Luận văn Tách sóng MIMO-VBLAST đa người dùng

Do đặc điểm của truyền thông không dây là: Tài nguyên vốn có bị hạn chế; chất lượng truyền thộng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi phađinh ngẫu nhiên từ địa hình, thời tiết,.đặc biệt khi truyền dẫn tín hiệu băng rộng, trong khi đó nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng cũng như yêu cầu tính đa dạng, chất lượng về dịch vụ ngày càng cao. Vì vậy vấn đề khám phá tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên nhưng vẫn đảm bảo chất lượng truyền luôn là những chủ đề được quan tâm nghiên cứu triển khai. Từ lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng, ở đó đã khai thác khá triệt để tài nguyên thời gian, tần số, không gian, mã. Vấn đề giải quyết ở đây được hiểu là việc khám phá tài nguyên vốn có (tập các thông số đặc trưng, các tính chất, các nhược điểm hạn chế của môi trường truyền thông), từ đó tìm các giải pháp để khắc phục đối phó nhược điểm, đưa ra các công nghệ, giải pháp kỹ thuật để sử dụng hiệu quả tài nguyên. Các cơ chế, các công nghệ thích ứng, phân bổ (cấp phát) tài nguyên động, cơ chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR, hệ thống vô tuyến khả tri .là những minh họa điển hình cho vấn đề này. Chẳng hạn dựa vào các đặc tính kênh trong các miền được xét, người ta đưa ra một số giải pháp công nghệ điển hình nhất như: Điều chế QAM thích ứng (AQAM); Mã hóa kênh thích ứng; Cân bằng kênh thích ứng; CDMA thích ứng; Chia sẽ mã động; Anten thích ứng; MIMO thích ứng; Phân bổ tài nguyên thích ứng trong các hệ thống OFDM (trên cơ sở các đặc tính kênh trong miền tần số, phân chia tài nguyên phổ tần của môi trường truyền và đưa ra các giải thuật cấp phát kênh con và phân bổ công suất cho các người dùng); Tạo búp sóng; Ghép kênh không gian. Thích ứng cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên (tăng dung lượng) của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER cũng như việc dung hòa các tham số đối lập của hệ thống. Trong một phạm vi nhất định, thích ứng được hiểu là thay đổi các tham số đặc trưng của hệ thống theo kịch bản kênh truyền sao cho đạt được hiệu năng tốt nhất. Chẳng hạn khi xét hệ thống trong miền không gian như hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênh truyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh không gian, hay nói cách khác khi kịch bản kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng về việc chọn phân tập (nhận được ưu điểm của phân tập là cải thiện hiệu năng BER) ngược lại khi kịch bản kênh tốt hệ thống hướng về lựa chọn ghép kênh không gian (nhận được ưu điểm của ghép kênh không gian là cải thiện hiệu năng dung lượng), lấy trung bình hiệu năng dung lượng (hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần) ta nhận được dung lượng của hệ thống được tăng lên nhiều lần nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER. Cách lập luận như vậy tương tự cho các hệ thống CDMA thích ứng, OFDM thích ứng. Tất cả các hệ thống này đều đạt được hiệu năng tốt nhất hay hiệu quả sử dụng tài nguyên tốt nhất cũng như khắc phụ nhược điểm vốn có của môi trường truyền thông. Vì vậy một cách sơ bộ có thể thấy rằng, một hệ thống thông minh sẽ phải có tính thích ứng cao, và cũng là xu hướng tất yếu của các hệ thống truyền tin hiệu đại, ở đó sẽ khẳng định sự hội tụ các công nghệ phần cứng cũng như phần mềm, hội tụ các tinh túy của các giải pháp kỹ thuật. Như vậy, từ lịch sử phát triển cũng như xu thế tất yếu của các hệ thống truyền thông thế hệ mới là sử dụng hiệu quả tài nguyên, đặc biệt là thông tin vô tuyến, các giải pháp nhằm tăng dung lượng truyền dẫn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng, cũng như bài toán đảm bảo tính công bằng mềm dẻo trong việc phân bổ tài nguyên, bài toán phân bổ tài nguyên thích ứng trong mạng viễn thông và nhân tố ảnh hưởng lên vấn đề phân bổ tài nguyên. Hai kỹ thuật OFDM và MIMO được coi là kỹ thuật chủ đạo cho các hệ thống vô tuyến thế hệ sau như WIMAX và 4G: Từ quan điểm lập luận này, vấn đề có tính chất then chốt là xây dựng các giải thuật để khai thác và xử lý triệt để đặc tính kênh vô tuyến. Trong hệ thống MIMO bài toán tách tín hiệu hiệu quả ở ghép kênh không gian nhằm khai thác triệt để dung lượng vốn có của nó có tính chất quyết định. Vì vậy, đề tài “Tách sóng MIMO-VBLAST đa người dùng” sẽ tìm hiểu, nghiên và trình bày các giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống MIMO. Cụ thể là: các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống ghép kênh không gian MIMO-VBLAST với quan điểm phân tích các kỹ thuật cơ bản sau đó kết hợp (hội tụ) chúng để có được hiệu năng cao, chẳng hạn sự kết hợp của ZF, V-BLAST, MAP tạo thành giải thuật V-BLAST/ZF/MAP. Sau đó xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng cho các mô hình và giải thuật này. Đề tài sẽ xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng MIMO-V-BLAST gồm: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP; V-BLAST/LLSE/MAP. Từ quan điểm nhìn nhận mô hình ở dạng chức năng và hệ thống, các đặc tính kênh vô tuyến di động, cũng như mục tiêu của đề tài, đề tài được tổ chức và trình bày với các nội dung sau: Chương 1 đặc tính kênh vô tuyến di động và mô hình truyền sóng MIMO; Chương 2 mô hình và hiệu năng hệ thống MIMO; Chương 3 đa người dùng MIMO-VBLAST; Chương 4 giải thuật và mô phỏng tách tín hiệu trong hệ thống MIMO-VBLAST.

doc24 trang | Chia sẻ: oanhnt | Lượt xem: 1798 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Tách sóng MIMO-VBLAST đa người dùng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chương 1 ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN SÓNG MIMO 1.1. MỞ ĐẦU Để có được các mô hình, giải thuật thích ứng tối ưu cho các mô hình tối ưu và thích ứng nhằm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến, thì việc nghiên cứu kênh vô tuyến và rút ra các đặc tính, các thông số đặc trưng của kênh vô tuyến là vô cùng quan trọng, nó được ví như là bánh mì và bơ đối với các nhà nghiên cứu, các nhà thiết kế hệ thống truyền thông không dây. Kết quả ta có được tập các tham số đặc trưng cho môi trường truyền thông. Trên cơ sở đó, thiết kế hệ thống truyền thống sao cho: tối ưư hóa chiếm dụng tài nguyên, tối ưu hóa các tham số hữu ích đồng thời giảm thiểu các tham số ảnh hưởng chất lượng. Sau đó ta đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông theo tập các tiêu chí hay thông số cụ thể. Các quá trình này không diễn ra độc lập mà có quan hệ khá mật thiết theo quy lật của nhận thức nhất định. Dẫn đến bài toán thiết kế tối ưu hệ thống truyền thông đòi hỏi phải phỏng tạo các quá trình này cũng như việc đánh giá chính xác chúng. Cần phải thiết lập mô hình hệ thống truyền thông cũng như đánh giá các mô hình này một cách chính xác nhất. Tối ưu và thích ứng cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên (tăng dung lượng) của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER cũng như việc dung hòa các tham số đối lập của hệ thống như đảm bảo tính công bằng giữa các người dùng với công suất hữu hạn, chất lượng dịch vụ, điều kiện kênh truyền. Trong một phạm vi nhất định, thích ứng được hiểu là thay đổi các tham số đặc trưng của hệ thống theo kịch bản kênh truyền sao cho đạt được hiệu năng tốt nhất. Chẳng hạn khi xét hệ thống trong miền không gian như hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênh truyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh không gian, hay nói cách khác khi kịch bản kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng về việc chọn phân tập (nhận được ưu điểm của phân tập là cải thiện hiệu năng BER) ngược lại khi kịch bản kênh tốt hệ thống hướng về lựa chọn ghép kênh không gian (nhận được ưu điểm của ghép kênh không gian là cải thiện hiệu năng dung lượng), lấy trung bình hiệu năng dung lượng (hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần) ta nhận được dung lượng của hệ thống được tăng lên nhiều lần nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER. Cách lập luận như vậy tương tự cho các hệ thống CDMA thích ứng, OFDM thích ứng... Tất cả các hệ thống này đều đạt được hiệu năng tốt nhất hay hiệu quả sử dụng tài nguyên tốt nhất cũng như khắc phụ nhược điểm vốn có của môi trường truyền thông. Tuy nhiên ở đây ta mới chỉ nhìn nhận hệ thống ở góc độ từ kênh vật lý mà chưa đề cập các kênh logic. Vì vậy một cách sơ bộ có thể thấy rằng, một hệ thống thông minh sẽ phải có tính thích ứng cao và giải thuật tối ưu, và cũng là xu hướng tất yếu của các hệ thống truyền tin hiệu đại, ở đó sẽ khẳng định sự hội tụ các công nghệ phần cứng cũng như phần mềm, hội tụ các tinh túy của các giải pháp kỹ thuật. Vấn đề then chốt có ý nghĩa quyết định lên tính khả tin của hệ thống truyền thông thích ứng trong các miền (tài nguyên) được xét cho hệ thống là: (i) kênh truyền (mô phỏng kênh và thể hiện một cách chính xác nhất kịch bản kênh thực tế); (ii) thông tin trạng thái kênh CSI (ước tính và dự đoán kênh); (iii) các ngưỡng quyết định; (iv) tập các khối chức năng đặc trưng cho hệ thống cụ thể như: điều chế/giải điều chế, mã hóa/giải mã, bộ lọc, cân bằng, khuyêhc đại, mã hóa kiểm sát lỗi... chúng thuộc loại tất định. Chương này, ta tập trung vào việc mô hình hóa kênh truyền sóng nhằm lột tả hoạt động và ảnh hưởng của nó ở dạng các tham số đặc trưng. Các tham số này sẽ làm đầu vào để xây dựng mô hình và giải thuật, làm cơ sở để thiết kế các hệ thống thông minh cho các nghiên cứu của ta sau này. Như vậy, trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di động có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng không những ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn mà còn ảnh hưởng lên dung lượng hệ thống. Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cấn phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thông kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh. Các nhân tố cơ bản làm hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến là: Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách, thường trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách. Che chắn: Các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tin hiệu. Phađinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu ở dạng trải rộng chúng theo thời gian. Tùy vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến làm thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference). Nhiễu: Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung. Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" và "phađinh phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thu tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với các khoảng cách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Phađinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn (hay trên cự ly di chuyển ngắn). Phađinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường. Các kênh vô tuyến là các kênh có bản tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng tại các vị trí khác nhau. Ở dạng tổng quát kênh là hàm của ba tham số: thời gian, không gian và tần số. H×nh 1.1 TÝnh chÊt kªnh trong miÒn kh«ng gian, miÒn tÇn sè vµ miÒn thêi gian (a) (b) (c) Hình 1.1(a) kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau, đặc tính này được gọi là tính cách chọn lọc không gian (hay phân tập không gian), phađinh tương ứng được gọi là phađinh chọn lọc không gian. Hình 1.1 (b) kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau, được gọi là tính cách chọn lọc tần số (hay phân tập tần số), pha đinh tương ứng là phađinh chọn lọc tần số. Hình 1.1 (c) kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau, được gọi là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian), tương ứng là phađinh chọn lọc thời gian. Dựa trên các đặc tính trên, ta có thể phân loại phađinh kênh thành: phađinh chọn lọc không gian (phadinh phân tập không gian), phađinh chọn lọc tần số (phađinh phân tập tần số), phađinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ). Vì thế, dưới đây ta sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số. Kênh vô tuyến của hệ thống thông tin không dây thường được trình bày bằng khái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) và không trực xạ (NLOS: None Line of Sight): (i) Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp và đường truyền không bị che chắn từ máy phát đến máy thu. Đường truyền LOS đòi hỏi hầu hết vùng Fresnel không có bất kỳ vật chắn nào, nếu không thì cường độ tín hiệu sẽ bị suy giảm đáng kể. Việc xác định khoảng hở cần thiết phụ thuộc vào tần số công tác và cự ly giữa máy phát và máy thu; (ii) Trong đường truyền không trực xạ NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Vì vậy, tín hiệu tại máy thu gồm các thành phần từ: (1) đường truyền trực tiếp; (2) các đường phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Các tín hiệu này có các trải trễ, suy hao, phân cực và độ ổn định khác nhau so với tín hiệu của đường trực tiếp. Hiện tượng đa đường có thể dẫn đến thay đổi phân cực, vì thế sử dụng phân cực vuông góc cho tái sử dụng tần số như thường thấy trong các triển khai LOS có thể nguy hiểm trong các điều kiện NLOS. Để đảm bảo dịch vụ trong điều kiện NLOS, hệ thống vô tuyến phải biết cách biến các yếu điểm của truyền sóng đa đường thành lợi điểm. Điều kiện phủ sóng LOS và NLOS đều phụ thuộc vào đặc tính của môi trường, tổn hao đường truyền và quỹ đường truyền vô tuyến. Triển khai hệ thống không dây trong điều kiện NLOS có một số ưu điểm, như yêu cầu thiết kế ngặt ngèo, và hạn chế về chiều cao anten không cho phép đặt nó để đạt điều kiện LOS. Hơn nữa, khi triển khai mạng tổ ong diện rộng ta cần áp dụng tái sử dụng tần số, hạ thấp chiều cao anten để giảm nhiễu đồng kênh giữa các trạm gần nhau. Khi này, BS thường phải làm việc trong điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao anten vì có thể ảnh hưởng đến yêu cầu truyền trực tiếp giữa BS và SS. NLOS cũng cho phép giảm được việc cần thiết phải khảo sát điểm đặt trạm và tăng độ chính xác công công cụ quy hoạch. Công nghệ tiên tiến, các tính năng tăng cường trong các hệ thống không dây thế hệ mới như WiMax, HSPA.... cũng cho phép sử dụng nó cho thiết bị khách hàng đặt trong nhà. Trường hợp này cần phải giải quyết hai vấn đề: (1) khắc phục được suy hao thâm nhập tòa nhà; (2) phủ sóng cự ly xa khi công suất phát và độ lợi anten thấp. Trên cơ sở các lập luận trên để có được các thông số đặc trưng, các tính chất và phân loại kênh vô tuyến di động, thông tin trạng thái kênh CSI, chúng làm dữ liệu đầu vào cho việc xây dựng mô hình, giải thuật đặc biệt là giải thuật phân bổ tài nguyên thích ứng và lập lịch động cho các hệ thống vô tuyến, cùng với mục đích của đề tài. Chương này được tổ chức như sau: phần 1.2 Phân bố Rayleigh và Rice; phần 1.3 mô hình kênh phạm vi hẹp và phân loại phađinh phạm vi hẹp; phần 1.4. Mô hình kênh truyền sóng MIMO; phần 1.5. kết luận 1.2. PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE Phân bố Rayleigh và Rice là hai phân bố thường được sử dụng để mô tả môi trường truyền sóng NLOS, hoặc NLOS kết hợp LOS. 1.2.1. Phân bố Rayleigh Xét trường hợp chỉ một tần số fc được phát và máy di động nhận được M tín hiệu tán xạ với cùng thời gian trễ. Tín hiệu tán xạ i đến máy di động tại góc qi so với phương chuyển động của máy di động sẽ bị dịch tần Doppler như sau: (1.1) trong đó: v là vận tốc chuyển động của máy di động, c là vận tốc ánh sáng, và qi là một biến ngẫu nhiên phân bố đều có hàm mật độ xác suất như sau: (1.2) Tín hiệu của tia tán xạ thu thứ i tại máy di động được biểu diễn là: (1.3) trong đó: Ri là biên độ ngẫu nhiên của sóng thứ i, fi là pha ngẫu nhiên phân bố đều của sóng thứ i. Tần số của sóng i được biểu diễn như sau: (1.4) Khai triển lượng giác (1.3) ta được: = RIi(t)cos2pfct-RQi(t)sin2pfct (1.5) trong đó: (1.6) (1.7) Tín hiệu tổng của M tia tán xạ được biểu diễn như sau = am1(t)cos2pfct-am2(t)sin2pfct = b(t)[cos2pfct+y(t)] (1.8) trong đó (1.9) (1.10) (1.11) (1.12) a là hằng số thể hiện công suất trung bình của mi(t); mi(t) và ami(t) là các quá trình ngẫu nhiên độc lập, b(t) là quá trình ngẫu nhiên thể hiện đường bao của tín hiệu thu, y(t) là quá trình ngẫu nhiên phân bố đều có hàm mật độ xác suất như sau: (1.13) trong đó Y là biến ngẫu nhiên, y là giá trị của biến ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên y(t) Theo định lý giới hạn trung tâm, khi M đủ lớn, ta có thể coi am1(t) và am2(t) là các quá trình ngẫu nhiên Gauss không tương quan có trung bình không và phương sai s2. Khi này ta có: u= v= (1.14) trong đó u và v là giá trị của các biến ngẫu nhiên U và V của các quá trình ngẫu nhiên độc lâp phân bố Gauss có phương sai s2 và trung bình không; b là giá trị của biến ngẫu nhiên V của quá trình ngẫu nhiên b(t). Hàm mật độ xác suất liên hiệp của hai biến này được biểu diễn như sau: (1.15) Hàm mật độ xác suất liên hiệp của hai biến ngẫu nhiên V và Y của các quá trình ngẫu nhiên b(t) và y(t) được xác định bằng đổi biến như sau: (1.16) trong đó b, y là các giá trị của các biến ngẫu nhiên b(t) và y(t); J(.) là Jacobi xác định như sau: = = bcos2y + bsin2y= b (1.17) Sử dụng (1.17) ta có thể biểu diễn (1.16) như sau: (1.18) Ta có thể biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp của hai biến V và Y là tích của hàm mật độ xác suất fV và fY: (1.19) Từ (1.18), (1.19) và (1.13), ta được hàm mật độ xác suất của đường bao tín hiệu thu do ảnh hưởng tán xạ của đường truyền như sau: (1.20) Phân bố (1.20) được gọi là phân bố Rayleigh. Biểu diễn (1.8) ở dạng hàm phức sau đây: X(t) = [ m1(t)+m2(t)]ej2pfct= b(t) ejy(t)ej2pfct (1.21) (1.22) 1.2.2. Phân bố Rice Giả sử ngoài các tín hiệu tán xạ được xét ở phân bố Rayleigh, máy thu còn nhận được tín hiệu đi thẳng (LOS). Sử dụng (2.8), khi này có thể biểu diễn tín hiệu thu như sau: x(t) = A .cos2pfct + am1(t).cos2pfct - am2(t).sin2pfct (1.23) trong đó A là biên độ của tín hiệu đi thẳng. Có thể viết lại (2.22) như sau: x(t)=am'1(t)cos2pfct-am2(t)sin2pfct (1.24) trong đó m'1(t)= A/a+m1(t) (1.25) Từ (1.25) và nhận xét trong phân trước, có thể nói rằng : (1) am'1(t) là quá trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss có trung bình bằng A, phương sai s2; (2) am2(t) là quá trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss trung bình không, phương sai s2. Nếu ký hiệu: (1.26) (1.27) và tương tự như trên ta ký hiệu: (1.28) Thì nhận được: (1.29) Xét tương tự như ở phần 1.2.1 ta được hàm mật độ xác suất liên hiệp của hai biến ngẫu nhiên b và Y của hai quá trình ngẫu nhiên b(t) và y(t) như sau: (1.30) trong đó x, b là biến và giá trị ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên b(t); Y, y là biến và giá trị ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên y(t); trong trường hợp này không thể biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp là tích của hàm mật độ xác suất fx(b) và fY(y), vì tích bcosy gồm hai biến b và y phụ thuộc nhau (do các giá trị khác không của A trong các thành phần này). Để tìm hàm phân bố xác suất đường bao tín hiệu thu của biến b ta lấy tích phân cho tất cả các giá trị có thể có của y để nhận được hàm mật độ xác suất biên như sau: (1.31) Tích phân ở vế phải của (1.31) có dạng hàm Bessel cải tiến loại một bậc không sau đây: (1.32) Nếu đặt x=Ab/, thì (1.31) được viết lại như sau: (1.33) Cũng vậy, hàm mật độ xác suất pha Y, fY(y) được xác định như sau: = (1.34) trong đó: Từ các kết quả trên cho thấy: Phân bố Rayleigh là trường hợp đặc biệt của phân bố Rice, khi A=0 I0(0)=1. Thay I0(0)=1 vào (1.33) ta được phân bố Rayleigh theo (1.20). Ngoài ra khi A=0, g=0 ta được fY(y) phân bố đều theo (1.13). 1.3. MÔ HÌNH KÊNH PHA ĐINH PHẠM VI HẸP Việc xây dựng mô hình kênh là điều không thể thiếu khi nghiên cứu kênh vô tuyến. Trong phần này ta sẽ xét mô hình kênh phạm vi hẹp trong miền thời gian và miền tần số 1.3.1. Đáp ứng xung kim kênh (CIR) CIR (Channel Impulse Response) là tín hiệu đầu ra kênh khi đưa vào kênh là hàm delta d(t) như trên hình 1.2. Hình 1.2. Đáp ứng xung kim kênh. a) CIR băng thông, (b) CIR băng gốc Trong đó t-t là thời điểm xuất hiện xung kim ở đầu vào kênh, t là thời điểm quan trắc được đáp ứng xung kim ở đầu ra kênh. 1.3.2. Mô hình kênh vô tuyến di động đa đường Để mô tả kênh vô tuyến di động đa đường ta sử dụng mô hình elip của Parsons và Bajwa (hình 1.3). Tất cả các elip đều đồng tiêu cự, nghĩa là chúng có cùng các tiêu điểm Tx và Rx, trùng với vị trí của máy phát (Tx) và máy thu (Rx). Vì elip là tập hợp của các điểm có tổng khoảng cách đến các tiêu điểm bằng nhau, vì vậy cho phép sử dụng chúng để mô hình hóa các đường truyền có cùng độ dài (hay cùng độ trễ truyền sóng). Từ hình 1.3, cho thầy các đường truyền Tx-A-Rx và Tx-C-Rx có cùng độ dài, nhưng các góc tới tương ứng khác nhau, và vì thế các tần số Doppler tương ứng (do chuyển động của máy phát hoặc máy thu) cũng sẽ khác nhau. Trái lại, đường truyền Tx-A-Rx và Tx-B-Rx có độ dài khác nhau, nhưng góc tới lại bằng nhau dẫn đến tần số Doppler bằng nhau. Hình 1.3. Mô hình kênh vô tuyến đa đường theo mô hình các elip của Parsons và Bajwa Độ dài đường truyền của từng sóng sẽ xác định trễ truyền sóng và công suất trung bình của sóng tại anten thu. Mỗi sóng trong vùng tán xạ được đặc trưng bởi hình elip thứ chịu cùng một trễ truyền sóng (1.35) trong đó là trễ truyền sóng của thành phần đi thẳng (LOS), Dt là trễ truyền sóng và Ll là số đường truyền khả phân giải có trễ truyền sóng khác nhau. Để tiện, thường đặt =0 khi này được gọi là trễ trội. 1.3.3. Mô hình kênh vô tuyến di động phạm vi hẹp miền thời gian 1.3.3.1. Mô hình kênh vô tuyến di động băng hẹp miền thời gian Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) biểu diễn tín hiệu phát, y(t) biểu diễn tín hiệu thu và h(t,t) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường thay đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau: , (1.36) trong đó t là biến thời gian, t là trễ đa đường của kênh tại một giá trị t cố định. Theo (1.21), ta có thể biểu diến hàm đáp ứng xung kim kênh băng gốc như sau: , (1.37a) hay (1.37b) trong đó bl (t,t), yl (t,t), tl (t) biểu thị cho biên độ, pha và trễ đối với xung thu thứ l (đường truyền l); t biểu thị cho trễ, t biểu thị cho sự thay đổi theo thời gian của chính cấu trúc xung kim và d(.) biểu thị cho hàm Delta Dirac, L biểu thị cho số đường truyền. Thông thường thì trễ của tia đầu tiên (đường truyền ngắn nhất) được xác định t0=0, vì thế tl>0 được gọi là trễ trội và đáp ứng xung kim kênh có tính nhân quả. bl(t,tl)= a l ; a l là biên độ tương đối của đường truyền l. Trên cơ sở các phân tích trên, ta có thể lập mô hình kênh vô tuyến phađinh di động chọn lọc tần số bằng đường trễ đa nhánh như trên hình 1.5. Hình 1.5. Mô hình hóa kênh vô tuyến di động bằng trễ đa nhánh Hình 1.6 mô tả đáp ứng xung kim theo phương trình (1.36). Hình 1.6. Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian và lý lịch trễ đa đường Lưu ý rằng trong môi trường thực tế, {bl (t,t)}, {yl(t,t)}, {tl(t)} thay đổi theo thời gian. Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng l), {bl (t,t)}, {tl(t)} có thể coi là ít thay đổi. Tuy nhiên các pha {yl(t)} thay đổi ngẫu nhiên có phân bố đều trong khoảng [-p p]. 1.3.3.2. Các thông số kênh miền thời gian Tất cả các thông số kênh được được định nghĩa từ lý lịch trễ công suất (PDP: Power Delay Profile). PDP được định nghĩa bằng |h(t,t)|2. Từ (1.36) PDP được xác định như sau: (1.38) Trong các công thức dưới đây để đơn giản ta ký hiệu cho . Các thông số kênh miền thời gian được liệt kê dưới đây: 1. Công suất thu (chuẩn hóa) là tổng công suất của các đường: (1.39) 2. Thừa số Rice là tỷ số của công suất đường truyền vượt trội và công suất của các tia tán xạ, được xác định như sau: (1.40) Lưu ý rằng khi có tia đi thẳng, tia vượt trội là tia đầu tiên và là tia đi thẳng, tương ứng với =0, bl,max= b0 tại t0=0. 3. Trễ trội trung bình được xác định như sau: (1.41) 4. Trải trễ trung bình quân phương (RDS:Root Mean Squared Delay Spread), st, là môment bậc hai của PDP chuẩn hóa, được biểu diễn như sau: (1.42) trong đó , m=1,2 Vì pha của các tia không còn nữa, các thông số kênh phải hầu như không đổi trong phạm vi hẹp, với điều kiện là các đường truyền hoàn toàn phân giải. 5. Trễ trội cực đại (tại XdB) của lý lịch trễ công suất: được định nghĩa là trễ thời gian mà ở đó năng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại. 6. Thời gian nhất quán (coherence time) được xác định như sau: (1.43) trong đó là trải tần số Doppler Thời gian nhất quán xác định tính "tĩnh" của kênh. Thời gian nhất quán là thời gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh. Ta ký hiệu thời gian nhất quán là TC. Các ký hiệu truyền qua kênh trong khoảng thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng phađinh như nhau. Vì thế ta nhận được một kênh phađinh khá chậm. Các ký hiệu truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quán sẽ bị ảnh hưởng phađinh khác nhau. Khi này ta được một kênh phađinh khá nhanh. Như vậy do ảnh hưởng của phađinh nhanh, một số phần của ký hiệu sẽ chịu tác động phađinh lớn hơn các phần khác. Bằng cách ấn định giá trị cho một thông số nhất định cho hệ thống truyền dẫn, ta có thể nhận được kênh phađinh chậm thay vì kênh phađinh nhanh và nhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn. Rõ ràng rằng biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo nên mô hình kênh miền thời gian. Ta có t

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docChương 1 Đặc tính kênh vô tuyến di động và mô hình truyền sóng MIMO (OK).doc
  • docBia.doc
  • docChương 2 Mô hình kênh MIMO và hiệu năng (OK).doc
  • docChương 3 Đa người dùng MIMO-VBLAST (OK).doc
  • docChương 4 Giải thuật và chương trình mô phỏng MIMO-VBLAST(OK).doc
  • docDe Cuong MU_V_BLAST_RD2009 (note2_BAI BAO).doc
  • docKết luận.doc
  • pptMIMO_V-BLAST (Bao ve 29-12-2009)Results.ppt
  • docMo dau (MIMO-VBLAST).doc
  • docMuc luc (MIMO-VBLAST).doc
  • docTài liệu tham khảo (MIMO-VBLAST).doc
  • docThuat ngu.doc