Chương 1- CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN CHO HỆ MIMO KHÔNG DÂY Nhƣ ta đã biết, để nghiên cứu về hệ MIMO, chẳng hạn khi tính dung năng kênh của hệ, ta phải biết kênh truyền. Kênh truyền cho hệ MIMO có thể chia làm hai loại: mô hình băng hẹp và mô hình băng rộng. Để tiếp cận tới các mô hình này, ta có thể theo hai cách sau: mô hình dựa trên tính chất vật lý và mô hình không dựa trên tính chất vật lý. Mô hình dựa trên tính chất vật lý: các kênh truyền hệ MIMO đƣợc mô tả thông qua các thông số vật lý, trong khi đó mô hình không dựa trên tính chất vật lý mà dựa trên các đặc trưng thống kê của kênh MIMO thu đƣợc từ các kết quả đo đạc.1 Giới thiệu Yêu cầu về việc truyền tốc độ dữ liệu cao, trong khi kênh truyền khả dụng bị hạn chế đã kích thích chúng ta nghiên cứu các hệ thông tin không dây bằng cách khai thác tốt nhất lĩnh vực không gian.
Do giá thành, kích cỡ cũng nhƣ những giới hạn về độ phức tạp tại các thiết bị đầu cuối, dàn anten thƣờng chỉ đƣợc nghiên cứu ở các trạm gốc (điểm truy cập) để tách biệt theo không gian tín hiệu mong muốn, can nhiễu và ồn. Việc dùng phân tập không gian cả phía thu và phát có thể cải thiện thông lƣợng và vùng phủ sóng, cho phép tái sử dụng tần số ở mức cao và do đó tăng dung năng của hệ. Theo các tài liệu tham khảo [1], [2] dung năng của kênh có thể tăng đáng kể khi dùng anten mảng ở cả phía phát và thu (gọi là hệ MIMO) khi môi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 trƣờng coi là tán xạ đủ mạnh. Về mặt nhận thức mà nói, kênh MIMO có thể coi là nhiều kênh con song song trong không gian, cho phép truyền song song các dòng ký hiệu.
Vì vậy dung năng của hệ MIMO có thể tăng tuyến tính với số kênh con không gian ( là số tối thiểu phần tử anten thu và phát). Điều này đã đƣợc trình bày trong [3], trong đó kiến trúc BLAST đƣợc trình bày thông qua sơ đồ mã hoá và giải mã. Một số phép đo lƣờng để nghiên cứu dung năng kênh MIMO đã đƣợc trình bày trong [4]. Các kết quả của các công trình này cho thấy khi môi trƣờng tán xạ đủ mạnh, dung năng của hệ tiến dần đến giá trị lý tƣởng.
Điều kiện truyền, có tác dụng lớn đến dung năng của kênh của hệ MIMO. Do vậy, rất đáng qua tâm khi đặc trƣng hoá và mô hình hoá các kênh MIMO trong các điều kiện khác nhau để tiên đoán, mô phỏng, thiết kế các hệ thông tin có hiệu năng cao. Cùng với những ƣu điểm khác, việc mô phỏng kênh truyền của hệ MIMO cho phép chọn các sơ đồ điều chế khác nhau trong các phạm vi khác nhau, do vậy hiệu năng của hệ sẽ đƣợc tiên đoán tốt hơn. Có nhiều mô phỏng cho hệ SISO trong lĩnh vực mô hình hoá kênh.
Các mô hình cho các kênh vô tuyến trong nhà đã đƣợc nghiên cứu trong [6], còn các mô hình cho các kênh vô tuyến ngoài nhà có thể tìm đọc trong [7]. Tuy nhiên, việc mở rộng các kết quả này cho hệ MIMO không phải là dễ. Kích cỡ không gian bây giờ phải đƣợc đặc trƣng hoá hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp. Chúng ta sẽ xét kênh MIMO theo hai loại: mô hình dựa trên tính chất vật lý và không dựa trên tính chất vật lý.
Nhƣ nói ở trên, mô hình không dựa trên tính chất vật lý căn cứ vào các đặc trƣng thống kê của các kênh MIMO, trong khi mô hình dựa theo tính chất vật lý dùng một số thông số vật lý quan trọng, để mô tả hợp lý các đặc trƣng của kênh MIMO và môi trƣờng tán xạ xung quanh. Mô hình các kênh MIMO sẽ đƣợc xem kỹ lại dựa trên các phân loại đã nói. Tất nhiên, một số mô hình đƣợc nói kỹ, còn một số khác chỉ xét qua. Ta LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 cũng xem xét mối liên hệ giữa các mô hình kênh MIMO.
Các kết quả đo đạc cũng sẽ đƣợc trình bày để so sánh với một số mô hình đã đề nghị. Cuối cùng là một vài kết luận và gợi ý cho công việc nghiên cứu tiếp sau.2 Mô hình kênh MIMO 1.1 Mô hình dữ liệu Hình 1.1: mô tả hệ MIMO với M phần tử phát và N phần tử thu. Với kênh nói trên, mối liên hệ lối vào và lối ra băng gốc, tính theo hệ thức.1) Trong đó: s t : tín hiệu truyền y t : tín hiệu thu n t : nhiễu AWGN *: là tích chập H t : là ma trận MxN thành phần đáp ứng xung của kênh. M phần tử phát Kênh MIMO N phần tử thu Hình 1.1: Minh hoạ hệ MIMO, máy phát có M phần tử anten, máy thu có N phần tử anten LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Nếu băng thông của tín hiệu đủ hẹp, sao cho kênh có thể coi là hằng số với tần số (kênh phẳng theo tần số) mối liên hệ vào ra bây giờ đơn giản hơn.2) Trong đó H là ma trận kênh băng hẹp.
Trong nhiều trƣờng hợp, thƣờng các phần tử của ma trận kênh coi là băng hẹp MIMO phân bố đều, độc lập thống kê i.d để dễ nghiên cứu. Tuy nhiên, trong thực tế, do sự phân cách giữa các phần tử anten không đủ lớn, sự tán xạ không đủ mạnh, phading không phải luôn luôn là độc lập với nhau, điều này làm cho dung năng của kênh thấp hơn so với lý tƣởng và trƣờng hợp i. Vì vậy, khi mô hình hoá kênh phải chú ý đến điều này.2 Phân loại mô hình Việc mô hình hoá đáp ứng xung của kênh H t (cho trƣờng hợp băng rộng) hoặc ma trận kênh H (cho trƣờng hợp băng hẹp) là vấn đề nhạy cảm trong hệ thông tin MIMO, do đó rất đƣợc quan tâm trong những năm gần đây. Một số công trình báo cáo trong lĩnh vực này, và các mô hình này đƣợc phân loại theo các cách khác nhau.
- Mô hình băng rộng và mô hình băng hẹp Mô hình kênh MIMO có thể phân ra làm hai loại mô hình băng rộng và mô hình băng hẹp một cách trực tiếp khi xét tới độ rộng của kênh. Mô hình băng rộng xét kênh là chọn lọc tần số, có nghĩa là các kênh con khác nhau, có đáp ứng xung khác nhau. Ngƣợc lại, mô hình băng hẹp giả thiết kênh có phading không lọc lựa tần số, do đó đáp ứng xung các kênh con là nhƣ nhau trong toàn dải tần. - Đo trƣờng và mô hình vật tán xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Để mô hình hoá kênh MIMO, một cách tiếp cận là đo đáp ứng kênh MIMO thông qua việc đo trƣờng.
Một số đặc trƣng quan trọng của kênh MIMO có thể thu đƣợc thông qua việc nghiên cứu các số liệu đo đạc, và kênh MIMO mô hình hoá có các đặc tính tƣơng đƣơng [8], [16]. Một cách tiếp cận khác là nêu ra một mô hình (thƣờng gồm các vật tán xạ) và thử tìm các đặc trƣng của nó. Các mô hình loại này thƣờng mô tả đƣợc các đặc trƣng chủ yếu của kênh MIMO khi môi trƣờng tán xạ tạo thành là hợp lý [14]. - Mô hình không vật lý và mô hình vật lý.
Mô hình kênh hệ MIMO có thể chia là mô hình không vật lý và vật lý. Mô hình không vật lý dựa trên các đặc trƣng thống kê của kênh, dùng các thông số không vật lý. Nhìn chung các mô hình không vật lý dễ mô phỏng và cho ta các đặc trƣng kênh chính xác theo các điều kiện ta thiết lập. Tuy nhiên, chúng không cho ta hiểu sâu về đặc trƣng truyền của kênh MIMO, phụ thuộc vào thiết bị đo đạc nhƣ cấu hình và khẩu độ của anten mảng, chiều cao và đáp ứng của anten phát và thu khi đo…ảnh hƣởng của kênh truyền và thiết bị đo là khó tách biệt.
Mô hình vật lý, một loại khác, trong đó chọn ra một số thông số vật lý chủ yếu để mô tả kênh truyền MIMO. Các thông số đó là: góc tới (AOA) góc rời (AOD), thời gian đến (TOA). Tuy nhiên, trong các điều kiện khác nhau, kênh MIMO không đƣợc mô tả đầy đủ chỉ với một số lƣợng nhỏ của các thông số vật lý, và điều này gây khó khăn, thậm chí không thể, xác định tính chính xác của mô hình. Chẳng hạn [19] ta có thể thu đƣợc phân bố AOA giả do sai sót nhân tạo trong quá trình đo đạc và nhận dạng.
Dần ngƣời ta đã có gắng tách biệt kênh truyền và thiết bị đo (đáp ứng anten, cấu hình…) nhờ đó có thể ngoại suy ra các điều kiện khác, nhƣng mô hình luôn chứa một vài cái gì đó chƣa thuyết phục (thí dụ giả thiết về nguồn điểm…) liên quan đến điều LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 kiện mà mô hình phải theo. Điều này luôn dẫn đến những hạn chế về mô hình mà ta đang xét. Sau đây sẽ xét chi tiết hơn về hai loại mô hình, phân theo cách vật lý và không vật lý.3 Các mô hình kênh MIMO không vật lý.1 Mô hình anten thu phát đa phần tử METRA. Dựa trên các phép đo ngoài trời tại Aalborg Đan Mạch với tần số sóng mang 2.
Một mô hình kênh MIMO thống kê cho bối cảnh NLOS (không có tia truyền thẳng), đƣợc đƣa ra dựa trên ma trận tương quan công suất của kênh vô tuyến MIMO [9]. Gọi M: số anten phát, N: số anten thu- mô hình băng rộng, kênh MIMO không có nhiễu là: L H H l l (1.3) l 1 Trong đó H : là ma trận MxN phần tử của các đáp ứng xung. H l : ma trận của các hệ số kênh phức tại thời gian trễ l H 11l H 12l. H NM Hơn nữa, ta giả thiết các hệ số truyền, với giá trị phức là có trung bình bằng 0, Gauss phức, có cùng một công suất Pl.
Các hệ số này là độc lập khi chuyển từ độ trễ này sang độ trễ khác. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 Để cấu trúc nên mô hình kênh MIMO, sự tƣơng quan giữa các cặp hệ số truyền phức cần phải chú ý. Các hệ số tƣơng quan không gian tại máy phát và máy thu thoả mãn. T 2 2 mx m l H nm l , H nm (1.