.2 Cấu trúc máy phát của mơ hình hệ thống được đề xuất

3.1.2. Độ lợi định dạng búp sóng

Có hai loại độ lợi liên quan đến kỹ thuật định dạng búp sóng: độ lợi mảng và độ lợi phân tập. Độ lợi mảng được định nghĩa là sự gia tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu đầu ra trung bình tùy thuộc vào các phần tử anten. Ví dụ, nếu có M số phần tử ăng ten trong một mảng, thì độ lợi của mảng là tối đa M. Một mảng tuyến tính đồng nhất 30 phần tử anten sẽ cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu tốt hơn mảng tuyến tính đồng nhất 10 phần tử anten. Ví dụ, một tín hiệu hình chữ nhật đẳng hướng đến mảng tuyến tính đồng nhất gồm 10 phần tử từ góc phương vị 45o và góc cao 0o. Một bộ định dạng búp sóng dịch pha đã được sử dụng để thu thập tín

hiệu có nhiễu và đầu ra được thể hiện trong hình 3.3. Tín hiệu trở nên mạnh hơn nhiều so với nhiễu khi số lượng phần tử tăng lên trong mảng. Nhiễu giảm khi sự gia tăng của các phần tử anten cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu tốt hơn. Độ lợi phân tập được quan sát thấy trong quá trình truyền đa đường.

Hình 3.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu được cải thiện cùng với số lượng phần tử anten.

Mối quan hệ giữa công suất phát và công suất thu Pr trong khơng gian tự do

có thể được biểu diễn theo công thức sau:

4 r r t t P G G P d          (3.1)

Trong đó d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, là bước sóng, Gt và

r

G là độ lợi anten của máy phát và máy thu tương ứng. Với các chỉ số được cho

cố định như Pt, ,  d , công suất thu Pr phụ thuộc vào độ lợi của anten phát Gt

và độ lợi của anten thu Gr . Hơn nữa, các tần số cao được sử dụng trong 5G từ 30-300(GHz) mang lại bước sóng nhỏ hơn so với các tần số thấp hơn thông thường khác. Từ công thức trên có thể dễ dàng hình dung rằng nếu khơng sử dụng anten có độ lợi định hướng cao, thì cơng suất thu trung bình nhận được sẽ thấp hơn trong

bất kì đường truyền nào. Định dạng búp sóng có thể tăng được độ lợi anten và do đó cải thiện công suất thu được.

Độ lợi định dạng búp sóng đã được đo lường trong một thử nghiệm đối với cơng suất thu tín hiệu tham chiếu di động của một thiết bị người dùng. Thử nghiệm đo lường trên hệ thống thơng thường với búp sóng rộng và hệ thống sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng tương tự. Kết quả đã chỉ ra rằng độ lợi định dạng búp sóng tương tự trong các mơi trường khác nhau cao hơn so với độ lợi của hệ thống thơng thường với búp sóng rộng. Bảng 3.1 biểu diễn kết quả các phép đo.

Bảng 3.1 Độ lợi đo được trong các môi trường khác nhau.

Môi trường Độ lợi trong hệ thống thông thường với búp

sóng rộng (dB)

Độ lợi trong hệ thống sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng tương tự (dB)

Mơi trường ngồi trời tại Nhật Bản

11 13

Môi trường trong nhà tại Nhật Bản

5 11

Mơi trường truyền sóng khơng trong tầm nhìn thẳng bên ngồi trời ở

Thụy Điển

7 12

Mơi trường truyền sóng trong tầm nhìn thẳng ngồi trời tại Thụy Điển.

9 13

3.1.3. Ngăn chặn nhiễu

Định dạng búp sóng sử dụng kích thước khơng gian để ngăn chặn nhiễu bằng cách tăng tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm. Một anten mảng điển hình với số lượng M phần tử anten có (M-1) mức độ tự do để triệt tiêu (M-1) người dùng can thiệp trong khi cung cấp độ lợi đến người dùng mong muốn. Cách đơn giản là sử dụng bộ định dạng búp sóng khơng ép buộc, có độ phức tạp thấp. Trong định dạng búp sóng khơng ép buộc, các vector trọng số được lựa chọn cẩn thận từ ma trận

kênh tông hợp nghịch đảo của người dùng để tránh nhiễu giữa các luồng người dùng. Hình 3.4 thể hiện một máy phát mảng pha thông thường, với một búp sóng được định dạng trong một hướng mong muốn bằng các thay đổi độ trễ trong mỗi phần tử anten. Nếu tín hiệu đầu vào S(t) bị trễ tại mỗi phần tử là bội số của thời gian trễ  , thì tín hiệu cuối cùng được hướng theo góc mong muốn được biểu diễn như sau:

  1 0 sin ( ( 1 ) ) N k d S t s t k N k c          (3.2) Với c là vận tốc ánh sáng, d là khoảng cách giữa các phần tử anten, N là số lượng các phần tử anten và  dsin /c. Tương tự, việc bổ sung không mạch lạc hướng tới tín hiệu khơng mong muốn để triệt tiêu nhiễu. Từ (3.2) có thể thấy rằng, nếu P (watts) là công suất bức xạ đa hướng của mỗi phần tử ăng ten, thì cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương đối với hướng búp sóng chính có thể được tính là 2

N P (watts). Ví dụ, nếu mỗi máy phát có một anten mảng với 8 phần tử anten bức xạ với cơng xuất 14dBm, thì cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương trong hướng búp sóng được tính như sau:

20 log 810  14 18 14 32( )

EIRP     dBm

Có thể tái sử dụng tần số cao vì tính định hướng cao của máy phát anten mảng pha. Ngăn chặn và loại bỏ nhiễu tốt hơn giúp tăng dung lượng mạng.

Hầu hết các bộ định dạng búp sóng như khơng ép buộc u cầu thông tin đầy đủ của thông tin trạng thái kênh nhưng trong một vài nghiên cứu khác, đã chỉ ra rằng kỹ thuật định dạng búp sóng trực giao và eigen có thể cải thiện tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm và giúp giảm thiểu nhiễu giữa các ơ phủ sóng ngay cả với thơng tin một phần của thơng tin trạng thái kênh để có được thơng lượng hệ thống cao.