Các chùm trực giao được đánh dấu màu đỏ
Các vectơ cột trong sổ mã DFT tạo ra một lưới các chùm (GoB) có thể được sử dụng để mở rộng tất cả các hướng góc, như được minh họa trong Hình 3.9 cho một mảng phẳng có 16 ơ (mảng con) và 7 x 5 các phần tử ăng ten mỗi mảng con. Mục tiêu là thiết kế một chùm mẫu tương tự hoặc sổ mã, sao cho tập hợp các ROI hình elip như mơ tả trong phần trước. Tùy thuộc vào vị trí của người dùng hoạt động, một số chùm hoạt động sẽ được chọn từ tập hợp có sẵn trong sổ mã. Ta sẽ xem xét cấu trúc sổ mã tiền mã hóa tương tự dựa trên DFT, một giải pháp phổ biến khi hoạt động với mảng phẳng. Trong trường hợp này, các vectơ
phản hồi mảng trong mỗi chiều có pha tăng tuyến tính, giống như các cột trong ma trận DFT. Do đó, kênh MIMO có thể được viết dưới dạng vectơ đáp ứng mảng với cấu trúc này. Trong trường hợp này, các bộ tiền mã hóa dựa trên DFT phù hợp với cấu trúc kênh cung cấp độ lợi định dạng chùm tốt.
Mục tiêu của hệ số lấy mẫu, được cố định và bằng 4 trong hệ thống 5G NR, là để giảm thiểu suy hao khi định dạng chùm theo các hướng giữa các chùm trực giao (suy hao phân dải). Bằng cách này, tính trực giao của chùm nói chung bị mất và chỉ có các chùm nằm cách nhau mới trực giao. Hình 3.9 cho thấy tập hợp các chùm trực giao được đánh dấu màu đỏ khi hệ số lấy mẫu bằng 2 được sử dụng trong mỗi chiều.
Xem xét một sổ mã DFT lấy mẫu 2D cho mỗi mảng con, mặc dù hệ số lấy mẫu quá mức O không cố định, cho phép điều chỉnh số lượng chùm chiếu sáng các dấu chân có kích thước khác nhau đối với một số tài nguyên RF nhất định.
Để tạo sổ mã, cần lược bỏ DFT được lấy mẫu hoàn chỉnh, chỉ giữ lại những mẫu trỏ đến ROI hình elip. Hệ số lấy mẫu quá mức có thể được sử dụng để điều chỉnh tài nguyên RF cho phù hợp với kích thước của ROI và là thơng số quan trọng thúc đẩy tốc độ phát triển của vùng phủ sóng. Bằng cách tăng O, kích thước dấu chân vệ tinh sẽ giảm và số lượng chùm trỏ đến ROI mong muốn tăng lên.
Giá trị tối ưu cho O, xét về SNR được cung cấp, cho phép tạo ra nhiều chùm
trỏ đến ROI như các chuỗi RF có sẵn. Lưu ý rằng khi tăng hệ số lấy mẫu quá mức, SNR sẽ cao hơn vì suy hao phân tầng giảm, nhưng sự giao thoa giữa các chùm lân cận tăng lên, dẫn đến giảm SINR. Do đó, hệ số lấy mẫu quá mức phải được lựa chọn cẩn thận để tìm ra sự cân bằng thích hợp giữa SNR và SINR. Vấn đề giao thoa giữa các chùm tia có thể được giải quyết bằng cách thiết kế một ma trận tiền mã hóa kỹ thuật số FBB phù hợp cho phép sử dụng lại toàn bộ tần số hoặc bằng cách phân bổ các sóng mang khác nhau cho người dùng được phục vụ bởi các chùm lân cận.
3.3.3 Đánh giá hiệu năng
Xem xét một vệ tinh LEO quay quanh ở độ cao 1300 km, bao phủ ROI hình elip với các bán kính 534,1 km và 170,5 km. Khu vực này đã được thiết kế cho một chòm sao LEO với 83 mặt phẳng quỹ đạo với độ nghiêng 53° và 53 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng. Đường xuống hoạt động ở băng tần Ku với tần số sóng mang
Giả định rằng các mảng theo giai đoạn của vệ tinh bao gồm 5 × 3 mảng con có kích thước 12 × 24, với tổng số 60 × 72 ăng ten. Lưu ý rằng trong khi ta sắp xếp các mảng con thành một cấu trúc mảng ăng ten mặt phẳng lớn hơn, mỗi mảng con sẽ truyền một tín hiệu độc lập. Ta phát hiện ra rằng, đối với số lượng ăng ten và chuỗi RF này, với hệ số lấy mẫu quá mức 1,2, ta có thể điều chỉnh tất cả các chùm có sẵn theo kích thước của ROI. Các các thơng số cịn lại của hệ thống được tóm tắt trong Bảng 3.2
Bảng 3.2 Tham số hệ thống LEO MIMO khổng lồ dạng chùm tia hoạt động trong băng Ku
Tham số hệ thống Giá trị Độ cao Vệ tinh hsat 1300 km Số lượng mặt phẳng quỹ đạo NP 83 Số lượng vệ tinh trên mỗi quỹ đạo NS 53 Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 𝜃𝑜𝑝 53°
Bán kính ROI theo phương x 534,1 km Bán kính ROI theo phương y 170,5 km Tần số sóng mang 𝑓𝐷𝐿 11,45 GHz
Băng thơng 𝐵𝐷𝐿 250 MHz Suy hao khí quyển 𝐿𝑃𝑎𝑡 0,017 dB Số phần tử mảng theo phương x 𝑁𝑥𝑠𝑎𝑡 60 Số phần tử mảng theo phương y 𝑁𝑦𝑠𝑎𝑡 72 Số chuỗi RF theo phương x 𝑁𝑥𝑅𝐹 5 Số chuỗi RF theo phương y 𝑁𝑦𝑅𝐹 3
Công suất truyền dẫn 𝑃𝑇𝑋 15 dBW Hệ số lẫy mẫu quá mức 𝑂 1,2 Số phần tử mảng UPA/Ăng ten sóng rị
rỉ 𝑁𝑥𝑈𝑇 24
Số phần tử mảng UPA/Ăng ten sóng rị
rỉ 𝑁𝑦𝑈𝑇 24
Để hiểu vai trò của hệ số lấy mẫu quá mức O trong sổ mã chùm được trình bày trong phần 3.3.2, Hình 3.10 thể hiện các thiết kế lưới khác nhau bao gồm ROI hình elip cho một mảng 128 × 64 vệ tinh và 8 chuỗi RF trong mỗi chiều. Hình 3.10 (a) cho kết quả khi 𝑂 = 2,49, trong khi hình 3.10 (b) cho thấy lưới hình chữ nhật thu được khi 𝑂 = 2. Lưu ý rằng với 𝑂 = 2, chỉ có 39 trong số 64 chùm tia thế được sử dụng để chiếu sáng ROI, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên RF rất kém hiệu quả.
Hình 3.10 Lưới hình chữ nhật bao phủ ROI hình elip khi sử dụng sổ mã chùm DFT lấy mẫu quá mức (a) với O = 2,49; (b) với O = 2