Chương 1 trình bày các khái niệm về quy hoạch tần số và dung lượng hệ thống cho hệ thông tin di động thế hệ mới, sau đó giới thiệu về bóng che Lognormal (mô hình truyền sóng quy mô lớn). Sau đó nêu lên các nguyên lý cơ bản của truyền dẫn đa sóng mang trực giao (OFDM) và của hệ thống dùng nhiều anten (MIMO). Chương này cũng đề cập tới đa truy cập theo không gian (SDMA) và cuối cùng là anten thông minh cho OFDM. Chương 2, có nhiều phương pháp tạo búp sóng anten để phục vụ các mục đích khác nhau.
Chương này trước tiên trình bày các sơ đồ xử lý phần tử búp sóng, tiếp theo là giới thiệu các sơ đồ xử lý không gian búp sóng (các sơ đồ này cho phép tạo búp sóng anten hướng về một mục tiêu cố định và có thể đặt các hướng không cho các nguồn nhiễu, hoặc tối đa mức SNR (tín trên tạp) đầu ra của dàn anten). Sau đó nêu lên anten thích nghi, băng rộng và băng hẹp cùng với các thuật toán thích nghi như steepest descent, LMS (điều khiển búp sóng trong trường hợp này để cho mục tiêu di động). Cuối cùng đưa ra dàn anten mảng pha để sử dụng ở trạm gốc. Để hệ xử lý tín hiệu anten đơn giản và anten có khả năng thích nghi với mục tiêu di động nên phương pháp quay búp sóng thích nghi dùng dàn anten mảng pha ở trạm gốc là lựa chọn thích hợp.
Chương 3 sẽ trình bày tuần tự các thuật toán tìm hướng như MLE, MUSIC và ESPRIT. Thuật toán MLE, bài toán tìm hướng được giải theo quan điểm xác suất thống kê thuần túy. Thuật toán MUSIC, bài toán tìm hướng được giải trên quan điểm các không gian phụ và trình bày chi tiết với các công thức đánh giá độ chính xác của hướng đến dự đoán. Thuật toán ESPRIT lợi dụng cấu trúc hai dàn anten phụ để tính hướng sóng đến một cách 17 trực tiếp.
Tiếp theo, giới thiệu các khái niệm về anten không tâm pha. Sau đó phân tích dàn anten không tâm pha với đặc tính pha phi tuyến. Trọng tâm của chương đề cập khả năng sử dụng dàn anten không tâm pha kết hợp với thuật toán MUSIC để tìm hướng sóng đến. Cuối chương là một số mô phỏng đánh giá chất lượng của dàn anten không tâm pha dùng thuật toán MUSIC.
Chương 4 sẽ giới thiệu anten thông minh ở trạm gốc tiếp đến anten thông minh của người dùng trên cơ sở đó tính toán dung lượng hệ thông tin di động với 4 hệ thống cụ thể sau đây: hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM (hệ thống 1); hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và tạo búp sóng thích nghi theo hướng người dùng (hệ thống 2); hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và MIMO 2x2 (hệ thống 3); hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM, MIMO 2x2 và tạo búp sóng thích nghi (hệ thống 4). Chương này tập trung mô phỏng dung lượng đường lên và xuống hệ thống 2. Cuối chương có nhận xét các kết quả mô phỏng. Cuối cùng của luận án là phần kết luận và đề nghị.
18 CHƢƠNG 1 MỘT SỐ KỸ THUẬT CHO HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI Chương này trước tiên trình bày các khái niệm về quy hoạch tần số và dung lượng hệ thống cho hệ thông tin di động thế hệ mới, sau đó giới thiệu về bóng che Lognormal (mô hình truyền sóng quy mô lớn). Tiếp theo nêu lên các nguyên lý cơ bản của truyền dẫn đa sóng mang trực giao (OFDM) và của hệ thống dùng nhiều anten (MIMO). Chương này cũng đề cập tới đa truy cập theo không gian (SDMA) và cuối cùng là anten thông minh cho OFDM.1 Quy hoạch tần số và dung lƣợng hệ thống Đối với hệ thông tin di động thế hệ mới được hiểu là các thế hệ sau thế hệ thứ 3, cấu trúc tế bào hình tổ ong (hình lục giác đều) vẫn được áp dụng. Mẫu tái sử dụng tần số ký hiệu là.
Trong đó, hệ số thứ nhất, , gọi là hệ số sử dụng lại tần số trong tế bào hay số lượng tập tần số được dùng trong một tế bào. Hệ số thứ hai, , chỉ số séc-tơ trong một tế bào. Hệ số thứ ba, , là hệ số sử dụng lại tần số liên tế bào hay số lượng tập tần số sử dụng giữa các tế bào. Luận án lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số 3x3x1 (Hình 1.1) bởi vì dung lượng của nó cao hơn so với các mô hình khác (1x1x1, 1x3x3, 3x1x1, 3x3x1, 3x3x3) [30].
Theo [20] đối với một kênh có công suất phát trung bình Pav , băng thông B hữu hạn, tạp âm phân bố Gauss với trung bình không và công suất 2 , thì dung năng kênh C chuẩn hóa biểu diễn như sau: 19 1 3 1 2 1 3 3 2 1 2 3 1 2 1 3 3 2 1 2 3 2 Hình 1.1 Mẫu tái sử dụng tần số 3x3x1 với một tế bào trung tâm và lớp tế bào đầu tiên xung quanh nó.1) 2 Dung năng kênh đặt giới hạn tốc độ truyền không lỗi với công suất phát giới hạn, kênh Gauss băng giới hạn. Đối với khái niệm dung lượng hệ thông tin di động được hiểu là số người dùng lớn nhất mà hệ thống có thể phục vụ được [2], [25]. Do mạng di động có cấu trúc tế bào như trình bày ở trên, đồng thời mỗi tế bào thường chia ra ba séc-tơ (mỗi séc-tơ rộng 120o), nên dung lượng hệ thống xem như là số người dùng lớn nhất/séc-tơ mà hệ thống có thể phục vụ được. Khái niệm hiệu suất sử dụng phổ là tốc độ thông tin tối đa của một hệ thống thông tin cụ thể trên bề rộng phổ của nó.
Đơn vị của hiệu suất sử dụng phổ là bit/s/Hz.2 Bóng che Lognormal Các mô hình truyền sóng dự đoán cường độ tín hiệu trung bình với một khoảng cách lớn giữa máy phát và máy thu, rất hữu ích trong dự đoán vùng bao phủ vô tuyến của một máy phát được gọi là các mô hình truyền sóng quy mô lớn [49]. Các mô hình này đặc trưng cho sự thay đổi cường độ tín hiệu 20 trên một khoảng cách lớn giữa máy phát và máy thu (vài trăm hoặc vài nghìn mét). Thực nghiệm và lý thuyết đều chỉ ra rằng công suất tín hiệu thu trung bình giảm logarit theo khoảng cách, với cả kênh trong nhà (indoor) và ngoài nhà (outdoor). Suy giảm trung bình theo quy mô lớn đối với một khoảng cách phát thu bất kỳ được biểu diễn là một hàm của khoảng cách theo một hệ số mũ suy giảm n.2) ro r PL(dB) PL(ro ) 10n log (1.3) ro trong đó, là khoảng cách đối chiếu, là khoảng cách phát thu, là hệ số suy hao truyền sóng, cho biết tốc độ suy giảm tăng theo khoảng cách nhanh hay chậm.
Công thức có dấu ngang ở trên biểu diễn trung bình thống kê của tất cả các giá trị suy giảm đối với một khoảng cách r đã cho. Khi chúng ta vẽ trên một thang log-log, suy giảm được mô hình hóa bằng một đường thẳng với một độ dốc bằng 10n dB trên một độ chia. Giá trị n phụ thuộc vào kiểu môi trường truyền sóng cụ thể. Ví dụ như trong không gian tự do thì n = 2, còn khi có các vật cản n sẽ có một giá trị lớn hơn.
Việc lựa chọn một khoảng cách đối chiếu trong không gian tự do phù hợp với môi trường truyền sóng cũng quan trọng. Trong các hệ thống tế bào có vùng bao phủ lớn, khoảng cách đối chiếu thường là 1km. Trong các hệ thống vi tế bào thường dùng các khoảng cách nhỏ hơn như (100m; 1m). Khoảng cách đối chiếu nên nằm ở khu trường xa để các ảnh hưởng của trường gần là ít nhất.
21 Suy giảm đối chiếu được tính dùng công thức suy giảm trong không gian tự do như sau Pt Gt Gr 2 PL(dB) 10log 10log 4 2 r 2 (1.4) Pr trong đó là công suất phát, Pr là công suất thu, Gt là độ tăng ích anten phát, Gr là độ tăng ích anten thu và là bước sóng của tín hiệu.1 liệt kê các hệ số suy hao truyền sóng cụ thể trong các môi trường vô tuyến di động khác nhau (theo chương 3, tài liệu tham khảo [49] của Rappaport).1 Hệ số suy hao truyền sóng với các môi trường khác nhau Môi trƣờng Hệ số suy hao truyền sóng, n Không gian tự do 2 Đô thị 2.5 Đô thị bị bóng che 3÷5 Mô hình ở (1.2) không xét tới thực tế là môi trường xung quanh có thể rất khác nhau với cùng một khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Điều này thể hiện ở giá trị đo được rất khác với giá trị trung bình theo (1. Các phép đo chỉ ra là, tại giá trị r nào đó, suy giảm PL(r) là ngẫu nhiên và phân bố Lognormal xung quanh giá trị trung bình.6) 22 trong đó X là một biến ngẫu nhiên (theo dB) có phân bố Gauss, trung bình bằng không với phương sai, s (cũng theo dB). Giá trị điển hình s = 8dB như lựa chọn trong [42].
Phân bố Lognormal miêu tả các ảnh hưởng bóng che phát sinh ngẫu nhiên trên một số lớn những vị trí đo đạc với cùng một khoảng phân cách phát-thu, nhưng có các mức địa hình khác nhau trên đường truyền sóng. Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng bóng che Lognormal.3 Kỹ thuật OFDM OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang hay là truyền dẫn song song [44]. Trong OFDM dòng dữ liệu gốc được chia ra cho các sóng mang con, được điều chế với tốc độ thấp và truyền song song trên kênh. Trong một hệ thống OFDM, tất cả các sóng mang con được đồng bộ với nhau, giới hạn sự truyền dẫn cho các sơ đồ điều chế số.
Tất cả những sóng mang con này truyền có đồng bộ cả thời gian và tần số do đó sẽ hình thành một khối phổ đơn. Hệ thống OFDM có một số ưu điểm sau: Hiệu suất sử dụng phổ cao do cho phép xếp chồng các sóng mang con; Kháng fading lựa chọn tần số cao hơn các hệ đơn sóng mang; Loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu, ISI bằng việc dùng tiền tố lặp, CP; Bộ cân bằng kênh đơn giản hơn các hệ đơn sóng mang; Điều chế/giải điều chế dùng FFT/IFFT hiệu quả; Kháng nhiễu đồng kênh và nhiễu xung tốt. Tuy vậy, nó cũng có một số nhược điểm là: nhậy với dịch tần sóng mang và nhiễu pha hơn các hệ thống đơn sóng mang [34], [50-51]; Tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao hơn các hệ thống đơn sóng mang.