CHUONG 3 HIỆU SUẤT MỨC LIÊN KẾT CỦA WIMAX
3.1 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MỨC LIÊN KẾT
Như đã thảo luận ở trên, các mô phỏng mức liên kết được sử dụng để nghiên cứu hành vi của một liên kết truyền thông đơn dưới các điều kiện kênh thay đổi. Những kết quả này có thể được sử dụng để phán xét lợi ích tiềm năng của của nhiều đặc tính PHY, như lược đồ hoán vị sóng phụ, kiến trúc bộ thu và các kỹ thuật đa ăng ten trong các điều kiện tần số của sóng vô tuyến.
Các kết quả mức liên kết thể hiện trong thuật ngữ BER và BLER. Đôi khi, chúng ta còn sử dụng số lượng trung bình các phát đi yêu cầu cho mỗi khối PEC: ví dụ, để hiểu được lợi ích của của kỹ thuật lai ARQ. Cho các kết quả ở đây, chúng ta chỉ xem xét các người dùng đơn qua một kênh phụ duy nhất.
Hình 3.1a Bộ mô phỏng mức liên kết trong bộ phát
Hình 3.1b Bộ mô phỏng mức liên kết trong bộ thu
Bộ phát chịu trách nhiệm cho tất cả xử lý miền tương tự và miền số của tín hiệu trước khi được gửi đi qua kênh không dây: mã hóa kênh, bản đồ ký hiệu, mã hóa không/thời gian. Khi vòng lặp đóng MIMO được sử dụng, bộ phát áp dụng tiền một ma trận tiền mã hóa tuyến tính và/hoặc một ma trân chọn ăng ten nếu được. Để tạo ra tín hiệu trong miền tần số, bộ phát ánh xạ các tín hiệu dữ liệu và các tín hiệu hướng dẫn cho mỗi kênh phụ vào các sóng phụ OFDM trong lược độ hoán vị sóng phụ và chỉ mục kênh phụ. Sau đó tín hiệu miền thời gian được tạo ra bằng cách lấy biến đối Fourier rời rạc nghịch đảo của tín hiệu miền tần số, sau đó qua bộ lọc hình dạng xung để thể hiện một miền tương tự của tín hiệu. Bộ lọc hình dạng xung điển hình mẫu hóa tín hiệu theo tỷ lệ 4-16 để mô hình tín hiệu trong miền tương tự. Bộ phát còn chọn nhiều tham số truyền như chùm điểm mô đun, tỷ lệ mã, số lượng các luồng song song, hạng của ma trận tiền mã hóa, và chỉ số kênh phụ, dựa trên các phản hồi từ bộ thu. Các lỗi phản hồi không được mô hình hóa trong các mô phỏng mức liên kết ở đây.
Trong chương này, bộ thu có hai chức năng chính: ước lượng tín hiệu nhận được và cung cấp các phản hồi cho phép bộ phát đáp ứng định dạng truyền theo các điều kiện kênh. Tại bộ thu, tín hiệu miền tương tự từ kênh sẽ được chuyển đổi thành thể hiện miền số, sử dụng bộ lọc hình dạng xung. Bộ thu sử dụng bộ lọc khớp với bộ lọc hình dạng xung của bộ phát để thực hiện sự chuyển đổi. Sau đó, tín hiệu miền thời gian được chuyển đổi sang tín hiệu miền tần số sử dụng biến đổi Fourier rời rạc, để ánh xạ vào nhiều kênh phụ, dựa trên lược đồ hoán vị kênh phụ. Để nghịch đảo hiệu ứng của kênh, bộ thu đầu tiên phải thiết lập một ước lượng ma trận kênh MIMO. Những tín hiệu hướng dẫn dành riêng sau đó được sử dụng cho theo dõi, cập nhật kênh MIMO qua các ký hiệu OFDM liên tục. Tiếp theo, các kênh MIMO được ước lượng và tín hiệu nhận được được cung cung cấp cho bộ thu MIMO để phát triển các ước lượng khả năng mềm của tín hiệu. Các ước lượng khả năng mềm được sử dụng bởi các bộ giải mã kênh để tính toán ước lượng chính xác của tín hiệu truyền tới. Trong trường hợp mã chập, thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA) tạo ra quyết định cứng. Trong trường hợp mã Tubor, thuật toán MAX LogMAP tạo ra quyết định cứng. Các bít quyết định cứng tại bộ thu được so sánh với các bit được truyền để phát triển các thông số BER và BLER. Bộ thu cũng tính hiệu quả SNR cho mỗi kênh phụ và cung cấp thông
tin cho bộ phát, sử dụng kênh CQICH 6 bit. Chu kỳ của phản hồi có thể thay đổi dựa trên mở rộng Doppler của kênh. Khi MIMO vòng lặp đóng được sử dụng, bộ thu cũng sử dụng kênh CQICH cho kênh phản hồi nhanh để cung cấp phản hồi cần thiết cho MIMO vòng lặp đóng.
Một thành phần rất quan trọng của các giả lập mức liên kết ở WiMAX là kênh pha đinh đa đường truyền MIMO. Trong mục đích của các kết quả giả lập mức liên kết thể hiện ở đây là hiệu ứng của pha đinh đa đường truyền và giao thoa tế bào/vùng khác thêm vào. Giao thoa tế bào khác trong các giả lập mức liên kết được mô hình như là AWGN được lọc.
Pha đinh đa đường truyền giữa mỗi cặp ăng ten truyền và nhận được mô hình như là một đường trễ. Tín hiệu nhận được ở ăn ten nhận thứ I có thể viết là
′𝑖(𝑡) = ∑ ∑ ℎ𝑖, 𝑘(𝑡)𝑥𝑘(𝑡 − 𝜏𝑙,𝑘) + 𝑧𝑖(𝑡), (3.1)
𝐿𝑘
𝑙=1 𝑁𝑡
𝑘=1
Trong đó k là chỉ số ăng ten truyền, Nt là tổng số các ăng ten truyền, xk(t) là tín hiệu được truyền từ ăng ten thứ k ở thời gian t, và zi(t) là giao thoa tế bào khác. Thêm nữa, l là chỉ số dda đường truyền, 𝜏𝑙,𝑘 là độ trễ của đường truyền thứ l liên hệ với đường truyền đến đầu tiên từ ăng ten thứ k, và Lk là tổng số lượng các thành phần đa đường truyền được nhìn thấy từ ăng ten thứ k.
Cho kết quả mô phỏng thể hiện trong chương này, chúng ta mô hình hóa kênh giữa một cặp ăng ten truyền và nhận như một kênh đa đường truyền SISO. Tốc độ đi bộ ITU và các mô tả kênh đa đường truyền phương tiện giao thông được sử dụng bởi vì chúng là thể hiện tốt của môi trường di động trong đô thị và ngoại ô. Mô hình kênh không gian (SCM) phát triển bởi 3GPP là một đại diện tốt của kênh đa đường truyền MIMO trong môi trường di động.
Trong chương này, dù sao, các kết quả mức liên kết cho SCM không được giới thiệu khi hầu hết các hiệu suất mức hệ thống và mức liên kết của công nghệ không dây có sức cạnh tranh như 1x EV-DO hay HSDPA, là có sẵn trong cách mô hình ITU. Vì vậy, các mô hình kênh ITU cung cấp điểm dữ liệu tốt hơn cho phân tích so sánh trong các công nghệ không dây.
Các mô hình kênh ITU, không như SCM, không mô hình hóa bất kỳ tương quan nào giữa dạng sóng pha đinh nào theo ăng ten truyền vào nhận,
những mô hình này đã được phát triển chủ yếu để mô hình các kênh SISO.
Bởi vì khoảng cách giữa nhiều phần tử ăng ten ở bộ phát và bộ thu là vài chiều dài sóng, trong một kênh không dây với một giới hạn các điểm dạng sóng pha đinh dọc theo các phần tử ăng ten được mong muốn là tương quan.
Để kết hợp các hiệu ứng của sự tương quan này, chúng ta đầu tiên tạo ra kênh đa đường truyền MIMO giữa nhiều cặp ăng ten truyền và nhận một cách độc lập, mà không tương quan. Sau đó sự tương quan sẽ được thêm vào, sử dụng các ma trận Qt và Qr cho truyền và nhận tương ứng
𝐻𝑙𝑡 = 𝑄𝑟𝐻𝑙′𝑄𝑡𝐻 𝑄𝑟𝑄𝑟𝐻 = 𝑅𝑟 (3.2)
𝑄𝑡𝑄𝑡𝐻 = 𝑅𝑡
Trong đó Hl(t) và H’(t) là ma trận kênh MIMO tương quan và không tương quan cho đường truyền thứ l tương ứng với thời gian t. Các ma trận tương quan không gian Rt và Rr bắt liên hệ giữa kênh dọc theo nhiều ăng ten truyền và nhận. Khi mô hình điểm góc của kênh không dây không được bắt một cách rõ ràng bởi các kênh ITU, chúng ta giả thiết rằng tương quan không gian là một hàm số mũ của khoảng cách. Vì vậy, cho một mảng tuyến tính cách phần tử ăng ten với khoảng cách bằng nhau, Rt và Rr có thể mô tả như là hàm của 𝜌𝑡 và 𝜌𝑟 sự liên hệ giữa hai ăng ten gần nhau ở đầu cuối truyền và nhận , tương ứng.
𝑅𝑡 = [
1 𝜌𝑡 𝜌𝑡2 𝜌𝑡3 𝜌𝑡 1 𝜌𝑡 𝜌𝑡2 𝜌𝑡2 𝜌𝑡 1 𝜌𝑡 𝜌𝑡3 𝜌𝑡2 𝜌𝑡 1 ]
𝑅𝑟 = [
1 𝜌𝑟 𝜌𝑟2 𝜌𝑟3 𝜌𝑟 1 𝜌𝑟 𝜌𝑟2 𝜌𝑟2 𝜌𝑟 1 𝜌𝑟 𝜌𝑟3 𝜌𝑟2 𝜌𝑟 1 ]
(3.3)
Các ma trận màu sắc Qr và Qt có thể nhận được bằng cách thừa số hóa Choleski của ma trận tương quang Rt và Rr tương ứng. Bảng 11.1 thể hiện nhiều tham số và giả thiết cho các kết quả mô phỏng mức liên kết.