Kỹ thuật MIMO trong hệ thống UWB

Đồ án đã đạt đƣợc một số nội dung sau: Tìm hiểu về hệ thống UWB, kỹ thuật MIMO trong truyền thông không dây và tiềm năng phát triển cũng như thách thức đối với hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật MIMO. Tìm hiểu các mô hình kênh UWB được sử dụng để nghiên cứu và mô phỏng, đặc tính tương quan của các đầu vào tương quan không gian giữa các anten cũng được nghiên cứu. Tìm hiểu sự phụ thuộc của dung lượng kênh UWBMIMO với số anten phát và anten thu. Các trường hợp được nghiên cứu bao gồm: MISO, SIMO và MIMO và chỉ ra rằng, tốc độ dữ liệu tăng tỷ lệ với số lượng anten theo những cách khác nhau, đặc biệt là trường hợp MISO.

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU x

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB-MIMO 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tổng quan về hệ thống UWB 2

1.2.1 Định nghĩa hệ thống UWB 2

1.2.2 Ưu điểm của công nghệ UWB 5

1.2.2.1 Khả năng chia sẻ phổ tần 5

1.2.2.2 Dung lượng kênh lớn 5

1.2.2.3 Khả năng làm việc với tỷ số SNR thấp 6

1.2.2.4 Khả năng bị chặn và bị phát hiện thấp 6

1.2.2.5 Khả năng chống tắc nghẽn 6

1.2.2.6 Hiệu suất kênh đa đường cao 7

1.2.2.7 Khả năng đâm xuyên cao 8

1.2.2.8 Kiến trúc bộ thu phát đơn giản 8

1.2.3 Ứng dụng của UWB 9

1.3 Tổng quan về kỹ thuật MIMO 10

1.3.1 Giới thiệu 10

1.3.2 Nguyên lý MIMO 11

1.3.2.1 Trường hợp một anten phát, nhiều anten thu - SIMO 11

1.3.2.2 Trường hợp nhiều anten phát, một anten thu - MISO 12

1.3.2.3 Trường hợp nhiều anten phát, nhiều anten thu - MIMO 14

1.3.3 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 15

1.4 Hệ thống UWB-MIMO 15

1.4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống UWB-MIMO 16

1.4.1.1 Kỹ thuật ghép không gian 16

1.4.1.2 Kỹ thuật phân tập không gian 16

1.4.1.3 Kỹ thuật tạo dạng búp 17

1.4.2 Tiềm năng và thách thức của hệ thống UWB-MIMO 17

CHƯƠNG II MÔ HÌNH KÊNH UWB-MIMO 19

2.1 Giới thiệu 19

2.2 Mô hình kênh SISO 19

2.2.1 Mô hình tổn hao đường truyền phạm vi rộng 19

2.2.2 Mô hình pha-đinh phạm vi hẹp 21

2.3 Mô hình kênh UWB-MIMO 23

2.3.1 Mô hình chung 23

2.3.2 Đặc tính tương quan 25

2.4 Tổng kết 31

CHƯƠNG III DUNG LƯỢNG KÊNH HỆ THỐNG UWB 32

3.1 Giới thiệu 32

3.2 Mô hình hệ thống 32

3.3 Dung lượng kênh khi chưa biết CSI tại phía phát 34

3.4 Dung lượng kênh khi đã biết CSI tại máy phát 38

3.4.1 Trường hợp SISO 38

3.4.2 Trường hợp MIMO 39

3.5 Kết quả mô phỏng 41

3.6 Hệ số tương quan kênh 52

3.7 Đo dung lượng kênh 53

3.8 Tổng kết 56

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mặt nạ phổ của FCC cho các ứng dụng trong nhà của UWB 2

Hình 1.2 Mặt nạ phổ của Châu Âu cho các ứng dụng trong nhà của UWB 3

Hình 1.3 Xung đơn cơ bản cho hệ thống xung UWB (p=0,1225 ns) 4

Hình 1.4 Sự tồn tại đồng thời của tín hiệu UWB với tín hiệu băng hẹp và băng rộng trong phổ vô tuyến 6

Hình 1.5 Các hiện tượng và ảnh hưởng của đa đường 7

Hình 1.6 Kiến trúc bộ thu phát hệ thống không dây 8

Hình 2.1 Tương quan không gian với độ phân cực khác nhau trong môi trường trong nhà với LOS, các lát cắt thể hiện kênh NLOS 29

Hình 2.2 Hệ số tương quan phía phát và phía thu 30

Hình 3.1 Hiệu suất của UPSA so với OPSA (SISO, NT NR  1) 41

Hình 3.2 Hiệu suất của UPSA so sánh với OPSA 42

Hình 3.3 Xác xuất gián đoạn P out với tốc độ truyền dẫn R B ( nats/s/Hz) với L khác nhau So sánh giữa OPSA và UPSA (MIMO: NT NR  8) 44

Hình 3.4 Xác xuất gián đoạn P out với tốc độ truyền dẫn R B ( nats/s/Hz) với L khác nhau So sánh giữa OPSA và UPSA (SISO: NT NR  1) 45

Hình 3.5 Xác suất gián đoạn P out với tốc độ truyền dẫn R B(nats/s/Hz) với số lượng anten phát (NT) khác nhau Ảnh hưởng của số lượng anten phát lên dung lượng kênh (  10dB, L=15,NR  1) 46

Hình 3.6 Xác suất gián đoạn P out với tốc độ truyền dẫn R B (nats/s/Hz) với số lượng anten thu (NR) khác nhau Ảnh hưởng của số lượng anten thu lên dung lượng kênh (  10dB, L=15,NT  1) 48

Hình 3.7 Tốc độ truyền dẫn R B (nats/s/Hz) theo log N R với xác suất gián đoạnP out khác nhau (  10dB, L=15, NT  1) 48

Hình 3.8 Xác suất gián đoạn với tốc độ truyền dẫn R B(nats/s/Hz) với NT (hoặcNR) Ảnh hưởng của số lượng anten phát và anten thu lên dung lượng kênh (  10dB, L=15,NT NR vớiNTR NT NR) 49

Hình 3.9 Tốc độ truyền dẫn R B (nats/s/Hz) với ) với NT (hoặc NR) với xác suất gián đoạn khác nhau (  10dB, L=15, NT NR) 50

Hình 3.10 Xác suất gián đoạn với tốc độ truyền dẫn R B (nats/s/Hz) với với  khác nhau: so sánh giữa phương pháp phân tích và phương pháp Monte Carlo L 2,NT NR  1 51

Hình 3.11 Ảnh hưởng của hệ số tương quan kênh không gian lên dung lượng kênh

ecgođic của hệ thống MIMO NT NR  8 với MIMO và L 50 cho cả MIMO và

Hình 3.12 Dung lượng ecgođic và dung lượng gián đoạn của hệ thống UWB-MIMO 54

Hình 3.13 Đặc tính BER của hệ thống OFDM-MB MIMO tốc độ cao 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các tính năng của UWB so sánh với các chuẩn IEEE khác……….………9 Bảng 2.1 Các tham số của mô hình CM1, CM2, CM3, CM4……… 23

AWG Arbitrary Waveform Generator Bộ tạo dạng sóng tùy ý

AWGN Addictive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

B

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit

C

CIR Channel Impulse Respone Đáp ứng xung kênh

CM Channel Model Mô hình kênh

CSI Channel state Information Thông tin trạng thái kênh

D

DPO Digital Phosphor Oscilloscope Máy oscilloscope huỳnh quang số

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

E

EC Eroupe Commission Ủy ban Châu Âu

EIRP Equivalent Isotropically Radiated

Ủy ban truyền thông liên bang (Mỹ)

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

H

HDR High Data Rate Tốc độ cao

HDTV High-definition Television Truyền hình độ phân giải cao

HSPA High Speed Downlink Access Truy nhập đường xuống tốc độ cao

I

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện các kỹ sư điện và điện tử

L

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LDR Low Data Rate Tốc độ dữ liệu thấp

LOS Line-of-sight Tầm nhìn thẳng

LPD Low Probability of Detection Xác suất bị phát hiện thấp

LPI Low Probability of Intercept Xác suất bị can thiệp thấp

LSE Least Square Estimate Ước lượng bình phương nhỏ nhất

M

MAC Media Access Control Môi trường truy nhập

MAS Multiple Antenna System Hệ thống nhiều anten

MIMO Multiple-input Multiple-output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MISO Multiple-input Single-output Nhiều đầu vào một đầu ra

MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất

ML Maximum Likelihood Ước lượng hợp lý

MLE Maximum Likelihood Estimation Ước lượng hợp lý cực đại

MRC Maximum Ratio Combiner Bộ kết hợp tỷ lệ cực đại

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

OPSA Optimal Power Spectrum

Allocation

Phân bổ công suất tối ưu

P

PAM Pulse Amplitute Modulation Điều chế biên độ xung

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PG Processing Gain Độ khuếch đại xử lý

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

R

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RMS Root Mean Square Căn quân phương

RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu thu

S

SC-FDE Single Carrier transmission with

Frequency Domain Equalization

Sóng mang đơn hiệu chỉnh trong miền tần số

SDMA Space-division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không

gian SIMO Single-input Multiple-output Một đầu vào nhiều đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SINR Signal and Interference-plus-Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu

STC Space-Time Coding Mã hóa không gian thời gian

STDL Stochastic Tapped Delay Line Đường trễ phân nhánh ngẫu nhiên

Time Hopping Spread Sprectrum

Pulse Amplitute Modulation

Điều chế biên độ xung trải phổ nhảy thời gian

THSS-PPM

Time Hopping Spread Sprectrum

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung trải phổ nhảy thời gian

U

UPSA Uniform Power Spectrum

Allocation

Phân bổ phổ công suất đều

UWB Ultra Wideband Siêu băng tần

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền thông không dây tốc độ cao, đang rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng LAN không dây (WLAN) và trong các ứng dụng video/thoại (các luồng thoại/video) truyền hình phân giải cao HDTV Hiện nay, WLAN cung cấp tốc độ tối đa lên đến 54 Mb/s và hướng tới 600 Mb/s trong tương lai gần (IEEE 802.11n WLAN) IEEE 802.15.3c sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu rất lớn (lên đến 2 Gb/s) cho những ứng dụng truy nhập internet tốc độ cao, download nội dung (video theo yêu cầu, HDTV, rạp hát tại nhà…), các dịch vụ thời gian thực và kênh dữ liệu không dây thay thế cáp Để thỏa mãn yêu cầu kết nối mọi lúc mọi nơi với dung lượng cao, dịch vụ nhanh và kết nối bảo mật hơn, ta cần sử dụng các kỹ thuật như: nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO), ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) Để đạt được tốc độ lên đến hàng Gb/s, các kỹ thuật nâng cao cần được sử dụng và công nghệ siêu băng tần (UWB) kết hợp với MIMO có thể là giải pháp

Khả năng chia sẻ phổ tần, dung lượng kênh lớn, đặc tính đa đường phong phú của UWB cùng với khả năng phân tập, định hình búp sóng, tạo các kênh song song của MIMO hứa hẹn sẽ đem lại sự đột phá trong hệ thống truyền thông không dây, nói riêng, cũng như ngành công nghiệp viễn thông nói chung

Với mục đích tìm hiểu sâu về hệ thống UWB và việc áp dụng kỹ thuật MIMO vào hệ

thống này, em đã chọn đề tài “Kỹ thuật MIMO trong hệ thống UWB”

Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau:

Chương 1:Tổng quan về hệ thống UWB-MIMO

Chương 1 của đồ án sẽ trình bày những nét cơ bản về hệ thống UWB và công nghệ MIMO đồng thời giới thiệu một cách khái quát về hệ thống kết hợp của UWB và MIMO (tiềm năng, thách thức khi triển khai hệ thống …)

Chương 2:Mô hình kênh UWB-MIMO

Trong chương này, một số mô hình kênh UWB với mục đích mô phỏng, nghiên cứu

sẽ được giới thiệu, qua đó làm nền tảng cơ sở cho các chương tiếp theo

Chương 3:Dung lượng kênh UWB

Chương 3 sẽ nghiên cứu sự phụ thuộc của dung lượng kênh UWB-MIMO với số anten phát và anten thu trong các trường hợp: SIMO, MISO và MIMO

Do trình độ bản thân và thời gian có hạn, đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những hạn chế và sai sót, kính mong các thầy cô và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Cô giáo Thạc sỹ Phạm Thị Thúy Hiền và các thầy cô

giáo trong bộ môn Vô tuyến đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án Em cũng cảm ơn những người bạn đã quan tâm, giúp đỡ em trong

suốt thời gian qua và hi vọng sẽ tiếp tục nhận được những tình cảm quý báu đó trong

cuộc sống và công tác sau này Cuối cùng, em xin gửi lời tri ân đến bố mẹ, anh trai và

bạn gái em, những người đã luôn bên cạnh động viên, tiếp thêm sức mạnh cho em giúp

em hoàn thành tốt công việc của mình

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2010

Sinh viên Nguyễn Hải Đức

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB-MIMO

1.1 Giới thiệu

Truyền thông không dây tốc độ cao, đang rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng LAN không dây (WLAN) và trong các ứng dụng video/thoại (các luồng thoại/video) truyền hình phân giải cao HDTV Hiện nay, WLAN cung cấp tốc độ tối đa lên đến 54 Mb/s và hướng tới 600 Mb/s trong tương lai gần (IEEE 802.11n WLAN) IEEE 802.15.3c sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu rất lớn (lên đến 2 Gb/s) cho những ứng dụng truy nhập Internet tốc độ cao, download nội dung (video theo yêu cầu, HDTV, rạp hát trong nhà…), các dịch vụ thời gian thực và kênh dữ liệu không dây thay thế cáp Tốc độ dữ liệu tùy chọn có thể lên đến 3 Gb/s, tuy nhiên, để đạt được tốc độ hơn 50 Mb/s, cần sử dụng các kỹ thuật như nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO) và ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) Để đạt được tốc độ 1 Gb/s, các kỹ thuật nâng cao cần được sử dụng và công nghệ siêu băng tần (UWB) kết hợp với MIMO có thể là giải pháp

Như chúng ta đã biết, hệ thống UWB có băng tần khổng lồ từ 3,1 đến 10,6 GHz tại

Mỹ và Châu Á, ít nhất từ 6,0 đến 8,5 GHz tại Châu Âu Điều này mang lại tiềm năng lớn cho việc cải thiện tốc độ truyền dẫn theo thuyết của Shannon Tuy nhiên, quy định chặt chẽ của Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) ở Mỹ và Ủy ban Châu Âu (EC) đã hạn chế khá nhiều mật độ phổ công suất và tốc độ truyền dẫn dữ liệu của tín hiệu UWB Việc kết hợp các kỹ thuật MIMO vào UWB đưa ra giải pháp hợp lý cho vấn đề nghẽn cổ chai do hạn chế về mặt công suất Ví dụ, nếu sử dụng mã không gian thời gian (STC), công suất truyền một ký hiệu cụ thể sẽ tăng lên, trong khi công suất tổng vẫn tương đương với hệ thống anten đơn lẻ, nhờ đó thỏa mãn quy định của FCC Nếu

kỹ thuật tạo dạng búp được triển khai, công suất của tín hiệu theo hướng xác định sẽ tăng lên và có thể vượt qua mặt nạ phổ công suất, trong khi công suất theo các hướng khác vẫn được giữ nguyên

Một số người có thể sẽ thắc mắc tại sao cần phải kết hợp hệ thống UWB với công nghệ MIMO, vì bản thân UWB đã có thể đem lại độ phân tập cao nhờ đặc tính đa đường của mình Câu trả lời rất đơn giản, do yêu cầu tốc độ và chất lượng truyền thông ngày càng cao của người sử dụng, hơn thế nữa, theo định luật tốc độ dữ liệu của Edholm, tốc độ dữ liệu trong nhà lên tới vài Gb/s sẽ trở thành hiện thực trong thời gian tới Mặc dù UWB cung cấp độ phân tập cao trong miền thời gian và băng thông rất lớn, hệ thống UWB đơn thuần sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa Vì vậy, nếu dung lượng kênh của hệ thống UWB tỷ lệ thuận với số anten phát/thu thì tốc độ dữ liệu có thể tăng một cách đáng kể bằng cách kết hợp UWB và MIMO Ngay cả khi tốc độ dữ

liệu thấp, sự cân bằng giữa băng thông và số lượng anten cũng tạo điều kiện tốt cho việc thiết kế anten và bộ khuyếch đại, điều vẫn đang là thách thức lớn với hệ thống UWB

1.2 Tổng quan về hệ thống UWB

1.2.1 Định nghĩa hệ thống UWB

UWB là hệ thống vô tuyến có băng thông 10 dB (fHf )L thấp nhất là 500 MHz và băng thông phân đoạn (fHf ) [(fL Hf ) / 2]L đạt ít nhất 20% Hệ thống vô tuyến UWB có thể hoạt động cùng lúc với các hệ thống vô tuyến băng rộng và băng hẹp khác, do đó mật độ phổ công suất (PSD) bị giới hạn rất chặt chẽ bởi các tổ chức liên quan Tại Mỹ, các thiết bị UWB có thể hoạt động trong khoảng từ 3,1 đến 10,6 GHz dưới mặt nạ phổ xác định

Hình 1.1 Mặt nạ phổ của FCC cho các ứng dụng trong nhà của UWB

Chú ý rằng, các mức phát xạ EIRP được sử dụng tại các ứng dụng UWB khác nhau, nhưng hầu hết đều hoạt động ở mức -41,3 dBm/MHz (trong khoảng từ 3,1 đến 10,6 GHz) Tại Châu Âu, một băng tần rộng hơn (từ 1,6 đến 10,6 GHz) có thể sử dụng, nhưng quy định về mặt nạ phổ lại chặt chẽ hơn nhiều so với tại Mỹ Tại Châu Á, một

số mặt nạ phổ đã được đề xuất, nhưng vẫn chưa đạt được kết luận cuối cùng

Hình 1.2 Mặt nạ phổ của Châu Âu cho các ứng dụng trong nhà của UWB

Có 2 cách tiếp cận để triển khai hệ thống, cách thứ nhất là dựa trên xung vô tuyến (IR), một chuỗi xung (mỗi xung khoảng vài ps) được sử dụng để mang thông tin, chuỗi xung này sẽ được truyền trực tiếp qua anten mà không cần bất kỳ sóng mang nào Cách thứ hai là sử dụng nhiều băng tần, dữ liệu được ghép vào các băng tần con trong một khoảng hoặc toàn bộ băng tần (3,1; 10,6) GHz với mỗi băng con có băng thông

528 MHz Trong mỗi băng con, kỹ thuật OFDM được sử dụng để truyền dữ liệu

Hiện nay, việc lựa chọn kỹ thuật nào sẽ chiếm lĩnh thị trường vẫn gây ra rất nhiều tranh cãi do những ưu, khuyết điểm của 2 kỹ thuật này Tuy nhiên, công nghệ UWB dựa trên IR đang dần tìm được chỗ đứng trong các ứng dụng mạng không dây trong nhà Do vậy, bài luận văn của em sẽ chỉ tập trung vào hệ thống UWB-IR

Dạng sóng thường được dùng cho xung đơn trong hệ thống UWB-IR là 2 xung đầu tiên của xung đơn Gaussian, được định nghĩa như sau:

2

p

t(t) t exp 2

1

 và 2 là 2 hằng số biểu thị công suất (hoặc biên độ) đỉnh của xung 1và 2

Hình 1.3 Xung đơn cơ bản cho hệ thống xung UWB (p=0,1225 ns)

Dữ liệu có thể được nhúng vào cả biên độ hoặc một vị trí trong chuỗi xung UWB để truyền đi, mang lại điều chế biên độ xung (PAM) và điều chế vị trí xung (PPM) Có 2

kỹ thuật được sử dụng cho đa truy nhập truy nhập tới kênh UWB là: trải phổ nhảy thời gian (THSS) và trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Do công suất truyền khá thấp, mỗi bit thông tin trong hệ thống UWB-IR thường được trải thành nhiều vòng đơn để đạt được

độ khuếch đại xử lý tại phía thu

Với phương thức THSS, điều chế dữ liệu được biểu diễn bởi:

Giả sử Tf N Tc c với N là số chip phát đi trong thời gian một khung,c TTcvà

1.2.2 Ƣu điểm của công nghệ UWB

Việc sử dụng xung có thời gian cực ngắn trong UWB tạo ra rất nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông băng hẹp Các ưu điểm của công nghệ UWB bao gồm:

1.2.2.1 Khả năng chia sẻ phổ tần

Yêu cầu công suất của FCC là -41,3dBm/MHz, tương đương 75 nW/MHz với hệ thống UWB Sự hạn chế công suất cho phép hệ thống UWB ở dưới ngưỡng nhiễu bề mặt của máy thu băng hẹp điển hình, và cho phép tín hiệu UWB cùng tồn tại mà ít (hoặc không) gây nhiễu lên các dịch vụ vô tuyến hiện hành

1.2.2.2 Dung lượng kênh lớn

Một trong những ưu điểm của hệ thống UWB là dung lượng kênh tăng đáng kể (do UWB sở hữu băng thông rất rộng) Dung lượng kênh của hệ thống UWB được thể hiện rất rõ trong công thức dung lượng kênh của Hartley-Shannon:

2

log (1 )

CB SNR (1.5)

Từ công thức (1.5), ta có thể thấy dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng thông

B, do đó, việc sở hữu băng thông vài Gb/s và tốc độ dữ liệu 1 Gb/s là hoàn toàn có thể

Hình 1.4 Sự tồn tại đồng thời của tín hiệu UWB với tín hiệu băng hẹp và băng rộng trong phổ

vô tuyến

đạt được Tuy nhiên, do sự hạn chế công suất của FCC, tốc độ trên chỉ đạt được trong

phạm vi 10 m, điều này khiến UWB trở thành giải pháp hoàn hảo cho các ứng dụng không dây tốc độ cao, phạm vi hẹp (như WPAN)

1.2.2.3 Khả năng làm việc với tỷ số SNR thấp

Công thức Hartley-Shannon cho dung lượng tối đa cũng chỉ ra rằng: dung lượng kênh chỉ phụ thuộc SNR theo hàm logarit Do vậy, hệ thống truyền thông UWB vẫn hiệu quả trong môi trường khắt khe có tỷ số SNR thấp và vẫn cung cấp dung lượng kênh lớn nhờ đặc tính băng rộng của mình

1.2.2.4 Khả năng bị chặn và bị phát hiện thấp

Do công suất phát trung bình thấp, hệ thống truyền thông UWB có khả năng tránh

bị phát hiện và ngăn chặn, với tính năng này, người nghe trộm phải ở rất gần nguồn phát (khoảng 1m) mới có thể dò được thông tin truyền đi Thêm vào đó, xung UWB được điều chế trong miền thời gian với mã duy nhất cho từng cặp máy phát/thu Việc

mã hóa theo miền thời gian của các xung cực ngắn làm tăng tính bảo mật cho hệ thống UWB (việc dò các xung ps khi không biết thời điểm xung đến là điều không thể) Khả năng bị chặn và phát hiện thấp (LPI/LPD) là đặc tính rất hứa hẹn cho các ứng dụng quân sự

1.2.2.5 Khả năng chống tắc nghẽn

Không giống phổ tần số băng hẹp, phổ UWB bao phủ một khoảng tần số rất lớn, cung cấp độ khuếch đại xử lý (PG) cao Độ khuếch đại xử lý được đo bởi khả năng chống tắc nghẽn của hệ thống và được định nghĩa bằng tỷ số của băng thông vô tuyến với băng thông của tín hiệu:

RFBand PG

InfoBand

Phân tập tần số gây ra bởi độ khuếch đại xử lý cao giúp tín hiệu UWB tránh được tắc nghẽn vô tình hoặc cố ý, vì tắc nghẽn không thể xảy ra trong tất cả tần số trong phổ tần UWB tại cùng một thời điểm Do đó, nếu một vài tần số bị tắc nghẽn, vẫn còn một khoảng tần số rất rộng không bị ảnh hưởng Tuy nghiên, khả năng chống tắc nghẽn của UWB chỉ có thể so sánh với các hệ thống băng rộng và băng hẹp khác, hiệu năng của

hệ thống vẫn có thể suy giảm tùy thuộc vào mô hình điều chế, nhiễu giao thoa băng

hẹp từ các máy phát vô tuyến cùng làm việc trong dải tần số của máy thu UWB

1.2.2.6 Hiệu suất kênh đa đường cao

Hiện tượng đa đường là đặc tính tất yếu trong truyền thông không dây, nó được tạo

ra bởi sự phản xạ của tín hiệu phát tại các bề mặt trên đường đi của tín hiệu Tín hiệu được truyền thẳng giữa máy phát và máy thu gọi là LOS, tín hiệu phản xạ từ các bề mặt gọi là NLOS

Hình 1.5 Các hiện tượng và ảnh hưởng của đa đường

(a) Hiện tượng đa đường trong kết nối không dây (b) Ảnh hưởng đa đường lên tín hiệu băng hẹp (c) Ảnh hưởng đa đường lên xung UWB

1.2.2.7 Khả năng đâm xuyên cao

Không giống các hệ thống băng hẹp, hệ thống UWB có khả năng đâm xuyên hiệu quả với các vật liệu khác nhau Tần số thấp trong phổ tần của UWB có bước sóng dài, cho phép tín hiệu UWB có thể xuyên qua nhiều vật liệu, kể cả các bức tường Đặc tính này giúp công nghệ UWB được sử dụng trong truyền thông xuyên tường và ra đa xuyên mặt đất Tuy nhiên, khả năng đâm xuyên vật liệu của tín hiệu UWB chỉ hiệu quả khi chúng được sử dụng ở phần tần số thấp của phổ tần số vô tuyến

1.2.2.8 Kiến trúc bộ thu phát đơn giản

UWB là hệ thống truyền dẫn không sử dụng sóng mang, nghĩa là dữ liệu không được điều chế thành dạng sóng liên tục với tần số sóng mang xác định như trong kỹ thuật băng rộng và băng hẹp Việc truyền dẫn không sử dụng sóng mang yêu cầu ít thành phần vô tuyến hơn, do vậy, kiến trúc bộ thu phát của UWB đơn giản và tốn ít chi phí triển khai hơn Hình 1.6 cho thấy kiến trúc bộ thu phát UWB đơn giản hơn nhiều

so với bộ thu phát của hệ thống băng hẹp Việc truyền dẫn các xung công suất thấp sẽ giảm yêu cầu về bộ khuếch đại công suất tại máy phát UWB Thêm đó, do hệ thống UWB không sử dụng sóng mang, nên các bộ trộn và bộ dao động nội để chuyển tần số sóng mang sang dải tần yêu cầu là không cần thiết, vì vậy cũng không cần bước khôi phục sóng mang tại máy thu

Hình 1.6 Kiến trúc bộ thu phát hệ thống không dây

(a) Kiến trúc bộ thu phát băng hẹp điển hình (b) Ví dụ của kiến trúc thu phát UWB

độ thấp (LDR) có thể hoạt động cùng nhau UWB có thể xác định vị trí một cách chính xác nhờ xung hẹp trong miền thời gian, tuy nhiên, mỗi thiết bị trong mạng phải “lắng nghe” các thiết bị khác để xác định vị trí từ việc ước lượng trễ hoặc góc tới của tín hiệu Những đặc tính này, cùng với xung công suất thấp của UWB tạo ra rất nhiều thách thức cho việc thiết kế môi trường truy nhập (MAC)

Do công suất thấp, hệ thống UWB chỉ phù hợp với các ứng dụng tốc độ cao trong phạm vi hẹp hoặc tốc độ thấp cho các ứng dụng tầm trung

Bảng 1.1 Các tính năng của UWB so sánh với các chuẩn IEEE khác

250 Kbps

ra các thiết bị UWB chi phí thấp nghĩa là cần có giải pháp để thiết bị có thể cùng tồn tại hoặc tương tác với các thiết bị UWB có dung lượng khác nhau, giới hạn độ phức tạp của các thiết bị tốc độ thấp là một yêu cầu rất đơn giản Những thiết bị tốc độ cao

có độ phức tạp cao sẽ yêu cầu những giải pháp tinh vi hơn rất nhiều

1.3 Tổng quan về kỹ thuật MIMO

1.3.1 Giới thiệu

MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát, thu để cải thiện khả năng truyền thông

Kỹ thuật MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hóa…) nhằm nâng

cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu, tăng khoảng cách kết nối mà không cần tăng

băng thông hoặc công suất phát Nhờ khả năng tối ưu trong việc sử dụng băng thông,

tốc độ dữ liệu cao, ổn định với kênh pha-đinh phát, MIMO hiện là một phần quan

trọng trong các chuẩn truyền thông không dây như IEEE 802.11n (Wifi), 4G, 3GPP

LTE, WiMAX và HSPA+

MIMO có thể chia thành 3 loại: tiền mã hóa, ghép không gian và mã hóa phân tập

- Kỹ thuật tiền mã hóa:

Hiểu theo nghĩa hẹp là kỹ thuật tạo dạng búp sóng nhiều lớp hay quá trình xử lý

không gian ở phía phát Trong kỹ thuật tạo dạng búp, mỗi anten sẽ cùng phát một tín

hiệu với các pha tương ứng (và đôi khi) tăng dần để đạt công suất tín hiệu cực đại tại

đầu vào bộ thu Ưu điểm của kỹ thuật tạo dạng búp là tăng độ khuếch đại tín hiệu thu

được, bằng cách gom những tín hiệu được phát từ các anten khác nhau và giảm ảnh

hưởng của pha-đinh đa đường Khi phía thu gồm nhiều anten, kỹ thuật tạo dạng búp

không thể liên tục khuếch đại mức tín hiệu tại tất cả các anten thu, vì thế cần sử dụng

kỹ thuật tiền mã hóa nhiều luồng Kỹ thuật tiền mã hóa chỉ sử dụng được khi biết

thông tin trạng thái kênh (CSI) tại máy phát

- Ghép không gian:

Trong kỹ thuật ghép không gian, tín hiệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng

tốc độ thấp hơn, mỗi luồng được phát bởi những anten khác nhau trong cùng một kênh

tần số Nếu những tín hiệu này đến anten của máy thu một cách đầy đủ với những ký

hiệu không gian khác nhau, máy thu có thể chia những luồng này thành các kênh (gần

như) song song Ghép không gian là một kỹ thuật tối ưu cho khả năng tăng dung lượng

kênh với tỷ số SNR cao hơn Số luồng không gian tối đa sẽ ít hơn số anten ở phía phát

hoặc phía thu Kỹ thuật ghép không gian có thể hoạt động mà không cần thông tin về

kênh phát và có thể được sử dụng để truyền tải liên tục đến nhiều bộ thu (SDMA - đa

truy nhập phân chia theo không gian)

- Kỹ thuật mã hóa phân tập:

Kỹ thuật này được sử dụng khi không có dữ liệu kênh tại phía phát Trong kỹ thuật

phân tập, chỉ một luồng tín hiệu (khác với nhiều luồng trong ghép không gian) được

phát, nhưng tín hiệu được mã hóa bằng kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian Tín hiệu

được phát từ mỗi anten phát với phương thức mã hóa vuông góc Mã hóa phân tập sử

dụng các pha-đinh độc lập của các anten kết nối để nâng cao khả năng phân tập tín

hiệu Do không sử dụng thông tin kênh, mã hóa phân tập sẽ không có kỹ thuật tạo

dạng búp hay khuếch đại mạng

Kỹ thuật ghép không gian có thể kết hợp với kỹ thuật tiền mã hóa khi phía phát đã

biết thông tin kênh hoặc kết hợp với mã hóa phân tập khi cân bằng độ tin cậy giải mã

1.3.2 Nguyên lý MIMO

Để thấy được lợi ích của việc sử dụng MIMO, ta sẽ so sánh tỷ SNR hoặc độ khuếch

đại dung lượng kênh của kỹ thuật MIMO với SISO của các hệ thống không dây băng

hẹp kênh tần số phẳng

Giả sử công suất phát ở 2 hệ thống là bằng nhau, NT và NR là số anten phát và thu

tương ứng

1.3.2.1 Trường hợp một anten phát, nhiều anten thu - SIMO

Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được cho bởi:

Y (t)h X(t)N (t) (1.7) Với: i1, , NR

X(t) và Y (t) lần lượt là tín hiệu phát đi và tín hiệu thu được i

với kỳ vọng bằng 0 và phương sai tương ứng là 2

h

 và

i

2 h

 Coi X(t) , h , h, i N (t) và iN(t) độc lập với nhau từng đôi một

Nếu máy phát không biết CSI, ta có thể kết hợp tín hiệu thu với độ khuếch đại bằng

R i

Với SNR là tỷ số SNR tại phía phát Từ phương trình (1.10) ta có thể thấy tỷ số T

SNR không tăng khi máy thu không biết CSI

Mặt khác, nếu biết CSI, máy thu có thể kết hợp các tín hiệu thu được bằng cách sử

i R

1 i 1

i 1 h

i 1

h X(t) h X(t)SNR

Từ phương trình trên, ta thấy tỷ số SNR có thể tăng N lần (tỷ số SNR của SIMO R

gấp (NR 1) lần so với SISO) bằng cách sử dụng bộ kết hợp tỷ lệ tối đa nếu máy thu

biết thông tin trạng thái kênh và tất cả kết nối của SIMO đều có công suất pha-đinh

như kết nối của SISO

1.3.2.2 Trường hợp nhiều anten phát, một anten thu - MISO

Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được cho bởi:

T i

h

i 1

T T

SNRN

 

Tương tự như trường hợp SIMO, tỷ số SNR nhận được cũng không được khuếch

đại khi không biết thông tin trạng thái kênh tại máy phát

Mặt khác, khi biết CSI, máy phát có thể xử lý trước tín hiệu phát cho mỗi anten phát

nhờ đó tăng tỷ số SNR nhận được Giả sử tín hiệu phát cho mỗi anten phát có trọng số

được tính bởi kênh pha-đinh của chính nó:

T i

* i

N 2h

i 1

1Y(t) h h X (t) N(t)

Nếu tất cả các kết nối đều có công suất pha-đinh như trong hệ thống SISO, có thể

thấy tỷ số SNR thu được trong MISO sẽ gấp đôi so với trường hợp SISO (chú ý rằng

tốc độ ký hiệu của hệ thống MISO gấp NT so với hệ thống SISO)

T i

i T

Ta thấy kết quả này tương tự như trường hợp SIMO, tỷ số SNR tăng NT lần bằng

cách sử dụng kỹ thuật tiền xử lý nếu biết thông tin trạng thái kênh tại máy phát và tất

cả các kết nối trong hệ thống MISO có cùng công suất pha-đinh như các kết nối trong

SISO

1.3.2.3 Trường hợp nhiều anten phát, nhiều anten thu - MIMO

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 (NRN )T chiều

N(t) là tạp âm máy phát NR chiều

Giả sử cả máy phát và máy thu đều biết thông tin trạng thái kênh H, tín hiệu phát và

tín hiệu thu trước và sau khi xử lý sẽ được biểu diễn bởi công thức:

_(t) * (t), _(t) * (t)

X V X Y U Y (1.21) Với X_(t)và (t)

TR

N độc lập và mỗi kênh đều có cùng băng thông Nếu sử dụng phương pháp ghép

không gian, tốc độ truyền dẫn dữ liệu có 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 có thể tăng NTR lần so với kênh SISO, do dung lượng được xác

định bởi định thức của ma trận I + HH*

Từ những nghiên cứu trên, chúng ta có thể thấy kỹ thuật MIMO có thể khuếch đại

hiệu năng hệ thống một cách đáng kể so với hệ thống SISO

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 có thể được sử dụng để phân tập, chống lại pha-đinh kênh

vô tuyến Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽ có độ

tương quan thấp Để đạt được điều đó thì khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn

(phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau (phân tập phân

cực)

- Nhiều anten phát/thu có thể được sử dụng để “định hình” cho búp sóng anten

tổng (búp sóng phía phát và búp sóng phía thu) theo một cách nào đó Ví dụ, tối đa hóa

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 sóng này có thể dựa trên cả độ tương quan cao hoặc thấp

giữa các anten

- Độ khả dụng của đa anten phát và thu có thể được sử dụng để tạo ra nhiều kênh

truyền song song thông qua giao diện vô tuyến Điều này mang lại khả năng tận dụng

băng thông mà không cần giảm thông tin với cùng công suất Nói cách khác là khả

năng cho tốc độ dữ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ Ta

gọi đây là kỹ thuật ghép kênh không gian

1.4 Hệ thống UWB-MIMO

UWB và MIMO là hai công nghệ chủ chốt cho truyền thông không dây tốc độ cao

trong tương lai Hệ thống MIMO có thể được chia thành 3 loại chính:

- Ghép không gian

- Phân tập không gian

- Tạo dạng búp

Trong khi kỹ thuật tạo dạng búp cần có các mặt sóng tương để giảm nhiễu giao thoa

và tăng độ rộng vùng phủ, mô hình mã hóa không gian thời gian hay ghép không gian

đòi hỏi môi trường phân tán để cải thiện chất lượng kết nối hoặc tăng tốc độ dữ liệu

Trong khi đó, hệ thống truyền thông UWB được phân loại dựa theo phương thức điều

chế:

- Xung vô tuyến hiệu chỉnh trong miền thời gian (máy thu rake)

- Truyền dẫn sóng mang đơn hiệu chỉnh trong miền tần số (SC-FDE)

- Truyền dẫn đa sóng mang với phương thức mã hóa tương ứng

Xung vô tuyến được coi là cách tiếp cận cổ điển của UWB, mô hình đa sóng mang

đem lại rất nhiều lợi ích cho các ứng dụng nhờ khả năng cấu hình linh hoạt của chúng

Ngược lại, mô hình sóng mang đơn với sự hiệu chỉnh trong miền tần số lại không thu

hút nhiều sự chú ý trong truyền thông UWB Chú ý rằng, hệ thống không dây UWB

chủ yếu nhắm tới tốc độ dữ liệu cao cho truyền thông 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 có vẻ trùng nhau, do cả 2 đều hướng tới

tốc độ dữ liệu cao, nhưng cũng có vài điểm khác biệt Do đó, 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

vô tuyến hay hệ thống đa sóng mang sử dụng ghép không gian …

1.4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống UWB-MIMO

Do UWB-MIMO có thể được hiểu là sự phụ thuộc về băng thông của hệ thống

MIMO thông 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 không gian

Có rất ít nghiên cứu về kỹ thuật ghép không 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 toàn bộ băng thông, 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 thông của Edholm trở thành hiện thực trong 10

năm tới, hệ thống UWB-MIMO được kỳ vọng có 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

thông không 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 không gian

Mô hình STC của UWB mang đến độ khuếch đại phân tập bằng cách sử dụng phân

tập không gian, đồng thời cân bằng sự dao động của các điểm lấy mẫu với mức độ

nhất định Trường điện từ không 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 mô phỏng

đã chứng minh rằng, độ phân tập của hệ thống UWB nhiều anten phụ thuộc vào N và T

R

N (với NT, NR tương ứng là số anten phát và số anten thu) theo giả thiết của mô

N , N và L với L là số tuyến có khả năng phân tách Do đó, 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 có của UWB Trong hệ thống UWB-SIMO, mặc dù việc tăng công suất

(khuếch đại mạng) đã được đề cập, nghiên cứu về sự phụ thuộc của băng thông vẫn rất

hạn chế

1.4.1.3 Kỹ thuật tạo dạng búp

Hệ thống UWB cho môi trường truyền thông trong nhà được miêu tả như một môi

trường đa đường dày đặc Đầu tiên, số lượng lớn các tuyến có vẻ giới hạn thuật toán

tạo dạng búp sóng thông thường Ngay cả khi búp sóng chính lái tới hướng đến của tín

hiệu mong muốn, tất cả các tuyến khác đều có thể gây nhiễu, do đó, độ khuếch đại

mạng sẽ không đủ lớn để tách tín hiệu thành công Tuy nhiên, có 2 lý do để làm sáng

tỏ vấn đề này:

- Một loạt các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, trong môi trường trong nhà các tuyến

xuất hiện theo xu hướng hình thành cụm cũng có nghĩa là tín hiệu phát tới từ các

hướng xác định Dựa trên điểm này, một số kỹ thuật tạo búp sóng theo cụm thu hút rất

nhiều nghiên cứu, nơi độ rộng búp sóng chính phù hợp độ rộng cụm để gom đủ năng

lượng thích hợp, trong khi các cụm không mong muốn sẽ bị triệt tiêu nhờ độ khuếch

đại mạng Bằng cách này, không 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 đôi Do xung UWB có thời gian rất ngắn, thời gian di chuyển

trong mạng, độ khuếch đại thông thường sẽ được nhân đôi 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 môi

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 công 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 có

thể đạt 6 dB) mỗi khi gấp đôi lượng anten, nhờ đó tăng độ rộng vùng phủ Về nguyên

lý, khuếch đại phân tập có 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 thông, độ khuếch đại phân tập có 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, có 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 mô hình Nakagami điển hình

Ngoài ra, xung UWB có khoảng thời gian rất ngắn sẽ cho độ phân giải cao và cung cấp

hàng chục kết nối đối với môi trường trong nhà Khả năng phân tán này khiến các mô

hình ghép không gian trong hệ thống UWB đầy hứa hẹn bởi tín hiệu từ các điểm khác

nhau có thể được phân phân tách nhờ những kí hiệu không gian riêng biệt

- Khả năng loại bỏ nhiễu

Kỹ thuật tạo dạng búp, không chỉ tăng độ rộng vùng phủ, còn giúp giảm nhiễu bằng

cách ngăn các tạp âm không 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 Ngoài ra, môi 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 thông 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 công suất thấp Hơn thế nữa, với mô hình đa sóng mang, biến

đổi Fourier (FFT) tiêu tốn rất nhiều tài nguyên phần cứng và băng thông do có rất

nhiều sóng mang con Về điểm này, sự kết hợp giữa MIMO và UWB có thể cung cấp

một giải pháp kỹ thuật thay thế cho hệ thống UWB anten đơn với băng thông được

tăng gấp đôi Việc tách đôi băng thông trong khi vẫn giữa nguyên tốc độ truyền dẫn,

độ khuếch đại gần nhân đôi, và băng thông anten giảm đi một nửa sẽ làm giảm gánh

nặng công nghệ Hơn thế nữa, phần cứng xử lý tín hiệu cũng trở nên ít tốn kém hơn, ví

dụ, giả sử có P sóng mang con, khi đó 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 đó, khác với các hệ

thống băng hẹp (hệ thống MIMO chỉ hiệu quả khi công suất phổ đạt giới hạn), MIMO

sẽ mang lại rất nhiều thuận lợi cho việc thiết kế kỹ thuật của hệ thống UWB

CHƯƠNG II MÔ 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 có thể được phân tách riêng biệt

Dựa vào điều này, mô hình kênh UWB về cơ bản sẽ khác biệt so với các truyền thông

băng hẹp khác Trong chương này, một số mô hình kênh UWB thông dụng sẽ được

đưa ra, từ đó đặt nền tảng cho các phần sau

2.2 Mô hình kênh SISO

2.2.1 Mô hình tổn hao đường truyền phạm vi rộng

Nếu sóng điện từ băng hẹp truyền lan trong mô trường tự do, tổn hao đường truyền

được tính bởi tỷ số giữa công suất phát và công suất thu:

2

4( ,d f c) f d c

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 môi trường truyền lan thực tế,

mô hình tổn hao đường truyền được biểu diễn bởi công thức :

4( ,d f c) f d c

L là tổn hao trung bình cho khoảng cách d và tần số trung tâm f c

Nếu  2 là môi trường không gian tự do, với các môi trường truyền lan khác như

các tòa nhà văn phòng đến khu vực đô thị,  thay đổi trong khoảng (1,6; 6,5)

Mô hình mở rộng của công thức (2.2) có thể được biểu diễn như sau:

( , )d f  f( )f d( )d

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 có 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:

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 có thể tính toán 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 công suất phát của tín hiệu Giả sử  2, công suất phát được phân

phối trong khoảng tần số f ,fL H, ví dụ PSD cho tín hiệu phát là:

phương trình tổn hao (2.2) Khi đó, công suất thu được tại khoảng cách d là:

( )4

1

H L

Hệ số mũ của fH phải thỏa mãn k  2 khi  không 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 công suất của nó 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( ; , )

Với fc fLfH 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 công suất phát không được phân phối đều trong khoảng tần số sử dụng, tổn hao

đường truyền sẽ phụ thuộc vào mật độ công suất phổ của tín hiệu UWB

2.2.2 Mô hình pha-đinh phạm vi hẹp

Mô hình kênh UWB đơn giản nhất miêu tả pha-đinh phạm vi hẹp là mô hình đường

trễ phân nhánh ngẫu nhiên STDL:

1

L l l



     (2.11) Với: h(t) là đáp ứng xung

 là giá trị của l Hệ số l thường được mô hình hóa trong phân phối

Nakagami hoặc phân phối loga chuẩn

- Trong phân phối Nakagami, hàm mật độ xác suất của l được cho bởi:

10 2 2

10log ( )

20 ln(10)

22

l l

l l

Biến l nhận giá trị +1 và -1 với xác suất bằng nhau thể hiện sự nghịch đảo tín hiệu

do phản xạ

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, công suất của pha-đinh biên độ giảm theo hàm

mũ với trễ dư thừa, do đó, một mô hình đơn giản cho l được đưa ra:

1

l l

   (2.15) Với:  là hằng số có giá trị nằm trong khoảng (0,91; 0,98) và được xác định bởi mô

hình tùy chọn

Đặc trưng của mô hình STDL là khả năng nắm bắt việc chọn lọc tần số của các

kênh UWB, nhưng lại không phản ánh được tính năng hình thành cụm Vì thế, khi

phân tích hiện tượng tạo cụm, người ta thường sử dụng mô hình S-V Trong mô hình

này, các tuyến đến sẽ phân thành 2 loại: cụm đến và tia đến trong một cụm Đáp ứng

xung của mô hình S-V được miêu tả như sau:

   , giá trị 1 /C nằm trong khoảng 10-50 ns trong khi 1 /R biến thiên trong

khoảng 0,5 ns (với môi trường NLOS) đến hơn 5 ns (trong môi trường LOS) Giả sử

 và R lần lượt là hằng số thời gian phân rã cụm và hằng số thời gian phân rã

tia với  trong khoảng 10-30 ns còn  trong khoảng 1-60 ns

Mô hình (2.16) đã được chấp nhận trong các chuẩn WPAN tốc độ cao (IEEE

802.15.3a) và WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4a) Một số mô hình kênh UWB

chuẩn (CM1, CM2, CM3, CM4) đã được chấp nhận trong IEEE 802.15.3a và được sử

dụng rộng rãi trong các nghiên cứu mô phỏng

- CM1 miêu tả mô hình LOS trong phạm vi hẹp giữa máy phát và máy thu (nhỏ

hơn 4 m)

- CM2 miêu tả mô hình NLOS trong phạm vi hẹp giữa máy phát và máy thu

- CM3 miêu tả mô hình NLOS với phạm vi rộng giữa máy phát và máy thu

khoảng 4-10m

- CM4 miêu tả mô hình NLOS với phạm vi trên 10m hoặc trễ RMS ~ 25ns

Tất cả những mô hình trên đều dành cho môi trường trong nhà Bảng 2.1 đưa ra các

tham số chính của các mô hình trên:

Bảng 2.1 Các tham số của mô hình CM1, CM2, CM3, CM4

NLOS

>10 m hoặc trễ RMS ~ 25ns

Mô hình mở rộng của (2.14) là mô hình xét số lượng cụm (K) như một biến ngẫu

nhiên, K được xét như biến ngẫu nhiên phân phối Poisson với hàm mật độ xác suất:

exp( )( )

!

k K

2.3 Mô hình kênh UWB-MIMO

2.3.1 Mô hình chung

Trong hệ thống UWB-MIMO, mô hình kênh được biểu diễn bởi ma trận đáp ứng

xung Giả sử có N anten phát và T NR anten thu, ma trận đáp ứng xung của hệ thống

có dạng NRNT Nếu NT anten phát đặt cạnh nhau và NR anten thu đặt cạnh nhau,