Chương 1: Tổng quan về các hệ thống thông tin vô tuyến và vấn đề hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống. Chương này trình bày về tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten, hiệu quả sử dụng năng lượng trong các hệ thống thông tin vô tuyến và lợi ích việc sử dụng hiệu quả thông tin vô tuyến và sự quan tâm của các tổ chức trong nước và thế giới, tổng quan các vấn đề hiệu quả năng lượng của các tác giả đi trước, các vấn đề tồn tại, hướng nghiên cứu và các kết quả cần đạt được của luận án. Giới thiệu các lý thuyết tổng quan và thuật toán liên quan đến nghiên cứu của luận án. Chương 2: Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten phân chia theo thời gian TDD.
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống phân chia theo thời gian đa người dùng, phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống thông qua các tham số công suất tiêu thụ, tốc độ đạt được, ảnh hưởng của số ăng ten trạm gốc và ảnh hưởng của số thuê bao trong một trạm gốc, đề xuất mô hình sử dụng hiệu quả năng lượng và giải thích, đánh giá các kết quả mô phỏng và tính toán. Chương 3: Cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten FD. Chương này trình bày tổng quan về cấu trúc dàn ăng ten, xử lý tín hiệu, kênh không gian 3 chiều, kiến trúc chung của hệ thống và phương thức chuyển giao dịch vụ không đồng nhất dựa vào các ngữ cảnh tham số chất lượng dịch vụ thông tin, đề xuất mô hình nghiên cứu và giải thích các kết quả mô phỏng. Ngoài ra: Phần phụ lục trình bày quá trình khai báo và thu thập thông tin, xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL), quá trình phân tích, truy xuất, suy diễn và ra quyết định, phụ lục về trích dẫn nguồn code thuật toán của các mô phỏng….
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYÊN VÀ VẤN ĐỀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG 1. Tổng quan về các hệ thống thông tin vô tuyến Các hệ thống thông tin vô tuyến (không dây) có thể được phân loại thành 4 hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO. Hệ thống thông tin SISO là hệ thống chỉ sử dụng một ăng ten phát và một ăng ten thu, máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wifi hay Bluetooth.
Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức Shanon: C = log2 (1+SNR) bit/s/Hz [10]. Hệ thống SIMO sử dụng nhiều ăng ten phát và một ăng ten thu, thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng tăng theo hàm logarit của số ăng ten phát (Nt) và được xác định gần đúng theo công thức: C = log2 (1+Nt.SNR) bit/s/Hz [10]. Các hệ thống thông tin vô tuyến [10] 10 Hệ thống SIMO sử dụng một ăng ten phát và nhiều ăng ten thu, trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các ăng ten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal - Ratio Receive Combining).
Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số ăng ten thu (Nr), được tính theo: C = log2 (1+Nr.SNR) bit/s/Hz [10]. Hệ thống thông tin vô tuyến đa người dùng Là hệ thống sử dụng nhiều ăng ten cả nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể phân tập phát nhờ đa ăng ten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa ăng ten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống có thể xác định theo công thức: C=min(NT,NR).SNR) bit/s/Hz [10]. Mô hình kênh tổng quát gồm Nt ăng ten phát và Nr ăng ten thu được minh họa trong hình vẽ 1.
Ma trận kênh truyền H của kênh truyền trong hệ thống định trước và được xem là bất biến trong suốt thời gian truyền và tổng công suất phát trên NT là P được xem là không đổi Hình 1. Hệ thống vô tuyến đa người dùng 11 Ma trận kênh H cho mô hình vô tuyến được biểu diễn như sau: h 11 h 12 hN 1 t h h 22 hN 2 H t (1.1) 21 h 1N r h 2N r h NrNt Trong đó: hnm là độ lợi kênh giữa ăngten phát thứ n và ăngten thu thứ m. T Giả sử: x x1 , x 2 , , x N là dữ liệu phát t T y y1 , y 2 , , y N là dữ liệu thu r T η η1 , η 2 , η N là tạp âm Gaus trắng phức Nr máy thu. r T là ký hiệu phép toán chuyển vị.
Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào nhân với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau: y1 h 11 h 12 h N 1 x 1 η1 t y h h 22 h N 2 x 2 η 2 2 21 t (1.2) y N r h N 1 hN 2 h N N x N η N r r t r t r Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận Nr x Nt trong phương trình (1.2) như sau: y= Hx+ (1.3) Độ lợi beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống, để có thể thực hiện beamforming thì khoảng cách giữa các ăng ten trong hệ thống thường nhỏ hơn bước sóng (thường là / 2 ), 12 beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ. Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập, tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa ăngten phía phát và phía thu, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các ăng ten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống, dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại fading, mã hóa STBC (Space-Time Block Code) và mã hóa STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.
Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được fading có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong thiết kế hệ thống. Hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten Hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten đã được nghiên cứu từ lâu và được ứng dụng trong nhiều tiêu chuẩn truyền thông không dây vì nó có thể cải thiện đáng kể dung lượng và độ tin cậy của hệ thống [11], trong khoảng thời gian đầu chủ yếu nghiên cứu về kết nối điểm điểm hay còn gọi là đơn người dùng. Trong hệ thống này, hai thiết bị đa ăngten kết nối giao tiếp với nhau, mang lại lợi ích rất lớn cả về dung lượng cũng như độ tin cậy, tuy nhiên, hệ thống còn một số nhược điểm như chỉ giao tiếp được một người dùng, để khắc phục nhược điểm đó, hệ thống đa người dùng ra đời và về cơ bản thì hệ thống đa người dùng khác với đơn người dùng là đồng thời phục vụ cho một số người dùng. Trong hệ thống, mọi chi phi đắt đỏ của thiết bị được chuyển về cho các nhà mạng trong phần trạm gốc, trong khi đầu cuối người dùng sẽ có chi phi thiết bị khá rẻ do có thể sử dụng đơn ăng ten mà vẫn tận dụng được tính năng ưu việt của công nghệ.
Do tính phân tập đa người dùng, hiệu 13 năng của hệ thống đa người dùng ít bị ảnh hưởng của môi trường truyền sóng hơn so với trường hợp kết nối điểm điểm, vì thế thống đa người dùng đã được ứng dụng vào trong rất nhiều tiêu chuẩn như 802. Có rất nhiều cấu hình và các kịch bản triển khai khác nhau cho các mảng ăng ten thực tế sử dụng trong hệ thống thông tin sử dụng nhiều ăng ten, mỗi phần tử ăng ten trong hệ thống được kết nối nhau thông qua sợi quang hoặc đường dẫn mạch điện tử. Hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten [11] Hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten khi các trạm gốc phải biết được thông tin kênh cho cả đường lên và đường xuống, ở đường lên, điều này dễ dàng thực hiện bằng cách các đầu cuối người dùng gửi hoa tiêu, dựa vào hoa tiêu nhận được mà trạm gốc có thể ước lượng được đáp ứng xung của kênh cho mỗi đầu cuối, ở đường xuống việc này sẽ khó hơn. Trong các hệ thống kết nối truyền thống, như tiêu chuẩn LTE, các trạm gốc sẽ gửi dạng sóng hoa tiêu, dựa vào đó các đầu cuối sẽ ước lượng đáp ứng xung của kênh truyền và đầu cuối gửi lại cho trạm gốc.