Bảng 2.1 So sánh giữa phương pháp tuần tự và thích ứng.
Thơng số Phương pháp tuần tự Phương pháp thích ứng
Thời gian đào tạo Cao Thấp
Xác suất phát hiện sai
Thấp Cao
2.4.1.3. Thuật tốn đào tạo búp sóng
Thuật tốn đào tạo búp sóng đề cập đến việc đạt được hàm chi phí tối ưu về mặt thiết kế các vector đào tạo búp sóng. Các cơng nghệ định dạng búp sóng thường có thể được phân loại thành hai loại:
Định dạng búp sóng thơng thường (Chuyển mạch): Trong định dạng búp sóng thơng thường, một bộ trọng số cố định và bộ dịch pha cố định được sử dụng để lái búp sóng đến hướng mong muốn. Vị trí các phần tử anten trong một anten mảng và góc hướng mong muốn là đủ cho phép tính. Một ví dụ phổ biến được nêu là ma trận quản gia.
Định dạng búp sóng thích ứng: Định dạng búp sóng thích ứng sử dụng các thông tin khác nhau để cập nhật trọng số định dạng búp sóng để thích ứng với tình hình và thực hiện các hành động phù hợp.
Hình 2.14 (a) Định dạng búp sóng thích ứng; (b) định dạng búp sóng thơng thường
Hình 2.14 thể hiện một sự khác biệt minh họa giữa định dạng búp sóng thơng thường và thích ứng. Thuật tốn phổ biến cho định dạng búp sóng thơng thường là ma trận quản gia. Mục tiêu của thuật toán ma trận quản gia là chọn được búp sóng phù hợp nhất để thu được tín hiệu mong muốn. Ma trận quản gia là một mạng định dạng búp sóng được sử dụng để cung cấp một mảng pha của các phần tử anten. Mục đích của nó là để điều khiển hướng của búp sóng hoặc các búp sóng của truyền thơng vơ tuyến. Ma trận quản gia bao gồm một ma trận NxN của bộ ghép lai và bộ dịch pha giá trị cố định với N là lũy thừa của 2. Thiết bị có N cổng đầu vào (các cổng búp sóng) được cấp cơng suất và N cổng đầu ra kết nối đến N phần tử anten. Ma trận quản gia cung cấp công suất đến các phần tử với độ dịch pha tăng dần giữa các phần tử sao cho búp sóng vơ tuyến hướng đến hướng mong muốn. Hướng búp sóng được điều khiển bằng cách chuyển nguồn sang cổng búp sóng mong muốn. Nhiều hơn một búp sóng hoặc tất cả trong số chúng có thể được kích hoạt đồng thời. Trong ma trận quản gia, phần lớn búp sóng có thể không hướng về hướng mong muốn, điều này gây ra lãng phí năng lượng.
Hình 2.15 (a) Hệ thống ma trận quản gia 4x4; (b) Mẫu búp sóng được tạo ra bởi ma trận quản gia.
Hình 2.15 (a) thể hiện một hệ thống định dạng búp sóng ma trận quản gia 4x4 và hình 2.15 (b) thê hiện 4 búp sóng đối xứng được kích hoạt.
Thuật tốn định dạng búp sóng thích ứng có thể được phân loại chủ yếu trong 2 loại thuật tốn mù và thuật tốn khơng mù. Thuật tốn khơng mù u cầu biết số liệu thống kê của tín hiệu truyền đi hoặc một số tài liệu tham chiếu để tính tốn vector trọng số.
Các tài liệu tham chiếu này có thể được phân loại thành 2 loại chính:
Tài liệu tham chiếu khơng gian như góc đến hoặc hướng đến.
Tài liệu tham chiếu thời gian như tín hiệu đào tạo.
Một tín hiệu đào tạo được sử dụng dọc theo liên kết truyền thông để phát hiện người sử dụng. Mục đích để tối đa hóa tín hiệu mong muốn và giảm thiệu sự nhiễu không mong muốn giữa máy phát và máy thu. Nếu x t( )là tín hiệu mong muốn và
wH là chuyển vị liên hợp phức của vector trọng số, thì tín hiệu đầu ra được cho bởi:
( ) H ( )
y t w x t (2.16)
Trong thuật tốn khơng mù, một tín hiệu tham chiếu được sử dụng để cập nhật vector trọng số sau mỗi lần lặp lại để giảm thiểu lỗi và đến gần như tín hiệu mong muốn. Nếu d t( ) là tín hiệu tham chiếu, thì tín hiệu lỗi được mơ tả như sau:
( ) ( ) H ( )
e t d t w x t (2.17)
Thuật tốn mù khơng u cầu bất kì thơng tin tới trước nào để đào tạo các búp sóng. Mục tiêu chính của thuật tốn mù là thiết lập lại các đặc tính vật lý của tín hiệu đường xuống. Thuật tốn mù sử dụng một số đặc tính đã biết của tín hiệu như mô đun cố định không thay đổi.
2.5. Kết luận chương 2
Trong chương 2 của đồ án. Đã trình bày về kỹ thuật định dạng búp sóng và các nội dung liên quan đến kỹ thuật định dạng búp sóng. Thể hiện được một cách tổng quan quá trình hoạt động của kỹ thuật định dạng búp sóng. Các nội dung chính được liệt kê lại như sau:
Anten mảng.
Mơ hình kênh MIMO sóng milimet trong mạng 5G.
Các kỹ thuật định dạng búp sóng trong mạng 5G.
Thủ tục định dạng búp sóng.
Anten mảng với nhiều các phần tử anten thực hiện định dạng búp sóng hiểu một cách đơn giản là nhờ sự tương quan bức xạ từ các phần tử anten phát ra. Búp sóng có thể hướng đến vị trí mong muốn nhờ điều khiển pha và biên độ tại các phần tử anten. Các kỹ thuật định dạng búp sóng chia làm 3 loại: Định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng hỗn hợp. Trong thực triển khai mạng 5G tế để tối ưu chi phí thì chỉ có hai loại được sử dụng là định dạng búp sóng tương tự và định dạng búp sóng hỗn hợp.
Thủ tục, giao thức và thuật tốn đào tạo búp sóng cho biết về quá trình giao tiếp giữa trạm gốc và người dùng sao cho cả hai chọn được búp sóng tốt nhất để tiến hàng truyền tải dữ liệu cho nhau.
CHƯƠNG 3. HIỆU NĂNG CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH DẠNG BÚP SĨNG
3.1. Các thơng số hiệu năng hệ thống
Mục này sẽ trình bày về các khía cạnh thơng số hiệu năng và ảnh hưởng của kỹ thuật định dạng búp sóng đối với hiệu suất truyền dẫn thông tin vô tuyến. Các thơng số đó là: phân tập truyền dẫn, độ lợi định dạng búp sóng, ngăn chặn nhiễu, hiệu suất năng lượng, bảo mật hệ thống, giảm trễ lan truyền, hiệu suất phổ tổng thể.
3.1.1. Phân tập truyền dẫn
Massive MIMO đề cập đến một hệ thống MIMO với số lượng lớn anten được sử dụng. Massive MIMO sẽ đóng một vai trị quan trọng trong q trình tiêu chuẩn hóa 5G với nhiều lợi ích đi kèm với nó như chống pha đinh do truyền đa đường và cung cấp tính phân tập. Để truyền dữ liệu đáng tin cậy qua kênh vô tuyến, MIMO sử dụng 3 kỹ thuật: tiền mã hóa, ghép kênh khơng gian và mã hóa khơng- thời gian. Tiền mã hóa là một q trình đánh trọng số (pha và biên độ) các luồng dữ liệu cấp theo ma trận kênh giữa máy phát và máy thu. Ghép kênh không gian là một kỹ thuật được sử dụng để chia tín hiệu đi thành nhiều luồng khác nhau và truyền chúng song song qua các anten khác nhau. Tiền mã hóa cho phép truyền đa luồng. Ghép kênh khơng gian và tiền mã hóa đều cần thiết cho các trường hợp sử dụng mạng 5G để tăng tốc độ và thông lượng dữ liệu. Ghép kênh không gian đáng tin cậy hơn với thơng tin trạng thái kênh hồn chỉnh dưới dạng phản hồi từ bộ thu. Nếu thông tin trạng thái kênh của máy thu được biết ở máy phát thơng qua phản hồi, thì nó được gọi là hệ thống vịng kín. Nếu khơng có thơng tin trạng thái kênh nào có sẵn từ người nhận dưới dạng phản hồi, thì nó được gọi là hệ thống vịng lặp mở. Dựa trên thơng tin trạng thái kênh và quan điểm triển khai, tiền mã hóa cũng có các danh mục khác nhau được sử dụng trong hệ thống 5G để đạt được dung lượng kênh tối đa.
Hình 3.1 (a) 2x2 MIMO với kỹ thuật ghép kênh không gian; (b) 2x2 MIMO với kỹ thuật tiền mã hóa
Cả hai hệ thống như trong hình 3.1 đều bao gồm hai anten ở phía phát và hai anten ở phía thu. Trong kỹ thuật ghép kênh khơng gian, hai ký hiệu dữ liệu được truyền bởi mỗi anten riêng biệt trên các đường truyền khác nhau và được nhận tại anten thu dưới dạng tổng hợp của nhiều luồng. Tuy nhiên, trong tiền mã hóa, hai ký hiệu dữ liệu được tiền mã hóa dưới dạng nhiều lớp theo thơng tin kênh và sau đó được đưa đến anten phát. Việc phân lớp này được thực hiện bằng cách sử dụng các sách mã được xác định trước cho số lượng anten MIMO khác nhau để đạt được tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm cao hơn. Trong mã hóa khơng-thời gian, nhiều bản sao mã hóa của tín hiệu chính được truyền bằng cách sử dụng nhiều anten đến máy thu để giải mã.
Trong 5G, MIMO có thể được sử dụng với một kỹ thuật riêng lẻ hoặc với sự kết hợp của hai hoặc ba kỹ thuật. Tuy nhiên, các yêu cầu của các kỹ thuật này là trái ngược nhau về khoảng cách giữa các phần tử anten trong anten mảng. Để ghép kênh theo khơng gian và mã hóa khơng-thời gian, khoảng cách các anten cần phải lớn hơn so với tiền mã hóa. Ví dụ, nếu là bước sóng của tín hiệu được truyền, thì khoảng cách anten để ghép kênh khơng gian và mã hóa khơng-thời gian u cầu nhiều hơn 10 trong khi tiềm mã hóa hoặc định dạng búp sóng thì khơng gian cần thiết giữa phần tử anten là / 2.
Mục này sẽ trình bày về một hệ thống mơ hình kết hợp ghép kênh khơng gian và định dạng búp sóng. Đề án được đề xuất thực hiện định dạng búp sóng đường xuống bằng cách sử dụng hướng đến của đường lên. Hình 3.2 mơ tả mơ hình hệ
máy phát với tùy chọn bộ chia. Thơng qua việc tính tốn ma trận kênh, sơ đồ được đề xuất có thể cải thiện hiệu quả phổ và thơng lượng hệ thống.
Ngồi ra sơ đồ tiền mã hóa hỗn hợp đã được nghiên cứu và đề xuất cho 5G. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tiền mã hóa hỗn hợp là thích hợp nhất cho mạng 5G. Nhiều tác giả đã kêu gọi về sự cần thiết của tiền mã hóa hỗn hợp trong 5G đối với giao tiếp sóng milimet về mức độ phức tạp giảm, mức tiêu thụ điện năng thấp và các khía cạnh hệ thống khác. Tóm lại, có thể nói rằng tiền mã hóa hỗn hợp có thể tận dụng sự cân bằng giữa hiệu quả năng lượng và hiệu quả quang phổ trong 5G.