Digital library Ha Noi university of science and technology846

58 CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG MIMO OFDM DỰA TRÊN CÁC MÔ -HÌNH KÊNH TRUYỀN .... 100 5.2 Đề xuất sử dụng tổ hợp SFBC MMSE cho hệ thốn

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯ NG Đ Ờ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

-

NGUYỄN THU NGA

MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH KHÔNG GIAN VÀ TÁC ĐỘNG CỦA TƯƠNG

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯ NG Đ Ờ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

-

NGUYỄN THU NGA

MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH KHÔNG GIAN VÀ TÁC ĐỘNG CỦA TƯƠNG

i

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa xuất hiện trong các công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Tác giả luận án

Nguyễn Thu Nga

ii

LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Văn Đức đã trực tiếp hướng dẫn khoa học và hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau một thời gian dài làm nghiên cứu

động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu và học thuật cũng như trong công tác chuyên môn

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

Nguyễn Thu Nga

iii

M c l c

L i cam ờ đoan……… i

L i c m ờ ả ơn……… …… ……… i i M c l c ụ ụ ……… …… ……… ii i Danh m c các hình v ụ ẽ ……… …………vi

Danh m c b ng bi ụ ả ểu ………… ………xi

B ng ch ả ữ viế ắt………xii t t Các ký hi u toán h c s d ng trong lu ệ ọ ử ụ ận án……….………xiv

LỜI MỞ ĐẦU 1

1.1 Bối cảnh nghiên cứu 1

1.2 Lí do lựa chọn đề tài 2

1.3 M c tiêu nghiên c ụ ứu c a lu n án ủ ậ 7

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô hình kênh MIMO và ảnh hưởng của đặc tính tương quan không gian kênh truyền đến hiệu năng hệ thống MIMO-OFDMA 8

1.5 Các v ấn đề giả i quy t c a lu ế ủ ận án 10

1.6 Nhữ ng gi i h n trong các nghiên c u c a lu n án ớ ạ ứ ủ ậ 13

1.7 Phương pháp nghiên cứu 14

1.8 B c c c a lu n án ố ụ ủ ậ 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH MIMO 16

1.1 Biểu diễn toán học của ma trận tương quan kênh MIMO 16

1.2 Các phương pháp phỏng tạo kênh MIMO 18

1.2.1 Mô hình kênh hình học tán xạ một vòng tròn Onering 18

1.2.2 Mô hình kênh tham số đo đạc không gian SCM 21

1.2.2.1 Các tham số mô hình SCM theo 3GPP 22

1.2.2.2 Các môi trường truyền của SCM 23

1.2.2.3 Thiết lập hệ số kênh truyền 24

1.3 Đặc tính tương quan không gian của mô hình tham số đo đạc không gian SCM trong hệ thống 2 2 MIMO 25

1.3.1 Mô hình kênh truyền không có tín hiệu tầm nhìn thẳng NLOS 25

1.3.1.1 Đặc tính hàm tương quan không gian bên thu theo các phân bố của góc AoA 30

iv

1.3.1.2 Đặc tính hàm tương quan không gian bên phát theo các phân bố của góc AoD 32

1.3.1.3 Hàm tương quan không gian hai chiều khi không có tín hiệu tầm nhìn thẳng 33

1.3.1.4 Đặc tính hàm tự tương quan thời gian TCF 33

1.3.1.5 Đặc tính hàm tương quan tần số FCF 34

1.3.2 Mô hình kênh truyền có tín hiệu tầm nhìn thẳng LOS 35

1.3.2.1 Đặc tính hàm tương quan không gian bên thu theo các phân bố của góc AoA 39

1.3.2.2 Đặc tính hàm tương quan không gian bên phát theo các phân bố của góc AoD 41

1.3.2.3 Hàm tương quan không gian hai chiều khi có tín hi u t m nhìn th ng 42ệ ầ ẳ 1.4 Kết luận chương 43

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN MÔ HÌNH KÊNH THÔNG QUA KẾT QUẢ SO SÁNH ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN TRÊN CÁC MÔ HÌNH KÊNH KHÔNG GIAN 45

2.1 Điều kiện so sánh 45

2.2 K t qu ế ả so sánh hai phương pháp mô hình kênh cho trườ ng h ợp đặ c bi t 47 ệ 2.3 K t qu so sánh ha ế ả i phương pháp mô hình kênh cho trườ ng h p t ng quát ợ ổ 49

2.4 Kết luận chương 58

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG MIMO OFDM DỰA TRÊN CÁC MÔ -HÌNH KÊNH TRUYỀN 60

3.1 Hệ thống MIMO OFDM cho kênh đường xuống LTE-A 60

-3.2 Các kỹ thuật mã hóa và xử lý tín hiệu cho hệ thống MIMO-OFDM 62

3.2.1 Mã khối không gian thời gian (STBC) 62

3.2.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian thời gian VBLAST .63

3.2.3 Mã khối tần số không gian (SFBC) 64

3.3 Ảnh hưởng của đặc tính tương quan không gian lên hệ thống MIMO-OFDM 65 3.3.1 Mô hình kênh không gian SCM không có tín hiệu tầm nhìn thẳng NLOS 65

3.3.1.1 Kết quả mô phỏng khi bên thu sử dụng bộ cân bằng ZF 66

3.3.1.2 Kết quả mô phỏng khi bên thu sử ụ d ng b cân b ng MMSE 71ộ ằ 3.3.2 Mô hình kênh không gian SCM có tín hiệu tầm nhìn thẳng LOS 77

3.3.3 Mô hình kênh hình học một vòng tròn Onering- NLOS 78

3.4 Kết luận chương 79

v

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU VBLAST-ZF TRÊN CÁC MÔ HÌNH KÊNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

MIMO OFDMA – 81

4.1 Hệ thống MIMO -OFDMA 2 anten phát 2 anten thu 81

4.2 Kỹ thuật cấp phát kênh động - Dynamic Channel Allocation (DCA) 84

4.3 Thuật toán khôi phục dữ liệu 84

4.3.1 Thuật toán khôi phục dữ liệu VBLAST- ZF 84

4.3.2 Thuật toán khôi phục dữ liệu VBLAST-MMSE 85

4.4 Đánh giá hiệu quả của thuật toán VBLAST ZF trên mô hình kênh tương quan 86

Monte Carlo 4.5 Đánh giá hiệu quả của thuật toán VBLAST-ZF trên mô hình kênh Onering chuẩn LTE-A 90

4.6 Đánh giá hiệu quả của thuật toán VBLAST- ZF trên mô hình kênh SCM chuẩn LTE-A 92

4.7 Kết luận chương 95

CHƯƠNG 5 ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG TỔ HỢP MÃ HÓA SFBC MMSE DỰA TRÊN -ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN MIMO-OFDMA 96

5.1 Đánh giá hiệu quả tổ hợp SFBC -VBLAST-ZF tr mô hình SCM ên 96

5.1.1 Kết quả mô phỏng trên mô hình kênh SCM - NLOS 96

5.1.2 Kết quả mô phỏng trên mô hình kênh SCM - LOS 100

5.2 Đề xuất sử dụng tổ hợp SFBC MMSE cho hệ thống đa truy nhập MIMO- -OFDMA kết hợp phương pháp cấp phát kênh động trên mô hình kênh không gian SCM – NLOS 102

5.3 Đề xuất sử dụng tổ hợp SFBC MMSE cho hệ thống đa truy nhập MIMO- -OFDMA kết hợp phương pháp cấp phát kênh động trên mô hình kênh hình học một vòng tròn 107

5.4 K ết luận chương 108

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 110

vi

Hình 1 Nh ững hướng nghiên cứ u ở lớp vật lý và lớp MAC của MIMO OFDM - 3

Hình 2 Mô hình kênh theo L.Schumacher, 2002 [79] 4

Hình 3 Mô hình kênh theo M.Patzold, 2002 [73] 5

Hình 4 Hư ớng tiếp cận nghiên cứu của luận án 8

Hình 5 Cách đánh giá hiệu năng hệ ống trong luận án th 11

Hình 1.1 Mô t ả mô hình kênh MIMO đường xu ống 16

Hình 1.2 Mô hình kênh tán x m ạ ột vòng tròn Onering [99] 19

Hình 1.3 Tương quan không gian bên MS mô hình Onering 21

Hình 1.4 Tương quan không gian bên BS mô hình Onering 21

Hình 1.5 Thông s góc c a mô hình SCM [1] ố ủ 22

Hình 1.6 Hàm r i r c kênh theo 3GPP [1] ờ ạ 27

Hình 1.7 Hàm r i r c kênh n i suy khi th c hi n mô ph ờ ạ ộ ự ệ ỏng 27

Hình 1.8 Hàm t ự tương quan thờ i gian TCF 27

Hình 1.9 Hàm tương quan tầ n s FCF 27 ố Hình 1.10 Hàm tương quan không gian chéo 28

Hình 1.11 Hàm tương quan không gian chéo 28

Hình 1.12 Hàm tương quan không gian chéo 28

Hình 1.13 Hàm tương quan không gian chéo 28

Hình 1.14 Hàm tương quan không gian chéo bên MS khi c a lu n án ủ ậ 29

Hình 1.15 Hàm tương quan không gian chéo bên MS khi c a Cheng-Xiang ủ [16] 29

Hình 1.16 Tương quan không gian bên thu 31

Hình 1.17 Tương quan không gian bên phát ( 32

Hình 1.18 Tương quan không gian chéo 2 chiều SCM - NLOS vùng ngo i ô ạ 33

Hình 1.19 Hàm t ự tương quan thời gian theo các hàm phân b ố 34

Hình 1.20 Hàm FCF ủ c a mô hình Onering 35

Hình 1.21 Hàm FCF c a mô hình SCM ủ 35

Hình 1.22 Mô hình tín hi u cho kênh MIMO Rice fading ệ 36

Hình 1.23 Hàm CCF c a SCM - ủ LOS 39

Hình 1.24 Hàm CCF c a SCM - LOS ủ 39

vii

Hình 1.25 Hàm CCF c a SCM - ủ LOS 39

Hình 1.26 Hàm CCF c a SCM - ủ LOS 39

Hình 1.27 Tương quan không gian bên thu (LOS) 40

Hình 1.28 Tương quan không gian bên phát (LOS) 42

Hình 1.29 Tương quan không gian ) 42

Hình 1.30 Tương quan không gian ) 42

Hình 1.31 Tương quan không gian khi ) 43

Hình 2.1 Hàm không gian hai chi u c a mô hình Onering ề ủ 45

Hình 2.2 Hàm không gian hai chi u c a mô hình SCM ề ủ 45

Hình 2.3 Hàm thông s kênh theo chu n LTE- EVA - ố ẩ 5MHz 46

Hình 2.4 Mô hình Onering trong trườ ng h ợp đặ c biệt 47

Hình 2.5 Hàm tương quan không gian chéo 49

Hình 2.6 Hàm tương quan không gian chéo 49

Hình 2.7 Hàm tương quan không gian chéo 49

Hình 2.8 Hàm tương quan không gian chéo 49

Hình 2.9 Mô hình hình h c khi các anten di chuy n ọ ể 50

Hình 2.10 B ố trí anten BS và MS vuông góc phương ngang 51

Hình 2.11 Tương quan bên BS 51

Hình 2.12 Tương quan bên MS 51

Hình 2.13 B ố trí anten BS vuông góc phương ngang, MS nghiêng 45o 51

Hình 2.14 Tương quan bên BS 51

Hình 2.15 Tương quan bên MS 51

Hình 2.16 B ố trí anten BS vuông góc phương ngang, MS nghiêng 60 o 52

Hình 2.17 Tương quan bên BS 52

Hình 2.18 Tương quan bên MS 52

Hình 2.19 B trí anten BS và MS nghiêng góc ố 30o phương ngang 53

Hình 2.20 Tương quan bên BS 53

Hình 2.21 Tương quan bên MS 53

Hình 2.22 B trí anten BS và MS nghiêng góc ố 60o phương ngang 53

Hình 2.23 Tương quan bên BS 53

Hình 2.24 Tương quan bên MS 53

viii

Hình 2.25 B trí anten BS nghiêng góc ố 30o và MS vuông góc phương ngang 54

Hình 2.26 Tương quan BS 54

Hình 2.27 Tương quan MS 54

Hình 3.1 H ệ thống phát thu MIMO-OFDM – 61

Hình 3.2 Mã hóa kh i STBC ố 63

Hình 3.3 Kỹ thuậ ử t x lý tín hi u không gian th i gian VBLAST ệ ờ 64

Hình 3.4 Mã khối SFBC 64

Hình 3.5 SFBC – ZF - vùng ngo i ô ạ 67

Hình 3.6 VBLAST – ZF - vùng ngo i ô ạ 67

Hình 3.7 STBC - ZF - vùng ngo i ô ạ 67

Hình 3.8 So sánh ZF- vùng ngo i ô ạ 67

Hình 3.9 SER c a STBC ủ – ZF đô thị ớn 68 - l Hình 3.10 SER c a SFBC ủ – ZF đô thị ớ 68 - l n Hình 3.11 SER c aVBLAST- ủ ZF đô thị ớ 69 - l n Hình 3.12 So sánh mã ZF- đô thị ớ 69 l n Hình 3.13 SER c a SFBC- ủ ZF đô thị nhỏ 69 -

Hình 3.14 SER c a STBC- ủ ZF đô thị nhỏ 69 -

Hình 3.15 VBLAST –ZF đô thị nhỏ 70 -

Hình 3.16 So sánh các mã ZF- đô thị nhỏ 70

Hình 3.17 Vùng ngo i ô (NLOS) ạ 72

Hình 3.18 Vùng Ngoai ô (NLOS) 72

Hình 3.19 MMSE – Đô thị ớ l n (NLOS) 72

Hình 3.20 MMSE – Đô thị nhỏ (NLOS) 72

Hình 3.21 Kênh gi nh ả đị (i) 74

Hình 3.22 Kênh gi nh ả đị (iv) 74

Hình 3.23 Kênh th c t ự ế (i) 76

Hình 3.24 Kênh th c t ự ế (iv) 76

Hình 3.25 Kênh gi nh ả đị (ii) 76

Hình 3.26 Kênh gi nh ả đị (iii) 76

Hình 3.27 So sánh mã hóa v i ớ ; tr i tr ả ễ .

Hình 3.28 So sánh mã hóa v i ớ ; tr i tr ả ễ .

ix

Hình 3.29 So sánh mã hóa v i ớ ; tr i tr ả ễ

Hình 3.30 So sánh mã hóa v i ớ ; tr i tr ả ễ

Hình 3.31 So sánh SFBC và STBC ZF trong mô hình SCM- – LOS 78

Hình 3.32 So sánh SFBC và STBC MMSE trong mô hình SCM- – LOS 78

Hình 3.33 So sánh các mã s d ng ZF mô hình Onering – ử ụ 79

Hình 3.34 So sánh các mã s d ng MMSE mô hình Onering – ử ụ 79

Hình 4.1 B phát MIMO- ộ OFDMA theo đường lên [18], [42], [65] 82

Hình 4 2 B thu MIMO- ộ OFDMA theo đườ ng lên [18], [42], [65] 82

Hình 4.3 So sánh các phương pháp tách nhiễu 88

Hình 4.4 VBLAST- ZF v i h s ớ ệ ố tương quan 88

Hình 4.5 B cân b ng ZF v i h s ộ ằ ớ ệ ố tương quan 88

Hình 4.6 S ố lượng người dùng- so sánh ZF và VBLAST- ZF 88

Hình 4.7 Khái ni m s ệ ố lượng ngườ ử i s dụng 88

Hình 4.8 Kí t trên khung MAC so sánh ZF và VBLAST- ự – ZF 89

Hình 4.9 Hiệu năng hệ thố ng s dụng ZF trên mô hình ORM 91 ử Hình 4.10 Hiệu năng hệ ố th ng s d ng VBLAST- ZF trên mô hình ORM 91 ử ụ Hình 4.11 S ố lượng thuê bao khi s d ng thu t toán VBLAST- ử ụ ậ ZF 91

Hình 4.12 SER c a ZF trong ORM ủ 92

Hình 4.13 SER c a ZF trong SCM ủ 92

Hình 4.14 SER của VBLAST - ZF - ORM 93

Hình 4.15 SER của VBLAST -ZF - SCM 93

Hình 4.16 Thuê bao của VBLAST- ZF - ORM 93

Hình4.17 Thuê bao của VBLAST- ZF SCM 93 -

Hình 4.18 VBLAST-ZF mô hình ORM 94

Hình 4.19 VBLAST-ZF mô hình SCM 94

Hình 5.1 SFBC-ZF và SFBC-VBLAST- ZF -vùng ngo i ô ạ 97

Hình 5.2 SFBC- ZF và SFBC-VBLAST-ZF vùng đô thị ớ l n 97

Hình 5.3 SFBC - ZF và SFBC-VBLAST- ZF đô thị nhỏ 97 -

Hình 5.4 SFBC -ZF trong 3 môi trườ ng v ới 5 ngườ i dùng 97

Hình 5.5 SFBC-VBLAST-ZF trong 3 môi trườ ng v ới 5 ngườ i dùng 99

Hình 5.6 So sánh thuê bao vùng ngo i ô ạ 99

x

Hình 5.7 So sánh thuê bao vùng đô thị ớ l n 99

Hình 5.8 So sánh thuê bao vùng đô thị nh 99 ỏ Hình 5.9 SFBC – ZF - LOS đô thị nh 100 ỏ Hình 5.10 SFBC-VBLAST -ZF - LOS đô thị nhỏ 100

Hình 5.11 Thuê bao c a SFBC-ZF - ủ LOS 101

Hình 5.12 Thuê bao c a SFBC-VBLAST- ủ ZF LOS 101 -

Hình 5.13 SFBC-MMSE và VBLAST- ZF– vùng ngo i ô ạ 104

Hình 5.14 SFBC-MMSE và SFBC-VBLAST-ZF vùng ngo i ô – ạ 104

Hình 5.15 SFBC-MMSE và SFBC-VBLAST-ZF – đô thị ớ l n 104 Hình 5.16 SFBC-MMSE và SFBC-VBLAST-ZF – đô thị nhỏ NLOS 104

Hình 5.17 Thuê bao v ới SFBC -MMSE Ngo i ô – ạ SCM NLOS không tương quan 106

-Hình 5.18 Thuê bao v ới SFBC MMSE–Đô thị ớ - l n SCM- NLOS không tương quan 106

Hình 5.19 Thuê bao v i SFBC- ớ MMSE–đô thị nh ỏ SCM - NLOS không tương quan 106

Hình 5.20 Thuê bao v i SFBC- ớ MMSE–ngoạ i ô SCM - NLOS tương quan 106

Hình 5.21 Thuê bao v i SFBC- ớ MMSE–đô thị ớn SCM NLOS tương quan l 106

Hình 5.22 Thuê bao v i SFBC- ớ MMSE–đô thị nh ỏ SCM NLOS tương quan 106

Hình 5.23 Hiệu năng hệ ố th ng SFBC -MMSE trên mô hình Onering tương quan 108

Hình 5.24 Thuê bao s d ử ụng SFBC- MMSE mô hình Onering không tương quan 108

Hình 5.25 Thuê bao s d ử ụng SFBC- MMSE mô hình Onering tương quan 108

xi

B ng 1.1 Tham s mô hình kênh 3GPP [1] ả ố 23

Bảng 1.2 Môi trường truy n d n [1] ề ẫ 23

B ng 1.3 Tham s cho tuy ả ố ến đườ ng truy n d n con AoD và AoA [1] ề ẫ 30

B ảng 1.4 Thông s góc ch ố o môi trường đô thị nh [1] 37 ỏ B ng 1.5 B ng th ng kê các k t qu mô ph ả ả ố ế ả ỏng trong chương 43

B ng 2.1 Thông s khi so sánh hai mô hình theo chu n LTE-A ả ố ẩ 46

B ng 2.2 B ng h s ả ả ệ ố góc tương đương của hai mô hình 48

B ng 2.3 B ng các b tham s ả ả ộ ố góc đầ u vào khi so sánh hai mô hình 55

B ng 2.4 ả Phạm vi sử dụng của hai phương pháp mô hình kênh .56

B ng 2.5 B ng so sánh hai mô hình theo tham s h ả ả ố ệ thống 56

B ng 3.1 Tham s h ả ố ệ thố ng OFDM chu n LTE- [48] [40] s d ng trong lu n án ẩ A , ử ụ ậ 61

B ng 3.2 Các thông s c a h ả ố ủ ệ thống MIMO-OFDM 66

B ng 3.3 B ng so sánh SER t SNR=20dB ả ả ại môi trườ ng ngo i ô 68 ạ B ảng 3.4 Thố ng kê các k t qu mô ph ế ả ỏng trong chương 80

Bảng 5.1 Kết quả SER trong môi trường Env2 và Env3 98

Bảng 5.2 Kết quả đo hiệ năng trong 3 môi trường vớ ố ngườ u i s i dùng khác nhau 99

B ng 5.3 ả Xác định độ ph c t p c a thu t toán ứ ạ ủ ậ 102

B ng 5.4 Tính toán s flop v i t ả ố ớ ổ ợ h p SFBC- MMSE 103

B ng 5.5 Tính toán s flop v i t ả ố ớ ổ ợ h p SFBC-VBLAST-ZF: 103

B ng 5.6 Tính toán s flop c a gi i thu t VBLAST ả ố ủ ả ậ 103

xii

3GPP The Third Generation Partnership Project D án ự đối tác thông tin di động thế ệ thứ h 3

nghiệm Bell

EVA-ITU Extended Telecommunication Union Vehicular A-International

Mô hình trên xe mở rộng A theo chuẩn của hiệp hội viễn thông quốc tế

quát hoá HIPER

LAN/2

MIMO-OFDM Multiple Input Multiple Output- Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa anten phát đa anten thu sử dụng ghép kênh phân chia tần số trực giao

xiii

Kronecker MIMO-

OFDMA

Multiple Input Multiple Output- Orthogonal

Frequency Division Multiple Access

Đa anten phát đa anten thu đa truy nhập ghép kênh phân chia tần số trực giao

phương tối thiểu

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

Space-Time

Mã hóa l ớp đứ ng không gian th i gian phòng ờ thí nghi m Bell ệ

xiv

Hàm tương quan tín hiệu mô hình SCM Hàm tương quan tín hiệu mô hình Onering Hàm đáp ứng xung trên mi n th i gian v i tr cề ờ ớ ễ ủa đường Hàm truyền đạt kênh theo thời gian

Ma tr n truyậ ền đạ ủt c a MSi t i sóng mang con th ạ ứ n

τ Trễ truyền dẫn của kênh truyền

Chênh lệch trễ truyền dẫn giữa các đường truyền

Độ chênh lệch tần số Khoảng cách các phần tử anten bên MS Khoảng cách các phần tử anten bên BS Hàm mật độ xác suất Gauss kỳ vọng bằng 0, phương sai σ2Hàm mật độ xác suất đều Uniform

σ2 Biểu diễn phương sai của nhiễu cộng

NFFT Số lượng sóng mang con của hệ thống OFDM

GI Độ dài khoảng bảo vệ mỗi ký hiệu OFDM

Góc t i AoA cớ ủa đường chính thứ theo phân bố đềuGóc t i AoA cớ ủa đường chính thứ theo phân bố GaussGóc đi AoD của đường chính thứ theo phân bố đềuGóc đi AoD của đường chính ứ th theo phân bố Gauss

Số đường truyền chính trong các cụm tán xạ

Số đường truyền thành phần của mỗi đường truyền chínhBán kính vòng tròn tán xạ Onering

Khoảng cách hai bên thu phát

Ma trận tương quan bên MS

Ma trận tương quan bên BS

|.| Phép tính det của ma trận

Ký tự tái tạo bên thu khi sử dụng bộ cân bằng MMSE

Ký tự tái tạo bên thu khi sử dụng bộ cân bằng ZF Toán tử trung bình thời gian

Tính ma trận chuyển vị(.)H Chuyển vị và lấy liên hiệp phức cho ma trận hay một biến (Hermitian)

Phép nhân Kronecker cho ma trậnVec(H) Phép tính biến ma trận thành vector

H+ Nghịch đảo Moore Penrose của ma trận

1

LỜI MỞ ĐẦU

Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division

băng hẹp tốc độ thấp hơn vì vậy tránh ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số và nhiễu xuyên kí

tăng hiệu suất sử dụng phổ hay đạt được độ tăng ích phân tập không gian, do vậy làm tăng

Frequency Division Multiplexing), hiệu năng của hệ thống truyền thông không dây hiện nay

số và không gian

OFDMA chống fading chọn lọc tần số của kênh truyền thông không dây bằng cách phân bổ

2

rộng nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDMA

3

Công nghệ MIMO-OFDM

MIMO-OFDM lớp vật lý MIMO-OFDMA lớp MAC

hệ thống

Ðánh giá hiệu năng

hệ thống

Ðặc tính tương quan MIMO

Dung luợng

hệ thống

Mô hình kênh

Cấp phát kênh

Phân tập đa nguời dùng

link and Uplink Duality

4

ITU [9] khuyến nghị cho 3 môi trường: trong văn phòng, cho người đi bộ trong nhà và cho phương tiện ôtô cho 2 trường hợp tín hiệu có độ trải trễ nhỏ và độ trải trễ trung bình

Mô hình kênh MIMO

Mô hình xác định (Deterministic)

Mô hình thống kê ngẫu nhiên (Stochastic)

Mô hình dựa trên đặc tính hình học (Onering, tworing, elipse)

Mô hình tham số (SCM)

Mô hình dựa trên đặc tính tương quan (Kronecker)

mô hình, khi đó các thành phần đa đường truyền không liên quan tới tán xạ nhưng lại tạo ra một miền các giá trị thông số mà người ta gọi là mô hình tham số ngẫu nhiên Cách thực hiện chung cho mô hình này là tạo ra các trễ đường truyền và các đáp ứng xung, mỗi xung là một

Departure) Mô hình dựa trên đặc tính tương quan CBSM giả thiết hệ số kênh có đặc tính

6

tin thuỷ âm [63], [64]

ảnh hưởng của tương quan cho việc thiết kế các hệ thống MIMO

7

tương quan không gian chéo của hai mô hình có sự dịch chuyển đặc biệt trong trường hợp

mô hình kênh cho hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA

tới hiệu năng hệ thống được đánh giá thông qua các bộ tham số khoảng cách anten tối ưu

8

Phân tích và lựa chọn mô hình kênh

Xác định đặc tính tương quan kênh MIMO trên mô hình kênh lựa chọn

Lớp vật lý Triển khai : các phương pháp

mã khối không gian

Lớp MAC Kết hợp : thuật toán cấp phát kênh động

9

toán thấp hơn

10

thu và bên phát

Gán mẫu

dữ liệu

Giải điều chế QAM-64

DCA

Giải mã STBC + cân bằng kênh

FFT

Tách mẫu dữ liệu

SER

IFFT

FFT

kênh tham số đo đạc không gian SCM và phương pháp mô hình kênh hình học dựa trên tán xạmột vòng tròn (Onering Channel Model) cho hệ thống thông tin di động băng rộng Từ đó luận

án đưa ra các trường hợp sử dụng mô hình kênh Onering thay thế cho mô hình kênh SCM

Luận án so sánh hai phương pháp mô hình kênh đa anten phát/ thu cho hệ thống thông tin vô

- Hai mô hình kênh truyền đều sử dụng chung kết quả đo đạc về hàm công suất trễ của kênh, trải trễ lớn nhất

trên cùng hệ trục đo

Kết quả so sánh của luận án:

Điểm giống nhau hai mô hình kênh:

Cả hai mô hình kênh đều cho kết quả hàm tương quan là giống nhau, nếu như các điều kiện đầu là giống nhau, cụ thể các tham số của hàm Onering được tính toán phù hợp với kết quả đo đạc ở mô hình SCM Điều này chứng tỏ hai mô hình kênh đều có thể được ứng dụng thực tế Điểm khác nhau:

12

của tín hiệu Do vậy trong những điều kiện truyền dẫn như ở các điều kiện địa hình nông thôn, miền núi, trải trễ có thể rất lớn, dẫn đến điều kiện ràng buộc để xây dựng mô hình không phù

không thể áp được các điều kiện đầu cho hai mô hình kênh giống nhau, cũng như là không thể

sử dụng mô hình Onering để thay thế mô hình kênh SCM

hình kênh Onering chỉ cần đo đạc về hàm công suất trễ của kênh Tuy nhiên trong một số trường hợp thì không thực hiện được vì việc giả thuyết các điểm tán xạ trên vòng tròn không

mô tả hết được các điểm tán xạ thực tế Các mô hình toán học và tính toán bằng mô hình vòng tròn là đơn giản hơn so với SCM

như với phép đo thực tế và các điều kiện giả thuyết về trễ truyền dẫn tối đa là không quá lớn so với trễ truyền dẫn của đường truyền trực tiếp Khi các điều kiện này không thỏa mãn thì việc

Kết luận 1: Các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng của hai phương pháp mô hình kênh

bên phía thiết bị di động MS và phía trạm gốc BS lần lượt như sau:

tâm bên phát/thu vì phương pháp mô phỏng Onering không yêu cầu đo đạc các tham số cụm tán xạ và thực hiện phương pháp đơn giản có ít hơn 2 tham số so với phương pháp SCM

đặc tính tương quan của hai mô hình là gần giống nhau, đặc biệt là trong trường hợp dàn hai anten trạm gốc là vuông góc đường nối tâm hai hệ anten Vì vậy trong trường hợp này thì trong

hợp các anten bên phía trạm gốc dịch chuyển thì các hàm tương quan có sự dịch chuyển đối với nhau, khi đó trong luận án, tác giả đề xuất sử dụng mô hình SCM vì tính chất gần thực tế

do sử dụng nhiều bộ tham số mô phỏng

13

Kết luận 3: Trong trường hợp hai mô hình có các điều kiện đầu vào khác nhau thì tương quan không gian hai mô hình sẽ khác nhau, việc chọn lựa các mô hình phù hợp sẽ theo các phân tích về ưu nhược điểm của từng mô hình

Đóng góp 2: Thông qua kết quả phân tích lý thuyết khảo sát hàm tương quan không gian và

mô phỏng hệ thống thống thông qua tỉ số lỗi ký tự SER trong luận án, tác giả đề xuất các bộ , tham số tối ưu về khoảng cách anten phát và thu để tối ưu hiệu năng hệ thống MIMO-OFDM sử dụng các kỹ thuật mã hóa kênh

Các bài toán tối ưu hệ thống ở lớp vật lý và lớp MAC là phức tạp, thông thường khó đưa ra lời giải tường minh bằng các phương pháp giải tích Cách làm thông thường là mô phỏng vét cạn tất cả các trường hợp để đưa ra sự đánh giá chính xác Luận án đã chỉ rõ sự liên hệ về các

bên là các hàm toán học có thể mô hình được bằng giải tích và một bên là đại lượng phi tuyến không thể mô hình được Đây là kết quả có giá trị giúp các nhà thiết kế tiên lượng được hiệu

toàn giống nhau, người mô phỏng có thể sử dụng mô hình một vòng tròn để đánh giá hiệu năng

hệ thống có sử dụng mã trong trường hợp này thay thế cho mô hình SCM

Đóng góp Trên cơ sở xem xét các giải pháp mã hóa lớp vật lý, luận án xem xét tiếp tác động3: của tương quan không gian đến hiệu năng hệ thống ở lớp MAC trong hệ thống MIMO-OFDMA

sử dụng phương pháp cấp phát kênh động

Các kết quả nghiên cứu trước đây ít đề cập đến mối liên hệ này, cụ thể nếu các đặc tính phân tập của kênh truyền trong môi trường người sử dụng được tận dụng, thì chính các đặc tính phân tập này sẽ làm cải thiện hiệu năng hệ thống

lượng ký tự trong khung MAC thì hiệu năng hệ thống giảm đi trong cả hai mô hình kênh

Đóng góp 4: Trong luận án, tác giả đề xuất sử dụng tổ hợp SFBC MMSE cho hệ thống đa người sử dụng MIMO OFDMA trên các mô hình kênh tương quan không gian-

-Bằng phân tích lý thuyết và mô phỏng trên các kênh tương quan được xây dựng ở chương 2

-OFDMA

14

-channel Interference) là không có

15

16

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH MIMO

) (

1 t x

)(t

1 t y

) (t

yU

1

u

Uu

17

(1.1)

(1.2)

(1.4)

(1.5)

hướng chuyển động của máy thu

(1.6)

18

1.2.1 Mô hình kênh hình học tán x m t vòng tròn Onering ạ ộ

pháp tiếp cận tia truyền đơn giản Tuy nhiên, thay vì mô hình hoá môi trường một cách

trạm di động, mô hình dựa vào vị trí các điểm tán xạ bằng việc áp dụng định luật cơ bản về

phản xạ, tán xa các dạng sóng điện từ Mật độ tán xạ trong vùng tán xạ tạo thành cụm tán xạ

trên vòng tròn tán xạ mục đích là để tạo ra các thời gian trễ truyền dẫn phù hợp với kết quả

bán kính vòng tròn xác định từ trải trễ RMS Mô hình hình học tán xạ một vòng tròn này áp

MS v

MS n

n

BS max

nS

1

diễn như sau [99]:

20

(1.8)

(1.9)

(1.10)

(1.11)

(1.12)

21

(1.13)

quả mô phỏng đánh giá ảnh hưởng đặc tính tương quan trên mô hình kênh một vòng tròn

Hình 1.3 Tương quan không gian bên MS mô

hình Onering

Hình 1.4 Tương quan không gian bên BS

mô hình Onering

1.2.2 Mô hình kênh tham s ố đo đạc không gian SCM

Mô hình kênh không gian SCM [1], [57], [60] là mô hình tham số ngẫu nhiên Đặc tính ngẫu nhiên được hiểu là duy trì việc chọn lọc các vùng quan sát một cách ngẫu nhiên và

-hoàn toàn tán xạ khỏi việc tổng hợp mô hình, khi đó các thành phần đa đường truyền không liên quan tới các điểm tán xạ nhưng lại tạo ra một miền các giá trị thông số mà người ta gọi

đường truyền là các đáp ứng xung, mỗi xung là một đường truyền Mô hình kênh không

MS so với phương ngang MS

SCM có thể tạo ra trực tiếp các bộ tham số kênh truyền đồng thời tính phức tạp của

[1], [2], [62], [83], [85]

23

Thông số chung Công suất tương

đối của đường truyền (dB)

Trễ (ns)

UE/Thiết bị di động NodeB/Trạm thu phát

phần tử anten 0.5λ:

Khoảng cách các phần

tử anten: 0.5; ; 4λ 10λChuẩn 3GPP:

Case C

PAS: Góc mở RMS

35 có phân bố Laplacian hoặc phân

bố đều 360

PAS: Phân bố Laplacian với góc mở RMS trên mỗi đường 2 hoặc 5

B ng 1.2 ả Môi trường truy n d n [1]ề ẫ

AS AS AoD r

) , 0 ( 2AoD

AS AS AoD r

U(-40o, 40o)

Phân b AoA trên m ố ỗi đườ ng

2 AoA ( 0 , 2AoA(Pr)) ( 0 , 2AoA (Pr))

DS

24

u di

(1.14)

(1.15)