Kỹ thuật tạo búp cho sóng milimet

ỜI MỞ ẦU Trong những năm gần đây sự ra đời của kỹ thuật Massive MIMO 2006 đã tạo nên bước đột phá trong truyền tin vô tuyến thế hệ thứ 5 ở chỗ bên cạnh chiều thời gian và chiều tần số đã

I HỌ QUỐ GI H I TRƯỜ G I HỌ G GH

H I - 2018

ệ Kỹ thuật iện tử, Truyền thông

u ỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60520208

UẬ V TH S CÔNG NGH KỸ THUẬT I N TỬ, TRUYỀN THÔNG

GƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊ H H VŨ

H I - 2018

ỜI M O

Tôi xin cam đoan:

Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trịnh Anh Vũ

Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những mô hình, kết quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”

Hà nội, Ngày tháng 05 năm 2018

Người cam đoan

ỜI ẢM Ơ

Đầu tiên, cho phép em được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trịnh Anh Vũ

Thầy là người luôn theo sát em trong quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn

để hoàn thành luận văn này

Tiếp đến, em xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã và đang giảng dạy tại trường Khoa Điện từ - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng người của mình

Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ em trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp Cảm ơn đề tài Nghiên cứu QG.18.39 của Đại học Quôc gia Hà nội

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 7

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 - SÓNG MILIMET VÀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN 9

1.1 Tính chất sóng milimet 9

1.2 Đặc điểm hệ thống Massive MIMO 13

1.3 Tạo búp vớisóng milimet 16

CHƯƠNG 2 – ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN VÀ KỸ THUẬT TẠO BÚP TRÊN SÓNG MILIMET 21

2.1 Mô hình hệ thống MIMO: 21

2.2 Thiết kế hệ thống toàn số (Full Digital Beam Forming) 26

2.3 Thiết kế hệ thống lai ghép 288

CHƯƠNG 3 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 34

3.1 Các tham số mô phỏng 344

3.2 Khảo sát số luồng truyền song song giữa BS và MS 35

3.3 Khảo sát thay đổi số anten BS và số anten MS 366

3.4 So sánh pp dùng hệ thống quét búp và hệ thống đề nghị dùng DOA 366

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

D H MỤ Á HÌ H VẼ, Ồ THỊ

Hình 1.1 Kết quả của các phép đo xác suất suy hao được dự đoán bởi phương trình Friis 10 Hình 1.2 So sánh suy giảm đường truyền giữa sóng centimet và milimet 11

Hình 1.4 Mô hình truyền nhận với 3 ăng ten trên trạm và 2 thuê bao 10

Hình 2.4 Sơ đồ phối hợp hệ thống Massive MIMO với hệ thống sóng Milimet 33 Hình 3.1 Kết quả mô phỏng so sánh Phân bố CDF của tốc độ tổng trong các trường hợp 35 Hình 3.2 Kết quả mô phỏng thay đổi số anten BS và số anten MS 36 Hình 3.3 Kết quả mô phỏng với K=1 M=2, NMS = 10, NBS = 30 37 Hình 3.4 Kết quả mô phỏng với K=1 M=3, NMS = 20, NBS = 20 37

D H MỤ THUẬT GỮ VIẾT TẮT

CDF: Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy

FDD: Frequency Division Duplex Phân chia song công theo tần số Full Digital Beam Forming Hệ thống toàn số

LS: Least Square Bình phương nhỏ nhất

LOS: Light of sight Hướng nhìn thẳng

MIMO: Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Massive MIMO MIMO tập hợp lớn

mmWave: milimet Wave Sóng milimet

ML: Maximum Likelyhood Khả năng tối đa

MMSE: Mimimum mean square error Trung bình bình phương lỗi tối thiểu MS: Mobile Station Máy di động

OFDM: Orthogonal Frequency Division

ỜI MỞ ẦU

Trong những năm gần đây sự ra đời của kỹ thuật Massive MIMO (2006) đã tạo nên bước đột phá trong truyền tin vô tuyến thế hệ thứ 5 ở chỗ bên cạnh chiều thời gian

và chiều tần số đã sử dụng thêm chiều không gian khi tạo nên những búp sóng ảo riêng

rẽ kết nối đến từng người dùng Kỹ thật này đem lại hiệu quả phổ cũng như hiệu quả năng lượng gấp nhiều lần so với công nghệ trước đó do trạm cơ sở sử dụng rất nhiều anten

Tuy nhiên Massive MIMO vẫn có hạn chế là hoạt động trong dải tần số centimet (≤6GHz) nên băng thông mỗi kênh liên lạc hạn chế (20-40MHz).Sự bùng nổ nhu cầu băng thông trong các dịch vụ truyền thông di động đã thôi thúc sự quan tâm ngày càng lớn đối với các dải tần còn chưa được sử dụng Điển hình là dải tần ứng với sóng milimet mà do đặc tính suy giảm mạnh khi truyền trong môi trường nên trong lịch sử phát triển truyền thông, dải tần này ít được quan tâm

Mở rộng lên sóng milimet hứa hẹn sẽ có băng băng tần lớn hơn (500MHz-1GHz) khi sóng mang là hàng chục GigaHz, đáp ứng nhu cầu phát triển Tuy nhiên phải khắc phục được những nhược điểm cố hữu của sóng milimet như nói ở trên là: Tầm truyền hạn chế và khả năng tán xạ thấp (so với sóng centimet) nên khó truyền vòng qua vật cản, ngoài ra việc chế tạo các linh kiện cao tần ở dải sóng milimet khá đắt tiền và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn ở dải sóng centimet

Để kết hợp 2 lợi thế giữa sóng milimet và kỹ thuật Massive MIMO cần có một

kỹ thuật tích hợp lai ghép: vừa tạo búp bằng kỹ thuật số băng cơ sở phù hợp vừa đủ với với môi trường tán xạ kém của sóng milimet để có hiệu suất phổ cao, vừa tạo búp bằng kỹ thuật tương tự ở dải tần số cao để tăng cự ly truyền và tiết kiệm năng lượng Đây chính là chủ đề mà luận văn tập trung nghiên cứu

Sau những phân tích tổng quan, phân tích cơ sở là phần mô phỏng đánh giá Luận văn cũng nêu một đề xuất khi tích hợp 2 hệ thống Massive MIMO và hệ thống sóng milimet Do thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn, không tránh khỏi những thiếu sót,

mong nhận được nhiều nhận xét góp ý của Thầy cô và các bạn

HƯƠ G 1 SÓNG MILIMET VÀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN

Chương này mô tả những đặc điểm cơ bản của sóng milimet và kỹ thuật tiên tiến đang phát triển hiện nay là hệ thống Massive MIMO như những kiến thức tổng quan, làm cơ sở cho những nghiên cứu phát triển truyền tin trên sóng milimet

1.1 Tính chất sóng milimet

1.1.1 Suy giảm mạnh

Trước tiên ta giới hạn nghiên cứu ở đây là các sóng điện tử có tần số từ 6GHz đến 60GHz ứng với bước sóng từ 50mm - 5mm Mặc dù một số thí nghiêm minh họa được thực hiện ở dải 3-30GHz, song vẫn có giá trị đặc trưng

Ta bắt đầu với phương trình truyền Friis, được đưa ra như sau: [1]

(

) [ ] (1.1) Trong đó P r là công suất thu được trong không gian lý tưởng không bị cản

trở, P t là công suất phát, G t và G r tương ứng là độ lợi của ăng ten phát và thu, R là khoảng cách giữa máy phát và máy thu được tính bằng mét, f là tần số sóng mang,

và c là tốc độ ánh sáng Dễ dàng nhận thấy công suất thu được tỷ lệ nghịch với bình

phương tần số khi độ lợi anten đẳng hướng (G t = 1, G r = 1) được sử dụng ở mỗi đầu Tuy nhiên, trong thực tế, độ lợi của ăng ten Gt và Gr được thiết kế lớn hơn với sự kết hợp được sử dụng ở cả hai đầu Khi kích thước độ mở vật lý của anten Aecố định,

độ lợi của anten cũng tỷ lệ thuận với bình phương tần số theo công thức:

do đó có thể bù đắp sự suy giảm trên đường truyền thông qua các chùm trực diện hẹp Để xác minh điều này, các phép đo đã được thực hiện trong một buồng kín sử dụng hai ăng-ten hỗ trợ với tần số tương ứng là 3 và 30 GHz như thể hiện trong Hình 1.1

Một ăng ten đơn ở tần số 3 GHz và một mảng ăng ten ở tần số 30 GHz có cùng kích thước vật lý được thiết kế cho phép đo này và được đặt trong một buồng không phản xạ ở mỗi đầu giao tiếp Theo phương trình Friis và tham số trên, các kết quả trong Hình 1.1 cho thấy lượng mất mát truyền không phụ thuộc vào tần số hoạt động khi một mảng ăng-ten cùng kích thước khẩu độ vật lý được sử dụng ở đầu thu 30GHz Ngoài ra, khi các mảng ăng ten được sử dụng ở cả hai đầu phát và đầu thu ở

2

2 4

4

f A

30 GHz, công suất nhận được đo được cao hơn 20 dB so với trường hợp đơn ăng ten ở

đã được tiến hành ở tần số 28 GHz để tạo ra dữ liệu đo lường cho môi trường đô thị phụ tại trang điện tử Samsung Electronics ở Suwon, Hàn Quốc Ngoài ra là việc đầu tư nghiên cứu các đặc tính kênh trong một môi trường đô thị dày đặc đã được thực hiện ở Manhattan, New York Tất cả các phép đo kênh này được thực hiện ở tốc độ 38 và 28 GHz thay vì 60 GHz và E-Band do nhiều yếu tố bao gồm cả tình trạng quy định khu vực và số lượng có sẵn của băng tần được cấp phép

Các kết quả nghiên cứu này cho thấy các thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất truyền của dải sóng milimet, chẳng hạn như số mũ tổn hao đường truyền, có thể tương đương với các dải tần số cổ điển nếu các anten phát và thu được sử dụng để tạo

ra búp

Ví dụ, liên kết truyền được thiết lập cho một khoảng cách lên đến 200 -300 m với

số mũ suy hao đường truyền trong khoảng từ 3,2 -4,58 cho NLOS và 1,68 -2.3 cho các môi trường LOS, thì kết quả đo tương tự trong cell truyền thống Cần lưu ý rằng số mũ mất mát dưới 2 được quan sát do sự bổ sung các đường phản xạ và trực tiếp trong hành lang hoặc đường hầm trong môi trường LoS

Hình 1.2: So sánh suy giảm đường truyền giữa sóng centimet và milimet.[4]

Các chiến dịch đo đạc để xây dựng mô hình truyền kênh sóng milimet nói trên đã chứng tỏ các dải sóng milimet có tiềm năng mạnh mẽ trở thành các băng tần ứng cử viên cho dịch vụ di động thế hệ kế tiếp Vấn đề còn lại là phát triển các công nghệ cốt lõi cơ bản thế nào để sử dụng hiệu quả dải sóng milimet trong môi trường thương mại

Ở đây các thuật toán tạo búp của sóng milimet sẽ là công cụ chủ chốt trong việc phát

và thu sóng trong môi trường di động

Nhiều vấn đề đã được đặt ra: Các ăng ten được hiệu chỉnh đúng và có độ phân cực giống nhau, nằm trong không gian không bị cản trở, không có đa đường, băng thông hẹp thì có thể giả định một giá trị duy nhất cho bước sóng mang Điều kiện lý tưởng này gần như không bao giờ đạt được trong truyền thông mặt đất thông thường,

do những chướng ngại vật, những phản xạ từ các tòa nhà, và những phản xạ quan trọng nhất từ mặt đất Trong khi việc tạo búp cần được tiến hành ở cả kênh xuôi và kênh ngược (để có thể tăng cự ly truyền đến 100-200m) lại là khả thi vì ở bước sóng milimet, bước sóng nhỏ, nên cho phép thiết bị cầm tay với nhiều anten cũng có kích thước nhỏ gọn

Bằng cách cẩn thận lựa chọn tần số sóng milimet cho truyền thông, sự mất mát trong khí quyển và suy giảm mưa có thể được bỏ qua Ví dụ, ở 28 GHz, tổn thất trong khí quyển chỉ là 0,1 dB / km (bao gồm cả hơi và oxy), trong khi độ suy giảm của mưa

khoảng 1 dB/km (mưa vừa)

1.1.2 Tán xạ kém

Bên cạnh sự suy giảm, các phép đo cho thấy sóng milimet có tính tán xạ kém với môi trường thực tế nên mô hình kênh fading như Rayleigh hay Rice là không thích

hợp Mô hình truyền sóng thích hợp là mô hình Saleh-Valenzuela [3] diễn tả bằng công thức sau:

số i,l: với i là chỉ số cụm tán xạ, l là chỉ số tia tán xạ trong cụm i;

Trong phương trình (1), chúng ta chú ý ngoài truyền qua môi trường tán xạ được tạo ra từ các cụm tán xạ , và tia tán xạ còn có thành phần nhìn thấy quan trọng

là HLOS Thiếu thành phần này kết nối trên sóng milimet có thể không đạt yêu cầu ( )( )là góc tới MS của đường xuống(đồng thời là góc phát của đường lên) và góc phát của BS tại đường xuống (cũng là góc tới của đường lên) ứng với tia

thứ l trong cụm tán xạ thứ i và ( ) là độ lợi (gain) phức liên quan đếnđường truyền( ) Với ( )với Các yếu tố ( ) và ( ) là các vectơ đáp ứng chuẩn hóa của mảng ăngten thu và phát theo các góc tương ứng của tia;

Với một mảng anten tuyến tính cách đều (ULA) với khoảng cách nửa bước sóng giữa các phần tử ăng ten thì:

là nhân tử chuẩn hóa đảm bảo rằng công suất tín hiệu thu được được tỉ lệ tuyến tính với Thành phần LOS, được biểu diễn bởi ( )( )là các góc tương ứng với liên kết LOS, có thể giả định rằng:

( )√ ( )

( ) ( ) (1.4)

Trong phương trình trên, (d) là độ dài liên kết (số đa đường), khi ( ) là một biến ngẫu nhiên cho thấy nếu một liên kết LOS tồn tại giữa máy phát và máy thu, với xác suất p thì ( ) (ví dụ tại [3])

Mặc dù sự tán xạ xảy ra ngẫu nhiên, độ gồ ghề bề mặt và sự phân tán ở các tần số milimet tạo ra sự suy giảm thêm 15-20 dB, dẫn đến có một số ít các nhóm NLoS với công suất nhỏ Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng số trung bình các cụm tán xạ NLoS trong một kênh truyền sóng ở 28 GHz ngoài trời chỉ là 2,4 Điều này có nghĩa là ma trận kênh kênh MIMO milimet có thứ hạng thấp trong không gian, vàtương ứng có cấu trúc thưa thớt trong miền góc

Hình 1.3:Mô hình tán xạ thấp với sóng milimet.[4]

Hình vẽ trên minh họa số cụm tán xạ ít và số tia tán xạ thưa đối với sóng milimet (chú ý là ở sóng milimet thì thành phần LOS truyền công suất là chủ yếu, các thành phần tán xạ chỉ bổ sung thêm)

Mô hình kênh nói trên mới chỉ thể hiện kênh MIMO ở tần số milimet giữa trạm

cơ sở với một BS Khi BS quản lý nhiều máy di động, kênh nói trên với 1 máy MS thứ k sẽ ký hiệu là Hknhư sẽ nói ở phần sau

1.2 ặc điểm hệ thống Massive MIMO

Phần này trình bày đặc điểm của hệ thống Massive MIMO để thấy rằng thực chất

hệ thống Massive MIMO là một hệ thống tạo búp số trong môi trường giàu tán xạ đối với sóng centimet nên các sóng có thể đi vòng qua vật cản Do đó búp trong Massive MIMO còn gọi là búp ảo Sau đó ta sẽ thấy tạo búp trong sóng milimet được kế thừa ra sao trong môi trường tán xạ kém đối với sóng milimet

Trước tiên ta điểm lại một số cách sử dụng hệ thống MIMO (cả đầu phát lẫn đầu thu tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để truyền dữ liệu) Có ba cách khai thác kỹ thuật MIMO là: Kỹ thuật mã không – thời gian, kỹ thuật hợp kênh không gian và kỹ thuật

mã trước

Với kỹ thuật mã không – thời gian, chuỗi tín hiệu trước khi phát được mã hóa thành ma trận từ mã theo hai chiều không gian và thời gian (Space – Time encoder) Tín hiệu sau đó được phát đi nhờ Nt anten phát, máy thu sử dụng Nr anten thu để tách

ra chuỗi dữ liệu phát Kênh tổng hợp giữa máy phát và máy thu có M đầu vào và N đầu ra được gọi là kênh MIMO Nt x Nr Các ký hiệu trong ma trận từ mã được phối hợp lặp lại tăng cường thêm bậc phân tập, ngoài phân tập thu còn có thêm bậc phân tập phát Kỹ thuật này làm tăng độ tin cậy, cải thiện lỗi bit

Ở kỹ thuật hợp kênh không gian: Dữ liệu được chia thành Nt luồng song song phát trên Nt anten Bên thu sử dụng Nr anten thu (với Nr>Nt) thu được các tín hiệu chồng chập ở bên phát Các thuật toán V-Blast cho phép tách được Nt luồng song song

ra và sau đó có thể gộp kênh làm tăng tốc độ dữ liệu tăng lên Nt lần Kỹ thuật này chỉ đảm bảo phân tập thu, độ tin cậy ít hơn so với kỹ thuật mã không – thời gian nhưng lại

có ưu điểm cung cấp tốc độ dữ liệu cao

Hệ thống Massive MIMO lại khai thác MIMO ở góc độ thứ 3 đó là kỹ thuật mã trước Kỹ thuật này khác với các kỹ thuật trên là bên phát phải luôn biết trước kênh và

do đó có thể xử lý bù kênh trước khi phát, tạo sự đơn giản tối đa cho bên thu NBSanten phát ở trạm cơ sở và K người dùng (mỗi máy đầu cuối 1 anten NBS=1) với

NBS>>K

Tóm tắt kỹ thuật dùng trong hệ Massive MIMO như sau:

- Dùng kỹ thuật TDD Số anten trạm cơ sở lớn hơn nhiều số người dùng di động với anten đơn;

- Dựa trên môi trường giầu tán xạ nên kỹ thuật là tạo búp không gian bằng kỹ thuật số, mỗi dòng dữ liệu tổ hợp (sau khi mã trước trên Baseband) cần một bộ cao tần

Hình 1.4: Mô hình truyền nhận với 3 ăng ten trên trạm và 2 thuê bao

Trạm cơ sở dùng 3 anten T1, T2, T3 quản lý 2 thuê bao di động A và B Tại thời điểm bắt đầu pha truyền dẫn các thuê bao A, B gửi pilot đến các anten của trạm cơ sở (có 2 thuê bao thì cần 2 khe thời gian cho pilot) Tiếp đến trạm cơ sở cần một khe thời gian để ước lượng ma trận kênh H dựa trên pilot và tính được ma trận nghịch đảo G của H Để đơn giản ở đây ta bỏ qua tạp âm Gause (trên thực tế cộng thêm vào tín hiệu thu)

] *

+ (1.7)

Ở đó G1, G2 là hệ số fading chậm, phụ thuộc vị trí 2 máy di động

Nhờ pilot phát trên kênh ngược, trạm cơ sở xác định được H, từ đó tính ra G=H-1rồi thực hiện mã trước dữ liệu phát ra anten T1, T2, T3:

[

] * + (1.8)

[

] Đi qua kênh tín hiệu này lại được nhân với ma trận kênh, nên cuối cùng các người dùng sẽ nhận được dữ liệu của mình: *

+ [

]

*

+

(1.9)

Vấn đề then chốt về lý thuyết tổng hệ thống Massive MIMO là khi M/K→∞, có nghĩa là số anten ở trạm cơ sở vô cùng lớn thì:

Chú ý là tổng công suất phát không phụ thuộc số anten BS

Nhận xét:

- Khi điều kiện M>>K được thỏa mãn thì K người dùng được phục vụ đồng thời trong cùng thời gian và tần số, như có K búp sóng ảo (trực giao với nhau) đi đến từng người dùng Điều này chưa từng thực hiện trong các thế hệ thông tin từ 1G-4G và điều này cũng làm cho hiệu suất phổ tăng thêm hàng chục lần

- Việc sử dụng nhiều anten ở trạm cơ sở cũng làm cho sóng chiều xuống hội tụ công suất ở các máy thu Công suất hội tụ là do cộng nhiều dòng tín hiệu (độc lập) phát đi từ nhiều anten trạm cơ sở Kỹ thuật này còn gọi là tạo búp sóng số (phân tách nhiều người dùng theo kỹ thuật búp số) Chiều lên được thu lượm từ nhiều anten nên

hiệu suất năng lượng cũng được tăng thêm nhiều lần

1.3 Tạo búp với sóng milimet

Mục này xem xét vấn đề làm sao tạo búp thích hợp với sóng milimet để truyền đi

xạ Kỹ thuật này cần dựa trên một số yêu tố đặc thù như sau:

- Do suy giảm mạnh nên bắt buộc phải tạo búp từ 2 phía Điều này là thuận lợi vì ởbước sóng nhỏ nên trên máy di động có thể bố trí nhiều anten và do vậy kênh giữa

BS và một MS thực sự là kênh MIMO với 2 đầu truyền tin đều dùng nhiều anten (khác với Massive MIMO là ở máy di động chỉ dùng 1 anten, do sóng centimet bước sóng lớn)

- Do sóng milimet không tán xạ mạnh nên không thể truyền được nhiều dòng độc lập (cho 1 máy MS), nên mã trước số cho một máy MS không cần nhiều phần tử cao tần RF nối tiếp Tất nhiên việc mã trước vẫn cần cho nhiều MS giống như ở hệ Massive MIMO, song không giống như Massive MIMO là mỗi máy MS dùng tất cả các dòng độc lập thì ở đây mỗi MS chỉ cần dùng 1 đến vài dòng dữ liệu độc lập (do tán

xạ kém của kênh milimet) còn sự cộng công suất để truyền đi xa chủ yếu dựa vào búp tương tự

Ở đây ta nhắc lại là có 2 kỹ thuật tạo búp chính là tạo búp bằng kỹ thuật số và tạo búp bằng kỹ thuật tương tự:

- Tạo búp bằng kỹ thuật số có thể thực hiện ngay ở băng cơ sở sau đó mỗi tổ hợp

số được chuyển lên tần số cao cần một bộ RF riêng rẽ Nếu mỗi anten được nối với 1

bộ RF riêng rẽ ta có bộ tạo búp toàn số (Full Digital) giống như hệ thống Massive MIMO

- Tạo búp bằng kỹ thuật tương tự thực hiện ngay trên miền tần số cao, các anten dùng chung một bộ RF thông qua các bộ dịch pha tạo búp, nên mỗi búp chỉ là công công suất của 1 tổ hợp dòng dữ liệu (từ RF)

Nói tóm lại tạo búp là kỹ thuật mà 1 anten thu nhận được sóng tổng cộng từ nhiều anten phát:

- Nếu các dòng tổng cộng từ các anten phát là các dòng dữ liệu độc lập (mỗi anten phát gắn với bộ cao tần độc lập RF) ta có búp số

- Nếu các dòng tổng cộng là không độc lập (mỗi anten phát chỉ gắn với một bộ

RF có sai khác về pha) ta có búp tương tự

Minh họa hệ thống như hình dưới đây:

Hình 1.5: Búp số và búp tương tự.[2]

- Nếu tập trung hết cho việc tạo búp tương tự (nhiều anten dùng chung bộ RF, chỉ kết hợp với các bộ dịch pha đơn gian) thì mặc dù sẽ tăng cự ly liên lạc tốt song

không tận dụng hết khả năng tán xạ (mặc dù thấp) của kênh sóng milimet Vì búp tương tự không thực hiện hợp kênh các dòng dữ liệu độc lập

- Nếu tập trung hết cho tạo búp số (mỗi anten có bộ RF riêng rẽ) sẽ không cần thiết, vì hạng ma trận kênh MIMO ở sóng milimet thấp, đồng thời số bộ RF cao dẫn đến giá thành lớn (ở sóng milimet, giá thành RF cao hơn nhiều so với sóng centimet),

- Do đó giải pháp hợp lý là giải pháp tạo búp lai: Kết hợp thêm bộ tạo búp số tại băng cơ sở kết nối với một số ít chuỗi RF (dùng cho một MS) ở phía trước bộ tạo búp tương tự sẽ vừa đảm bảo tận dụng hết khả năng hợp kênh không gian của kênh truyền thực tế vừa tiết kiệm số bộ RF và vẫn đảm bảo tập trung truyềnnăng lượng đi xa

Hình 1.6: Mô hình tạo búp lai.[2]

MIMO dùng sóng milimet trên thực tế là một nhiệm vụ phức tạp Nó không chỉ

có giá thành đắt mà còn tiêu tốn năng lượng.Một chuỗi tần số radio (RF), bao gồm các

bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, các bộ chuyển đổi DAC (digital-analog converter) có độ phân giải cao Điều này sẽ dẫn đến chi phí phần cứng và tiêu thụ năng lượng khắt khe trong hệ thống MIMO sóng milimet với các mảng ăngten lớn vì mức tiêu thụ năng lượng của chuỗi RF cao Ví dụ, tiêu thụ năng lượng của mỗi chuỗi RF tại tần số sóng milimet (30-300 GHz) là khoảng 250 mW, lớn hơn nhiều so với 30 mW ở chuỗi RF với sóng centimet (tần số nhỏ hơn-6 GHz), do tần số cao và băng thông rộng của sóng milimet Nếu chúng ta thiết kế trạm cơ sở (BS) với 256 ăng ten trên sóng milimet thì các chuỗi RF tương ứng sẽ tiêu thụ 64 Watts, cao hơn nhiều so với năng lượng tiêu thụ của trạm BS thế hệ 4G cho micro cell hiện tại (chỉ một vài Watts) Đây là vấn đề khó khăn đối với hệ thống MIMOsóng milimet

Do đó giải pháp thế kế hệ thống tạo búp lai ghép (số và tương tự) để đạt lời giải gần tối ưu là vấn đề quan trọng trong hệ thống tạo búp trên tần số milimet

Minh họa hệ thống như hình dưới đây:

Hình 1.7: Sơ đồ khối của kiến trúc chùm tia lai [1]

Hình trên mô tả hệ thống giữa BS và một MS Khi có nhiều MS sẽ có nhiều nửa bên phải hơn

Dữ liệu ban đầu từ trạm cở sở (gồm nhiều luồng cho nhiều MS, mỗi MS có thể

có nhiều luồng con) được mã trước Song chuyển sang búp tương tự cho 1 MS chi có một vài luồng (ứng với năng lực tán xạ của sóng milimet) kết nối với chuỗi cao tần

RF, sau đóchuyển ra các anten với các trọng số để tạo ra búp tương tự

Cụ thể, hình thể hiện trạm cơ sở với anten truyền dòng dữ liệu cho 1 MS với ăng-ten Máy phát được trang bị số chuỗi cao tần sao cho ≤ ≤ Còn ở phía MS được giả định hỗ trợ chuỗi cao tần với ≤ ≤ Ở đây, số lượng luồng dữ liệu được giả định là giới hạn bởi số chuỗi cao tần được hỗ trợ ở máy phát và máy thu hay ≤ min ( , ) và bởi chính độ tán xạ kém của kênh truyền Bên phát sử dụng ma trận P ( × )để mã trước trên miền Baseband, sau đó là ma trận trọng số W( ) để điều khiển búp tương tự trên tần số RF Ở đây, trọng số chùm RF có thể được thực hiện bằng cách sử dụng VGAs (thay đổi cả biên độ và dịch pha) trước khi kết nối với các ăng ten, trong khi trọng số của BaseBand là được xử lý trong lĩnh vực kỹ thuật số như đối với việc thực hiện MIMO thông thường

Để thiết lập kênh truyền ban đầu giữa BS và các MS,phải tạo búp tương tự (trên sóng milimet) và dùng búp này quét dò tìm để bắt tay kết nối 2 chiều Mỗi bước dò của búp từ BS, các MS lại thực hiện quét búp lên để ghi ra các giá trị SNR Kết quả là

ta có một ma trận độ lợi kênh giữa BS và một MS Giá trị SNR lớn nhất trong ma tận kênh này cho ta hướng “bắt tay” kết nối giữa BS và một MS

Sau khi “bắt tay” giữa các búp 2 chiều (của BS với các MS) mới có thể gửi pilot ước lượng kênh để xác định ma trận kênh truyền H Chú ý là kênh giữa BS và một MS

là kênh MIMO điểm điểm thực sự nên pilot phải gửi cả 2 chiều

Với qui trình như trên có thể có user không được kết nạp do bị vật che cản làm chogiá trị SNR không đủ để liên lạc được

Với ký hiệu như trên phương trình truyền dữ liệu đến nơi thu có mã trước P, trọng số búp tương tự W qua kênh MIMO H có thể viết là:

(1.11)

Ở đây, y là vecto( ) tín hiệu thu, H là một kênh ma trận có thể được phân tích theo mô hình kênh đa kênh SCM s là vecto ( ) dữ liệu phát và n là vecto ( )tạp âm có tính chất ( ) Tại máy thu, tín hiệu được xử lý tương ứng là:

̃ (1.12)

Trong đó, V là ma trận( ) trọng số từ chuỗi RF bên MS, B là ma trận( ) kết hợp mã trước baseband bên MS Đối với trường hợp truyền dẫn đơn (với một MS), việc thiết kế bộ giải điều chế là để tối đa hoá tốc độ dữ liệu tương đương vớicực đạiSNR (trong công thức Shannon) trong bài toán:

‖ ‖ (1.13)

Ở đây, là ma trận kênhhiệu dụng, được định nghĩa Để thiết

kế hiệu quả, các trọng số ở cả hai máy phát và thu phải được xác định từ các giá trị ước lượng kênh thông qua việc trao đổi tín hiệu Pilot

≤6GHz)