốc độ dữ liệu cao cho truyền thơng trong nhà, nhưng khả năng xác định vị trí với độ phân giải và độ nhạy cỡ cm mang lại một tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong tương lai.
Thoạt đầu, mục tiêu của MIMO và UWB cĩ vẻ trùng nhau, do cả 2 đều hướng tới tốc độ dữ liệu cao, nhưng cũng cĩ vài điểm khác biệt. Do đĩ, sự kết hợp của UWB và MIMO sẽ mang đến những đặc tính thú vị, như kết hợp kỹ thuật tạo dạng búp với xung vơ tuyến hay hệ thống đa sĩng mang sử dụng ghép khơng gian …
1.4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống UWB-MIMO
Do UWB-MIMO cĩ thể được hiểu là sự phụ thuộc về băng thơng của hệ thống MIMO thơng thường, các kỹ thuật sử dụng trong UWB-MIMO sẽ được phân chia theo các kỹ thuật của MIMO.
1.4.1.1 Kỹ thuật ghép khơng gian
Cĩ rất ít nghiên cứu về kỹ thuật ghép khơng gian cho hệ thống UWB. Gần đây, dung lượng kênh ecgođic của hệ thống UWB-MIMO đã được chứng minh là tăng tỷ lệ với số lượng anten phát và anten thu (N), điều này đã khẳng định giả thuyết là sự kết hợp giữa hệ thống UWB và MIMO đem lại sử bổ sung cho nhau. Hiện nay, khoảng tần số (3,1; 10,6) GHz được FCC cấp đã chiếm 70% của tồn bộ băng thơng, vì vậy, sự kết hợp MIMO vào hệ thống UWB sẽ tiếp cận giới hạn vật lý trên của tốc độ dữ liệu trong nhà. Nếu giả sử định luật về băng thơng của Edholm trở thành hiện thực trong 10 năm tới, hệ thống UWB-MIMO được kỳ vọng cĩ thể cung cấp tốc độ hàng chục Gb/s, mang lại khả năng trao đổi lượng lớn dữ liệu (các bộ phim chuẩn HD…) qua truyền thơng khơng dây giữa các thiết bị di động với tốc độ rất nhanh trong khoảng thời gian cực ngắn.
1.4.1.2 Kỹ thuật phân tập khơng gian
Mơ hình STC của UWB mang đến độ khuếch đại phân tập bằng cách sử dụng phân tập khơng gian, đồng thời cân bằng sự dao động của các điểm lấy mẫu với mức độ nhất định. Trường điện từ khơng mong muốn giữa các thành phần anten được chứng minh là rất nhỏ, kể cả với khoảng cách của các anten biên. Một vài kết quả mơ phỏng đã chứng minh rằng, độ phân tập của hệ thống UWB nhiều anten phụ thuộc vào N và T
R
T
N , N và L với L là số tuyến cĩ khả năng phân tách. Do đĩ, việc tăng số lượng R anten hứa hẹn mang đến độ khuếch đại phân tập giới hạn dựa trên độ phân tập đa đường sẵn cĩ của UWB. Trong hệ thống UWB-SIMO, mặc dù việc tăng cơng suất (khuếch đại mạng) đã được đề cập, nghiên cứu về sự phụ thuộc của băng thơng vẫn rất hạn chế.
1.4.1.3 Kỹ thuật tạo dạng búp
Hệ thống UWB cho mơi trường truyền thơng trong nhà được miêu tả như một mơi trường đa đường dày đặc. Đầu tiên, số lượng lớn các tuyến cĩ vẻ giới hạn thuật tốn tạo dạng búp sĩng thơng thường. Ngay cả khi búp sĩng chính lái tới hướng đến của tín hiệu mong muốn, tất cả các tuyến khác đều cĩ thể gây nhiễu, do đĩ, độ khuếch đại mạng sẽ khơng đủ lớn để tách tín hiệu thành cơng. Tuy nhiên, cĩ 2 lý do để làm sáng tỏ vấn đề này:
- Một loạt các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, trong mơi trường trong nhà các tuyến xuất hiện theo xu hướng hình thành cụm cũng cĩ nghĩa là tín hiệu phát tới từ các hướng xác định. Dựa trên điểm này, một số kỹ thuật tạo búp sĩng theo cụm thu hút rất nhiều nghiên cứu, nơi độ rộng búp sĩng chính phù hợp độ rộng cụm để gom đủ năng lượng thích hợp, trong khi các cụm khơng mong muốn sẽ bị triệt tiêu nhờ độ khuếch đại mạng. Bằng cách này, khơng chỉ tỷ số SINR được cải thiện (các tuyến khác được coi là thành phần gây nhiễu) mà khoảng trễ giữa các kênh cũng giảm giúp đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn.
- Kỹ thuật tạo dạng búp của hệ thống UWB chỉ ra một tính chất đặc biệt, được gọi là độ khuếch đại dB đơi. Do xung UWB cĩ thời gian rất ngắn, thời gian di chuyển trong mạng, độ khuếch đại thơng thường sẽ được nhân đơi trong thang deciben (bình phương trong thang tuyến tính). Vì vậy, các thành phần gây nhiễu sẽ được loại bỏ một cách triệt để, khiến cho kỹ thuật tạo dạng búp trong UWB rất hứa hẹn kể cả trong mơi trường đa đường dầy đặc.
1.4.2 Tiềm năng và thách thức của hệ thống UWB-MIMO
- Vùng phủ rộng hơn
Do mật độ phổ cơng suất phát thấp nên độ phủ của hệ thống UWB rất hạn chế. Hệ thống nhiều ăng ten (MAS) cung cấp độ khuếch đại mạng khoảng 3 dB (thậm chí cĩ thể đạt 6 dB) mỗi khi gấp đơi lượng anten, nhờ đĩ tăng độ rộng vùng phủ. Về nguyên lý, khuếch đại phân tập cĩ thể làm tăng tỷ số SNR và gián tiếp nâng cao phạm vi hoạt động. Tuy nhiên, 2 tính năng này cần phải được kiểm tra một cách kỹ lưỡng do những ảnh hưởng tiêu cực tới hệ thống. Khi tăng băng thơng, độ khuếch đại phân tập cĩ xu hướng giảm do pha-đinh phạm vi hẹp giảm và độ khuếch đại đỉnh 6 dB vẫn cần phải
được chứng minh trong thực tiễn. Cuối cùng, việc sử dụng nhiều anten tại máy phát, như với kỹ thuật tạo dạng búp, cĩ thể vi phạm các quy định về EIRP cho UWB.
- Tốc độ dữ liệu cao
Dung lượng kênh ecgođic của hệ thống UWB-MIMO tăng gần tuyến tính với số anten phát và anten thu dưới kênh pha-đinh UWB trong mơ hình Nakagami điển hình. Ngồi ra, xung UWB cĩ khoảng thời gian rất ngắn sẽ cho độ phân giải cao và cung cấp hàng chục kết nối đối với mơi trường trong nhà. Khả năng phân tán này khiến các mơ hình ghép khơng gian trong hệ thống UWB đầy hứa hẹn bởi tín hiệu từ các điểm khác nhau cĩ thể được phân phân tách nhờ những kí hiệu khơng gian riêng biệt.
- Khả năng loại bỏ nhiễu
Kỹ thuật tạo dạng búp, khơng chỉ tăng độ rộng vùng phủ, cịn giúp giảm nhiễu bằng cách ngăn các tạp âm khơng mong muốn đi tới máy thu. Với hệ thống UWB, phương pháp này hiệu quả cho một khoảng tần số lớn, điều này yêu cầu bộ lọc thích ứng cho từng khoảng trễ hoặc bộ nâng pha đơn giản tại mỗi nhánh anten. Hơn thế nữa, mặc dù thời gian kết hợp kênh lớn, hệ số bộ lọc cần được kiểm tra thường xuyên, điều này khiến việc thực thi trở nên rất phức tạp. Ngồi ra, mơi trường đa đường dày đặc cũng giới hạn các ưu điểm của kỹ thuật UWB kỹ thuật tạo dạng búp.
- Phương diện kĩ thuật
Tính khả thi của hệ thống UWB là một thách thức lớn về băng thơng do phải thiết kế các anten và bộ khuếch đại dầy đặc (để cùng lúc cung cấp băng tần rộng), độ khuếch đại lớn, tiêu hao cơng suất thấp. Hơn thế nữa, với mơ hình đa sĩng mang, biến đổi Fourier (FFT) tiêu tốn rất nhiều tài nguyên phần cứng và băng thơng do cĩ rất nhiều sĩng mang con. Về điểm này, sự kết hợp giữa MIMO và UWB cĩ thể cung cấp một giải pháp kỹ thuật thay thế cho hệ thống UWB anten đơn với băng thơng được tăng gấp đơi. Việc tách đơi băng thơng trong khi vẫn giữa nguyên tốc độ truyền dẫn, độ khuếch đại gần nhân đơi, và băng thơng anten giảm đi một nửa sẽ làm giảm gánh nặng cơng nghệ. Hơn thế nữa, phần cứng xử lý tín hiệu cũng trở nên ít tốn kém hơn, ví dụ, giả sử cĩ P sĩng mang con, khi đĩ 2 ăng ten phát/ thu chỉ chấp nhận P=2 điểm biến đổi Fourier thay vì P điểm biến đổi cho một kết nối SISO. Do đĩ, khác với các hệ thống băng hẹp (hệ thống MIMO chỉ hiệu quả khi cơng suất phổ đạt giới hạn), MIMO sẽ mang lại rất nhiều thuận lợi cho việc thiết kế kỹ thuật của hệ thống UWB.
CHƢƠNG II. MƠ HÌNH KÊNH UWB-MIMO 2.1 Giới thiệu
Do các hệ thống UWB sử dụng xung rất hẹp, các xung thu được từ các tuyến khác nhau với thời gian khác nhau theo thứ tự nano giây cĩ thể được phân tách riêng biệt. Dựa vào điều này, mơ hình kênh UWB về cơ bản sẽ khác biệt so với các truyền thơng băng hẹp khác. Trong chương này, một số mơ hình kênh UWB thơng dụng sẽ được đưa ra, từ đĩ đặt nền tảng cho các phần sau.
2.2 Mơ hình kênh SISO
2.2.1 Mơ hình tổn hao đƣờng truyền phạm vi rộng
Nếu sĩng điện từ băng hẹp truyền lan trong mơ trường tự do, tổn hao đường truyền được tính bởi tỷ số giữa cơng suất phát và cơng suất thu:
2 4 ( ,d fc) f dc c L (2.1)
Với: d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. c là tốc độ ánh sáng
c
f là tần số trung tâm
L là tổn hao với khoảng cách d và tần số trung tâm f c
Đối với tín hiệu phản xạ, sự nhiễu xạ và tán xạ trong mơi trường truyền lan thực tế, mơ hình tổn hao đường truyền được biểu diễn bởi cơng thức :
4 ( ,d fc) f dc c L (2.2) Với: là hệ số tổn hao đường truyền
L là tổn hao trung bình cho khoảng cách d và tần số trung tâm f . c
Nếu 2 là mơi trường khơng gian tự do, với các mơi trường truyền lan khác như các tịa nhà văn phịng đến khu vực đơ thị, thay đổi trong khoảng (1,6; 6,5).
Mơ hình mở rộng của cơng thức (2.2) cĩ thể được biểu diễn như sau: ( , )d f f( )f d( )d
L L L (2.3)
Với: Lf(f ) là tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số
d(d)
L là tổn hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách f là tần số tại thời điểm đo tổn hao
Từ phương trình (2.2), ta cĩ thể thấy: - Ld( )d được biểu diễn bởi:
( )
d d d
L (2.4) với hệ số tổn hao là một biến ngẫu nhiên.
- Lf(f ) được biểu diễn bởi: ( )
f f f
L (2.5)
với hệ số tổn hao 1 cĩ giá trị trong khoảng (1,6; 2,8). ( )
f f
L cịn được xác định bởi cơng thức sau: 2exp( 3 )
( ) 10 f
f f
L (2.6)
Với 2, 3 là hằng số và 3 nhận giá trị trong khoảng (1,0; 1,4).
Trong một số trường hợp, tổn hao đường truyền cho hệ thống UWB chỉ được xác định bởi hàm khoảng cách, chúng ta cĩ thể tính tốn tổn hao đường truyền bằng cách tích phân phương trình (2.3) cho tất cả tần số của tín hiệu phát.
Đặt STX là tổng cơng suất phát của tín hiệu. Giả sử 2, cơng suất phát được phân phối trong khoảng tần số f ,fL H, ví dụ PSD cho tín hiệu phát là:
( ) , ( ) 0 TX H L L H TX S f f f f f P f nếu ngược lại (2.7) Giả sử mơi trường phân tán đến mức các sĩng điện từ tại mọi tần số đều thỏa mãn phương trình tổn hao (2.2). Khi đĩ, cơng suất thu được tại khoảng cách d là:
1 1 1 ( ) 4 1 H L f RX f TX TX H L H L S P f df S d f f f f c L( , ) d f (2.8)
Tổn hao đường truyền được xác định bởi:
1 1 2 1 2 0 4 ( ; , ) 1 4 1 ( ) TX H L L H RX H L k k H L L H k S d f f d f f S c f f d f f f f c L (2.9)
Hệ số mũ của fH phải thỏa mãn k 2 khi khơng phải là số nguyên.
Tổn hao đường truyền phụ thuộc vào cả tần số cao và tần số thấp của tín hiệu được truyền nếu cơng suất của nĩ được phân phối đều trong khoảng tần số được sử dụng. Nếu fH fL phương trình (2.9) được rút gọn thành:
2 1 4 ( ; , ) 2 L H L H df f d f f c f f L (2.10)
Với fc fLfH 2 là tần số trung tâm. Phương trình (2.10) thể hiện mối quan hệ đơn giản giữa tổn hao đường truyền và d,f ,f ,fH c L.
Nếu cơng suất phát khơng được phân phối đều trong khoảng tần số sử dụng, tổn hao đường truyền sẽ phụ thuộc vào mật độ cơng suất phổ của tín hiệu UWB.