Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông Hệ thống MIMO
Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Chương ĐẶC TÍNH KÊNH VƠ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN SĨNG MIMO 1.1 MỞ ĐẦU Để có mơ hình, giải thuật thích ứng tối ưu cho mơ hình tối ưu thích ứng nhằm tăng hiệu sử dụng tài ngun vơ tuyến, việc nghiên cứu kênh vơ tuyến rút đặc tính, thông số đặc trưng kênh vô tuyến vô quan trọng, ví bánh mì bơ nhà nghiên cứu, nhà thiết kế hệ thống truyền thông không dây Kết ta có tập tham số đặc trưng cho mơi trường truyền thơng Trên sở đó, thiết kế hệ thống truyền thống cho: tối ưư hóa chiếm dụng tài nguyên, tối ưu hóa tham số hữu ích đồng thời giảm thiểu tham số ảnh hưởng chất lượng Sau ta đánh giá hiệu hệ thống truyền thơng theo tập tiêu chí hay thơng số cụ thể Các q trình khơng diễn độc lập mà có quan hệ mật thiết theo quy lật nhận thức định Dẫn đến tốn thiết kế tối ưu hệ thống truyền thơng địi hỏi phải tạo q trình việc đánh giá xác chúng Cần phải thiết lập mơ hình hệ thống truyền thơng đánh giá mơ hình cách xác Tối ưu thích ứng cho phép sử dụng hiệu tài nguyên (tăng dung lượng) hệ thống đảm bảo chất lượng BER việc dung hòa tham số đối lập hệ thống đảm bảo tính cơng người dùng với công suất hữu hạn, chất lượng dịch vụ, điều kiện kênh truyền Trong phạm vi định, thích ứng hiểu thay đổi tham số đặc trưng hệ thống theo kịch kênh truyền cho đạt hiệu tốt Chẳng hạn xét hệ thống miền không gian hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênh truyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh khơng gian, hay nói cách khác kịch kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng việc chọn phân tập (nhận ưu điểm phân tập cải thiện hiệu BER) ngược lại kịch kênh tốt hệ thống hướng lựa chọn ghép kênh không gian (nhận ưu điểm ghép kênh không gian cải thiện hiệu dung lượng), lấy trung bình hiệu dung lượng (hiệu sử dụng tài nguyên phổ tần) ta nhận dung lượng hệ thống tăng lên nhiều lần đảm bảo chất lượng BER Cách lập luận tương tự cho hệ thống CDMA thích ứng, OFDM -1- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO thích ứng Tất hệ thống đạt hiệu tốt hay hiệu sử dụng tài nguyên tốt khắc phụ nhược điểm vốn có mơi trường truyền thơng Tuy nhiên ta nhìn nhận hệ thống góc độ từ kênh vật lý mà chưa đề cập kênh logic Vì cách sơ thấy rằng, hệ thống thơng minh phải có tính thích ứng cao giải thuật tối ưu, xu hướng tất yếu hệ thống truyền tin hiệu đại, khẳng định hội tụ công nghệ phần cứng phần mềm, hội tụ tinh túy giải pháp kỹ thuật Vấn đề then chốt có ý nghĩa định lên tính khả tin hệ thống truyền thơng thích ứng miền (tài nguyên) xét cho hệ thống là: (i) kênh truyền (mô kênh thể cách xác kịch kênh thực tế); (ii) thơng tin trạng thái kênh CSI (ước tính dự đoán kênh); (iii) ngưỡng định; (iv) tập khối chức đặc trưng cho hệ thống cụ thể như: điều chế/giải điều chế, mã hóa/giải mã, lọc, cân bằng, khuyêhc đại, mã hóa kiểm sát lỗi chúng thuộc loại tất định Chương này, ta tập trung vào việc mơ hình hóa kênh truyền sóng nhằm lột tả hoạt động ảnh hưởng dạng tham số đặc trưng Các tham số làm đầu vào để xây dựng mơ hình giải thuật, làm sở để thiết kế hệ thống thông minh cho nghiên cứu ta sau Như vậy, thông tin vô tuyến di động, đặc tính kênh vơ tuyến di động có tầm quan trọng lớn, chúng khơng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn mà ảnh hưởng lên dung lượng hệ thống Trong hệ thống vô tuyến thông thường (không phải hệ thống vơ tuyến thích ứng), tính chất thống kê dài hạn kênh đo đánh giá trước thiết kế hệ thống Nhưng hệ thống thích ứng, vấn đề phức tạp Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cấn phải liên tục nhận thơng tin tính chất thơng kê ngắn hạn chí tức thời kênh Các nhân tố 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 khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách √ Che chắn: Các vật cản trạm gốc máy di động làm suy giảm thêm tin hiệu -2- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO √ Phađinh đa đường phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ tán xạ làm méo tín hiệu thu dạng trải rộng chúng theo thời gian Tùy vào băng thông hệ thống, yếu tố dẫn đến làm thay đổi nhanh cường độ tín hiệu gây nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference) √ Nhiễu: Các máy phát khác sử dụng tần số hay tần số lân cận gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đơi nhiễu coi tạp âm bổ sung Có thể phân kênh vơ tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" "phađinh phạm vi hẹp" Các mơ hình truyền sóng truyền thống đánh giá cơng suất trung bình thu khoảng cách cho trước so với máy phát Đối với khoảng cách lớn (vài km), mơ hình truyền sóng phạm vi rộng sử dụng Phađinh phạm vi hẹp mơ tả thăng giáng nhanh sóng vơ tuyến theo biên độ, pha trễ đa đường khoảng thời gian ngắn (hay cự ly di chuyển ngắn) Phađinh trường hợp gây truyền sóng đa đường Các kênh vơ tuyến kênh có tính ngẫu nhiên, thay đổi từ đường truyền thẳng đến đường bị che chắn nghiêm trọng vị trí khác Ở dạng tổng quát kênh hàm ba tham số: thời gian, khơng gian tần số (a) (b) (c) H×nh 1.1 Tính chất kênh miền không gian, miền tần số vµ miỊn thêi gian Hình 1.1(a) kênh có đặc trưng khác (biên độ chẳng hạn) vị trí khác nhau, đặc tính gọi tính cách chọn lọc không gian (hay phân tập không gian), phađinh tương ứng gọi phađinh chọn lọc không gian Hình 1.1 (b) kênh có đặc tính khác tần số khác nhau, gọi tính cách chọn lọc tần số (hay phân tập tần số), pha đinh tương ứng phađinh chọn lọc tần số Hình 1.1 (c) kênh có đặc tính khác thời điểm khác nhau, gọi -3- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian), tương ứng phađinh chọn lọc thời gian Dựa đặc tính trên, ta 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, ta xét tính chất kênh miền không gian, thời gian tần số Kênh vô tuyến hệ thống thông tin không dây thường trình bày khái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) không trực xạ (NLOS: None Line of Sight): (i) Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp đường truyền không bị che chắn từ máy phát đến máy thu Đường truyền LOS địi hỏi hầu hết vùng Fresnel khơng có vật chắn nào, khơng cường độ tín hiệu bị suy giảm đáng kể Việc xác định khoảng hở cần thiết phụ thuộc vào tần số công tác cự ly máy phát máy thu; (ii) Trong đường truyền khơng trực xạ NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ nhiễu xạ Vì vậy, tín hiệu máy thu gồm thành phần từ: (1) đường truyền trực tiếp; (2) đường phản xạ, tán xạ nhiễu xạ Các tín hiệu có trải trễ, suy hao, phân cực độ ổn định khác so với tín hiệu đường trực tiếp Hiện tượng đa đường dẫn đến thay đổi phân cực, sử dụng phân cực vng góc cho tái sử dụng tần số thường thấy triển khai LOS nguy hiểm điều kiện NLOS Để đảm bảo dịch vụ điều kiện NLOS, hệ thống vô tuyến phải biết cách biến yếu điểm truyền sóng đa đường thành lợi điểm Điều kiện phủ sóng LOS NLOS phụ thuộc vào đặc tính mơi trường, tổn hao đường truyền quỹ đường truyền vô tuyến Triển khai hệ thống không dây điều kiện NLOS có số ưu điểm, yêu cầu thiết kế ngặt ngèo, hạn chế chiều cao anten không cho phép đặt để đạt điều kiện LOS Hơn nữa, 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 trạm gần Khi này, BS thường phải làm việc điều kiện NLOS Các hệ thống LOS giảm chiều cao anten ảnh hưởng đến yêu cầu truyền trực tiếp BS SS NLOS cho phép giảm việc cần thiết phải khảo sát điểm đặt trạm tăng độ xác cơng cơng cụ quy hoạch Cơng nghệ tiên tiến, tính tăng cường hệ thống không dây hệ WiMax, HSPA cho phép sử dụng cho thiết bị khách hàng đặt nhà Trường hợp cần phải giải hai vấn đề: (1) khắc phục suy hao thâm nhập tòa nhà; (2) phủ sóng cự ly xa cơng suất phát độ lợi anten thấp -4- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Trên sở lập luận để có thơng số đặc trưng, tính chất phân loại kênh vô tuyến di động, thông tin trạng thái kênh CSI, chúng làm liệu đầu vào cho việc xây dựng mơ hình, giải thuật đặc biệt giải thuật phân bổ tài nguyên thích ứng lập lịch động cho hệ thống vô tuyến, với mục đích đề tài Chương tổ chức sau: phần 1.2 Phân bố Rayleigh Rice; phần 1.3 mơ hình kênh phạm vi hẹp phân loại phađinh phạm vi hẹp; phần 1.4 Mơ hình kênh truyền sóng MIMO; phần 1.5 kết luận 1.2 PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE Phân bố Rayleigh Rice hai phân bố thường sử dụng để mô tả môi trường truyền sóng NLOS, NLOS kết hợp LOS 1.2.1 Phân bố Rayleigh Xét trường hợp tần số fc phát máy di động nhận M tín hiệu tán xạ với thời gian trễ Tín hiệu tán xạ i đến máy di động góc θi so với phương chuyển động máy di động bị dịch tần Doppler sau: fdi = vfc c cosθi (1.1) đó: v vận tốc chuyển động máy di động, c vận tốc ánh sáng, θi biến ngẫu nhiên phân bố có hàm mật độ xác suất sau: , θ ∈ [-π,π) p( θ) = π 0, nÕu kh¸c (1.2) Tín hiệu tia tán xạ thu thứ i máy di động biểu diễn là: vf cosθi xi (t ) = Ricos 2πfc t + π c t + φi c (1.3) đó: Ri biên độ ngẫu nhiên sóng thứ i, φi pha ngẫu nhiên phân bố sóng thứ i Tần số sóng i biểu diễn sau: fi (θ) = fc + vfc c cosθi (1.4) Khai triển lượng giác (1.3) ta được: -5- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO vf cosθi vf cosθi xi (t ) = Ricos c t + φi cos2πfc t − R isin c t + φi sin 2πfc t c c = RIi(t)cos2πfct-RQi(t)sin2πfct (1.5) đó: vfc cosθi c t + φi (1.6) vfc cosθi c t + φi (1.7) R Ii (t ) = R icos R Qi (t ) = R isin Tín hiệu tổng M tia tán xạ biểu diễn sau M M i=1 i=1 x(t) = ∑ R Ii (t)cos2πfc t - ∑ R Qi (t)sin2πfc t = aµ1(t)cos2πfct-aµ2(t)sin2πfct = β(t)[cos2πfct+ψ(t)] (1.8) M R I (t) = ∑ R Ii (t) = aµ1 (t) (1.9) i=1 M R Q (t) = ∑ R Qi (t) = aµ (t) (1.10) i=1 β(t) = a µ1 (t) + µ (t) (1.11) µ1 (t) µ (t) (1.12) 2 ψ (t) = arctang a số thể công suất trung bình µi(t); µi(t) aµi(t) q trình ngẫu nhiên độc lập, β(t) trình ngẫu nhiên thể đường bao tín hiệu thu, ψ(t) q trình ngẫu nhiên phân bố có hàm mật độ xác suất sau: , θ ∈ [-π,π) fΨ (ψ ) = π 0, nÕu kh¸c (1.13) Ψ biến ngẫu nhiên, ψ giá trị biến ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên ψ(t) -6- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Theo định lý giới hạn trung tâm, M đủ lớn, ta coi aµ1(t) aµ2(t) q trình ngẫu nhiên Gauss khơng tương quan có trung bình khơng phương sai σ2 Khi ta có: u= am1 (t) = bcosy v= am2 (t) = bsiny (1.14) u v giá trị biến ngẫu nhiên U V trình ngẫu nhiên độc lâp phân bố Gauss có phương sai σ2 trung bình khơng; β giá trị biến ngẫu nhiên ς trình ngẫu nhiên β(t) Hàm mật độ xác suất liên hiệp hai biến biểu diễn sau: fU ,V (u, v) = e 2ps u2 + v 2s (1.15) Hàm mật độ xác suất liên hiệp hai biến ngẫu nhiên ς Ψ trình ngẫu nhiên β(t) ψ(t) xác định đổi biến sau: fV, Y (b , y ) = fU ,V (u, v).J(b , y ) (1.16) β, ψ giá trị biến ngẫu nhiên β(t) ψ(t); J(.) Jacobi xác định sau: J(b , y ) = ¶u ¶b ¶v ¶b ¶u ¶y ¶v ¶y = cosy siny -bsiny bcosy = βcos2ψ + βsin2ψ= β (1.17) Sử dụng (1.17) ta biểu diễn (1.16) sau: b - 2s fV, Y (r, y ) = e 2ps b2 (1.18) Ta biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp hai biến ς Ψ tích hàm mật độ xác suất fς fΨ: fV, Y (b , y ) = fV(b).fY ( y ) (1.19) Từ (1.18), (1.19) (1.13), ta hàm mật độ xác suất đường bao tín hiệu thu ảnh hưởng tán xạ đường truyền sau: -7- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO ì b - b22 ï ï e 2s , b ³ ï fV(b) = ï s í ù ù0 ù khác ù ợ (1.20) Phõn b (1.20) gọi phân bố Rayleigh Biểu diễn (1.8) dạng hàm phức sau đây: X(t) = [ µ1(t)+µ2(t)]ej2πfct= β(t) ejψ(t)ej2πfct x(t) = Re [ X(t) ] = Re ( µ1 (t) + µ (t) ) e (1.21) j2 πfc t (1.22) 1.2.2 Phân bố Rice Giả sử ngồi tín hiệu tán xạ xét phân bố Rayleigh, máy thu nhận tín hiệu thẳng (LOS) Sử dụng (2.8), biểu diễn tín hiệu thu sau: x(t) = A cos2πfct + aµ1(t).cos2πfct - aµ2(t).sin2πfct (1.23) A biên độ tín hiệu thẳng Có thể viết lại (2.22) sau: x(t)=aµ'1(t)cos2πfct-aµ2(t)sin2πfct (1.24) µ'1(t)= A/a+µ1(t) (1.25) Từ (1.25) nhận xét phân trước, nói : (1) aµ'1(t) q trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss có trung bình A, phương sai σ2; (2) aµ2(t) q trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss trung bình không, phương sai σ2 Nếu ký hiệu: β(t) = a µ'1 (t) + µ (t) (1.26) µ (t) µ1 (t) (1.27) 2 ψ (t) = arctang tương tự ta ký hiệu: u = am (t) = bcosy v = A + am2 (t) = bsiny (1.28) -8- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Thì nhận được: fU ,V (u, v) = e 2ps (u- A)2 + v 2s (1.29) Xét tương tự phần 1.2.1 ta hàm mật độ xác suất liên hiệp hai biến ngẫu nhiên β Ψ hai trình ngẫu nhiên β(t) ψ(t) sau: b fx ,Y (b , y ) = e 2ps b2 + A - 2Arcosy 2s (1.30) ξ, β biến giá trị ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên β(t); Ψ, ψ biến giá trị ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên ψ(t); trường hợp biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp fx ,Y (r, y ) tích hàm mật độ xác suất fξ(β) fΨ(ψ), tích βcosψ gồm hai biến β ψ phụ thuộc (do giá trị khác khơng A thành phần này) Để tìm hàm phân bố xác suất đường bao tín hiệu thu biến β ta lấy tích phân cho tất giá trị có ψ để nhận hàm mật độ xác suất biên sau: 2p fx ( b) = ò fx ,Y (b , y )dy b = e 2ps b2 + A 2 p 2s òe bAcosy s2 dy (1.31) Tích phân vế phải (1.31) có dạng hàm Bessel cải tiến loại bậc không sau đây: I (x) = 2p 2p òe xcosy dy (1.32) Nếu đặt x=Aβ/ s , (1.31) viết lại sau: b fx ( b) = e s b2 + A 2s æAb I0 ỗ ữ ỗs ữ ố ữ ứ (1.33) Cũng vậy, hàm mật độ xác suất pha Ψ, fΨ(ψ) xác định sau: ¥ fY ( y ) = ò fx ,Y (b , y )db = -g e + 2p é ù g cosy e(-gsin y ) ê - erfc(gcosy )ú ê ú p ë û (1.34) -9- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO đó: A2 g= 2s Từ kết cho thấy: Phân bố Rayleigh trường hợp đặc biệt phân bố Rice, A=0 I0(0)=1 Thay I0(0)=1 vào (1.33) ta phân bố Rayleigh theo (1.20) Ngoài A=0, γ=0 ta fΨ(ψ) phân bố theo (1.13) 1.3 MƠ HÌNH KÊNH PHA ĐINH PHẠM VI HẸP Việc xây dựng mơ hình kênh điều thiếu nghiên cứu kênh vơ tuyến Trong phần ta xét mơ hình kênh phạm vi hẹp miền thời gian miền tần số 1.3.1 Đáp ứng xung kim kênh (CIR) CIR (Channel Impulse Response) tín hiệu đầu kênh đưa vào kênh hàm delta δ(t) hình 1.2 a) Đáp ứng xung kim băng thông δ(t)e j2 πf c t Kênh vô tuyến h’(t, τ) b) Đáp ứng xung kim băng gốc δ(t) h '(t, τ) = h(t, τ)e Kênh vô tuyến h(t, τ) j2 πf c t Hình 1.2 Đáp ứng xung kim kênh a) CIR băng thơng, (b) CIR băng gốc Trong t-τ thời điểm xuất xung kim đầu vào kênh, t thời điểm quan trắc đáp ứng xung kim đầu kênh 1.3.2 Mơ hình kênh vơ tuyến di động đa đường Để mô tả kênh vô tuyến di động đa đường ta sử dụng mơ hình elip Parsons Bajwa (hình 1.3) Tất elip đồng tiêu cự, nghĩa chúng có tiêu điểm Tx Rx, trùng với vị trí máy phát (Tx) máy thu (Rx) Vì elip tập hợp điểm có tổng khoảng cách đến tiêu điểm nhau, cho phép sử dụng chúng để mơ hình hóa đường truyền có độ dài (hay độ trễ truyền sóng) Từ hình 1.3, cho thầy đường truyền Tx-A-Rx Tx-C-Rx có độ dài, góc tới tương ứng khác nhau, tần số Doppler tương ứng (do chuyển động máy phát máy thu) khác Trái lại, đường truyền -10- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Tx-A-Rx Tx-B-Rx có độ dài khác nhau, góc tới lại dẫn đến tần số Doppler B A 22 33 11 T x Thành phần LOS 00 C Rx Hướng chuyển động Hình 1.3 Mơ hình kênh vơ tuyến đa đường theo mơ hình elip Parsons Bajwa Độ dài đường truyền sóng xác định trễ truyền sóng cơng suất trung bình sóng anten thu Mỗi sóng vùng tán xạ đặc trưng hình elip thứ l chịu trễ truyền sóng τl = τ0 + l∆τ, l = 0,1, ,L − (1.35) τ0 trễ truyền sóng thành phần thẳng (LOS), ∆τ trễ truyền sóng Ll số đường truyền khả phân giải có trễ truyền sóng khác Để tiện, thường đặt τ0 =0 τl gọi trễ trội 1.3.3 Mơ hình kênh vơ tuyến di động phạm vi hẹp miền thời gian -11- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO 1.3.3.1 Mơ hình kênh vơ tuyến di động băng hẹp miền thời gian Ta liên hệ q trình thay đổi tín hiệu vơ tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim kênh vô tuyến di động Nếu x(t) biểu diễn tín hiệu phát, y(t) biểu diễn tín hiệu thu h(t,τ) biểu diễn đáp ứng xung kim kênh vô tuyến đa đường thay đổi theo thời gian, ta biểu diễn tín hiệu thu tích chập tín hiệu phát với đáp ứng xung kim kênh sau: ∞ y(t) = ∫ x(t -τ)h(t, τ)dτ = x(t) ⊗h(t, τ) , (1.36) -∞ t biến thời gian, τ trễ đa đường kênh giá trị t cố định Theo (1.21), ta biểu diến hàm đáp ứng xung kim kênh băng gốc sau: h( τ, t ) = L −1 iψ l ( t , τ ) ∑ βl (t, τ)e e j2 πfc τl ( t ) l= δ ( τ − τl ( t ) ) , l = , 1, , L − , (1.37a) hay h( τ, t ) = L −1 iψ l ( t , τl ( t )) ∑ βl (t, τl (t))e e j2 πfc τl ( t ) l= , l = 0, 1, , L − (1.37b) βl (t,τ), ψl (t,τ), τl (t) biểu thị cho biên độ, pha trễ xung thu thứ l (đường truyền l); τ biểu thị cho trễ, t biểu thị cho thay đổi theo thời gian cấu trúc xung kim δ(.) biểu thị cho hàm Delta Dirac, L biểu thị cho số đường truyền Thơng thường trễ tia (đường truyền ngắn nhất) xác định τ0=0, τl>0 gọi trễ trội đáp ứng xung kim kênh có tính nhân β l(t,τl)= a l 2 µ1 (t, τl (t)) + µ (t, τl (t)) ; a biên độ tương đối đường truyền l Trên sở phân tích trên, ta lập mơ hình kênh vô tuyến phađinh di động chọn lọc tần số đường trễ đa nhánh hình 1.5 -12- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO x(t) Dt t =0 b Dt tl t = Dt t L- = (L - 2)Dt b b Dt t L- = (L - 1)D t b L- L- y0 y1 y L- ∑ ∑ y L- ∑ y(t) Hình 1.5 Mơ hình hóa kênh vơ tuyến di động trễ đa nhánh Hình 1.6 mơ tả đáp ứng xung kim theo phương trình (1.36) t β0 ( t ) β1 (t ) β2 ( t ) t4 β0 ( t ) β1 (t ) β ( t ) β3 ( t ) t3 β0 ( t ) β1 (t ) t2 β0 (t1 ) β1 (t1 ) t1 β0 ( t ) t0 β1 (t ) 00 β2 ( t ) β2 ( t ) βL −1 (t ) βL −1 (t ) ( (t ) ( (t ) ( (t ) LLL 33 33 ( (t ) βL −1 (t1 ) βl ( t ) β3 (t ) 22 11 βl ( t ) βl (t1 ) ( (t ) βL −1 (t ) βl ( t ) β3 ( t ) β3 (t1 ) β2 (t1 ) βL −1 (t ) β(t ) β3 ( t ) h(τ , t ) t1 τ2 τ1 τ3 t1 τ5 τ (t1 ) τ (t2 ) t1 τ (t3 ) t Lý lịch trễ đa đường τ1 τ4 Trung bình hóa τ2 τ3 τ4 τ5 τ Hình 1.6 Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian lý lịch trễ đa đường -13- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Lưu ý môi trường thực tế, {βl (t,τ)}, {ψl(t,τ)}, {τl(t)} thay đổi theo thời gian Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng λ), {βl (t,τ)}, {τl(t)} coi thay đổi Tuy nhiên pha {ψl(t)} thay đổi ngẫu nhiên có phân bố khoảng [-π π] 1.3.3.2 Các thông số kênh miền thời gian Tất thông số kênh được định nghĩa từ lý lịch trễ công suất (PDP: Power Delay Profile) PDP định nghĩa |h(t,τ)|2 Từ (1.36) PDP xác định sau: PDF ( τ) = L −1 ∑ βl (t, τ)δ(τ − τl) (1.38) l= 2 Trong công thức để đơn giản ta ký hiệu βl cho βl (t, τ) Các thông số kênh miền thời gian liệt kê đây: Cơng suất thu (chuẩn hóa) tổng cơng suất đường: L −1 p = ∑ βl (1.39) l= Thừa số Rice tỷ số công suất đường truyền vượt trội công suất tia tán xạ, xác định sau: K= βl,max p − βl,max , ®ã βl,max = max{β l } (1.40) l Lưu ý có tia thẳng, tia vượt trội tia tia thẳng, tương ứng với r =0, βl,max= β0 τ0=0 Trễ trội trung bình xác định sau: τ= ∑ β( τ l ) τ l l (1.41) ∑ β( τ l ) l Trải trễ trung bình quân phương (RDS:Root Mean Squared Delay Spread), στ, môment bậc hai PDP chuẩn hóa, biểu diễn sau: στ = τ − τ (1.42) -14- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO L −1 m τ = ∑ τl βl / p0 , m=1,2 m l= Vì pha tia khơng cịn nữa, thông số kênh phải không đổi phạm vi hẹp, với điều kiện đường truyền hoàn toàn phân giải Trễ trội cực đại (tại XdB) lý lịch trễ công suất: định nghĩa trễ thời gian mà lượng đa đường giảm XdB so với lượng cực đại Thời gian quán (coherence time) xác định sau: TC ≈ (1.43) fd n l n c fd = = fc trải tần số Doppler Thời gian quán xác định tính "tĩnh" kênh Thời gian quán thời gian mà kênh tương quan mạnh Ta ký hiệu thời gian quán T C Các ký hiệu truyền qua kênh khoảng thời gian quán chịu ảnh hưởng phađinh Vì ta nhận kênh phađinh chậm Các ký hiệu truyền qua kênh bên thời gian quán bị ảnh hưởng phađinh khác Khi ta kênh phađinh nhanh Như ảnh hưởng phađinh nhanh, số phần ký hiệu chịu tác động phađinh lớn phần khác Bằng cách ấn định giá trị cho thông số định cho hệ thống truyền dẫn, ta nhận kênh phađinh chậm thay kênh phađinh nhanh nhờ đạt hiệu tốt Rõ ràng biên độ, pha trễ trội tất xung thu tạo nên mơ hình kênh miền thời gian Ta rút quy luật phân bố sau cho biên, pha mơ hình lý lịch trễ công suất cho kênh: Các pha đường truyền độc lập tương hỗ (không tương quan) có phân bố khoảng [-π, π] Nếu coi: (i) tất đường truyền tạo từ trình thống kê; (ii) trình tạo đường truyền trình dừng nghĩa rộng so với biến t, biên độ đường truyền tán xạ (NLOS) tuân theo phân bố Rayleigh (được xác định theo phương trình 2.20) PDF biên độ tất đường truyền (gồm LOS) tuân theo phân bố Rice (xác định theo phương trình 1.33) -15- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO 1.3.4 Mơ hình kênh miền tần số 1.3.4.1 Phổ công suất trễ (DPS) Sự thay đổi trễ τ dẫn đến thay đổi tần số (ta ký hiệu tần số f') Hàm truyền đạt tương ứng với trường hợp gọi hàm truyền đạt theo thời gian hay phổ công suất trễ (DPS: Delay Power Spectrum) biến đổi fourier lên đáp ứng xung kim kênh theo τ Theo đó, DPS xác định sau: ∞ h(f', t) = ∫ h(τ, t)e − j2 πf ' τ dτ −∞ L-1 = ∑ βl (t, τl (t))e jψl (t,τ l (t)) -j[2πf'τ l (t)] e l= L-1 = ∑ a l µl (t, τl(t))e − j[ πf'τl (t)] l= L-1 = ∑ h(τl (t), t)e − j[ πf'τl (t)] l= h( τ, t ) = L −1 ∑ βl (t, τ)e iψ l ( t ) l= (1.44) δ ( τ − τl (t ) ) , l = 0, 1, , L − mô tả đáp ứng kênh xung kim miền thời gian Tùy thuộc vào đặc tính DPS, kênh vơ tuyến phân thành kênh pha đinh phẳng phađinh chọn lọn tần số Kênh phađinh "phẳng" kênh tất thành phần phổ truyền qua với khuyếch đại pha tuyến tính, hay nói cách khác DPS có đặc tuyến biên phẳng đặc tuyến pha tuyến tính Kênh pha đinh chọn lọc có đặc tính ngược lại 1.3.4.2 Các thơng số kênh miền tần số Các thông số kênh miền tần số liệt kê đây: Băng thông quán BC: Khi hàm tương quan tần số lớn 0,90, băng thơng qn có quan hệ với trải trễ trung bình quân phương sau: BC ≈ 50 σ τ , (1.45) Một đánh giá gần Bc thường sử dụng độ rộng băng với tương quan 0,5 là: -16- Chương 1: Đặc tính kênh vơ tuyến di động mơ hình kênh truyền sóng MIMO Bc = 5s t (1.46) Trải Doppler fd: Quan hệ trải doppler thời gian quán xác định theo (1.43) 1.3.5 Phân loại pha đinh phạm vi hẹp Phụ thuộc vào quan hệ thơng số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,…) thông số kênh (trải trễ trung bình qn phương, trải Doppler, …), ta phân loại phađinh phạm vi hẹp dưạ hai đặc tính: trải trễ đa đường phađinh chọn lọc tần số Trải trễ đa đường thông số miền thời gian, việc kênh phađinh phẳng hay chọn lọc tần số lại tương ứng với miền tần số Vì thơng số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh miền tần số Trải Doppler dẫn đến tán tần phađinh chọn lọc thời gian, liên quan đến trải Doppler ta phân loại phađinh phạm vi hẹp thành phađinh nhanh phađinh chậm Trải Doppler thông số miền tần số tượng kênh thay đổi nhanh hay chậm lại thuộc miền thời gian Vậy trường hợp này, trải Doppler, thông số miền tần số, ảnh hưởng lên đặc tính kênh miền thời gian Hiểu biết quan hệ hỗ trợ ta trình thiết kế hệ thống Bảng 1.1 Phân loại phađinh phạm vi hẹp Cơ sở phân loại Trải trễ đa đường Loại Phađinh Điều kiện Phađinh phẳng Bnr gồm ma trận đường chéo nr×nr sau nt-nr cột khơng Nếu ntnr): U ma trận nr× nr V ma trận nt× nt D tạo từ ma trận vuông bậc nr tiếp sau nt-nr cột không sau: 1/2 D 0 1/2 00 D D0 0D 0 00 D 0 nr 00 00 00 00 nt - nr 00 00 0 1/2 n r 00 (1.53) trường hợp ma trận V có nr hàng sử dụng được, cịn nt-nr hàng cịn lại khơng sử dụng dược Khi nr phần tử đầu ma trận x sử dụng nt-nr phần tử lại đặt vào khơng Trường hợp số anten thu nhiều số anten phát (nt