TRANSMIT BEAMFORING AND POWER

Đề tài:

TRANSMIT BEAMFORING AND POWER

Tóm tắt


Sự phối hợp giữa việc điều khiển công suất và tạo chùm sóng được đưa ra cho hệ
thống đi động nơi mà các anh phần tử thích nghi chỉ có ở trạm cơ sở. Ở tuyến uplink,
năng lượng và sự phân tập máy thu được tính toán cùng nhau. Năng lượng máy phát di
động được tối thiểu hóa trong khi đó tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu ở mỗi đường truyền được
duy trì trên một ngưỡng. Sự kết hợp phân tập máy phát cho đường truyền downlink cũn
được đưa ra nơi mà vector độ lớn bên phát và phân bố công suất đường xuống được tính
toán song song sao cho SINR của mỗi trạm trên một mức xác định. một thuật toán giả
thuyết để đạt được một giải pháp khả thi cho tuyến xuống nếu chỉ có một máy phát hay
tối thiểu hóa năng lượng được phát đi trong mạng. Trong một mạng tương hỗ nó có thể
được thực hiện bằng một hệ thống phân cấp, và nó không yêu cầu phương pháp đo phản
hồi toàn cục. Trong những mạng không phân cấp, nơi mà kênh phản hồi của tuyến lên và
tuyến xuống là khác nhau, thuật toán định dạng chùm sóng cần được giải quyết ở hệ
thống trung tâm và nó yêu cầu biết trước đáp ứng của kênh downlink. Hiệu quả của thuật
toán này được so sánh với những thuật toán trước đây thông qua tính toán số học.
I - Giới thiệu
Dung lượng của hệ thống di động bị giới hạn bới nhiễu đồng kênh CCI và nhiễu
liên kí hiệu ISI. CCI là nhiễu gây ra bởi việc chia sẻ của người dùng trên cùng một kênh.
Trong môi trường truyền đa đường, kí tự phát đến đầu máy thu với các khoảng thời gian
khác nhau. Sự mở rộng các chu kì ký tự gây ra sự chồng lấn giữa kí tự đăng trước với kí
tự trước đó và nó gây ra nhiễu ISI. Sự kết hợp các máy thu thích nghi tạo chùm sóng đã
được sử dụng một cách rộng rãi để giảm nhiễu CCI và ISI cũng như để cải thiện dung
lượng tuyến lên bằng việc điều chỉnh mẫu chùm sóng sao chi hệ số SINR ở đầu ra của
chùm sóng được tăng lên một cách tối ưu. Để giảm nhiễu CCI, các dạng chùm sóng tại
hướng nhiễu được đặt bằng 0 trong khi tăng ích của máy phát duy trì ở một mức cố định.

Nếu tín hiệu đa đường với trễ mở rộng lớn ở những góc khác nhau, dạng tạo chùm sóng
đơn tap loại bỏ ISI bằng cách đặt bằng null ở những hướng tín hiệu đa đường.
Bằng việc xử lý không gian thời gian ở trạm gốc, chúng ta có thể tối thiểu hóa
nhiễu CCI và ISI một cách tốt nhất. Do đó ở môi trường di dộng với trễ lan lớn, việc kết
hợp xử lí tín hiệu không gian thời gian sẽ nâng cao hiệt suất truyền.
Việc phân tập anten phát có thể được triển khai tại các trạm cơ sở để nâng cao
dung lượng tuyến xuống. Trong các trường hợp mà nhiều phần tử anten được sử dụng ở
bên phát, búp sóng chính của mỗi anten có thêt được hiệu chỉnh để tối thiểu hóa những
nhiễu không mong muốn ở máy thu. Việc tạo chùm sóng ở máy thu có thể được thực hiện
độc lập trên mỗi máy thu mà không tác động tới chất lượng của các đường truyền khác
trong khi tạo chùm sóng ở phía phát của mỗi anten sẽ làm ảnh hưởng tới nhiễu ở các máy


thu khác. Do đó, việc tạo chùm sóng máy phát phải được thực hiện đồng thời trên toàn bộ
mạng. Hơn nữa, trong việc tạo chùm sóng máy thu, một phản hồi ở đầu ra máy thu được
sử dụng để điều chỉnh các vector kết hợp. Trong việc tạo chùm sóng máy phát, để đo đáp
ứng kênh truyền, ta phải thăm dò ở trạm di động và kênh phản hồi sẽ được sử dụng để
truyền thông tin đến trạm gốc. Tuy nhiên, hệ thống song công phân chia theo thời gian
nơi mà tuyến xuống và lên là đối ứng, thì kênh thông tin của đường lên có thể dành cho
đường xuống.
Trong bài tìm hiểu này chúng ta sẽ đề cập đến vấn đề của việc tạo chùm sóng phái
phát trong toàn bộ mạng. Chúng ta sẽ tìm hiểu về những khái niệm về công suất tối đa ở
đường xuống cũng như số người dùng tối đa sao cho đạt được SINR mong muốn. Một
thuật toán được đề xuất đề tìm ra các phương án khả thi cho viẹc tạo chùm sóng phía phát
và phán bố công suất đường xuống sao cho SINR ở mỗi tuyến lớn hơn ngưỡng cho phép.
Thuật toán này cho phép giảm thiểu công suất phát trong mạng cũng như mở rộng nó cho
các trường hợp phân tập máy phát đa tap cái mà cho phép loại bỏ nhiễu ISI hiệu quả hơn.
Thuật toán này có thể được sử dụng cho các hệ thống TDMA hoặc FDMA để giảm bớt
khoảng cách tái sử dụng và làm tăng số lượng người sử dụng trên một cell. Ở hệ thống
CDMA, sự kết hợp này có thể làm giảm nhiễu CCI cũng như tăng dung lượng của cell.

Trong một hệ thống TDD, nơi mà kênh thu và phát là đối ứng, thuật toán này được
thực hiện theo luật phân bố không nhất thiết phải đo kênh toàn cục của mạng. Trong hệ
thống FDD thì kênh lên và xuống lại không đối ứng vì thế thuật toán lại yêu cầu đáp ứng
kênh tuyến xuống để có phân tâp vector tuyến xuống và phân bố công suất toàn tuyến.
Các đặc tính kênh tuyến xuống được đo ở thiết bị di động và được chuyển tới trạm gốc
thông qua các kênh phản hồi. Sử dụng thuật toán này, ta sử dụng một bộ xử lý trung tâm
có thể tính toán được vector độ lớn bằng cách sử dụng các kênh toàn cục. Cấu trúc của
bài tìm hiểu tiếp theo sẽ là
Phần II: Mô hình hệ thống và phân tập máy thu
Phần III: Phân tập máy thu và điều khiển công suất
Phần IV: Tạo chùm tia phía phát
Phần V: Tính toán hiệu quả của thuật toán bằng mô phỏng


II – Mô hình hệ thống và phân tập máy thu
Chúng ta sẽ xem xét một tập hợp liên kết các kênh cùng chia sẻ trạm gốc trog hệ thống
CDMA hoặc sử dụng các trạm gốc khác nhau trong mạng TDMA. Mỗi tuyến bao gồm
một máy di động và trạm gốc mà nó truyền. Giả sử mỗi tuyến có tối đa L đường truyền,
và các đường truyền đó là xác định trước sao cho trạm gốc được sử dụng bởi nhiều người
dùng là như nhau. Chúng ta giả sử dãy anten với P thành phâng được sử dụng duy nhất ở
trạm gốc. Với điều kiện đưa ra là fading chậm, tín hiệu nhận được ở trạm gốc thứ i được
tính theo công thức dưới đây
=
Trong đó là mô hình log-normal shadow fading
và là fading đường thứ l và suy hao từ trạm mobile thứ m đến trạm gốc i
là công suất phát bởi thiết bị mobile thứ m
T

là dãy đáp ứng thứ i cho tín hiệu ở trạm mobile thứ m theo hướng

là vector nhiễu nhiệt tại trạm cơ sở thứ i
Tín hiệu có thể biểu diễn chức năng của một bản tin các kí tự

Trong đó k = , và là mô hình ảnh hưởng của hàm xung của dạng điều chế
T là thời gian. Chúng ta có thể viết lại đầu ra thành
(1)
Bây giờ chúng ta phải xác định xung phản hồi từ trạm mobile thúe m toeid thành phần
thứ p của trạm gốc i theo công thức

Trong đó, bao gồm ảnh hưởng của bộ lọc của cả bên thu và phát và
Vector kênh đáp ứng xung cho mô hình rời rạc tương đương


Giả sử chiều dài của đáp ứng xung là N. Sau đó chúng ta biểu diễn vector tín hiệu nhận
được là

Trong đó là nhiễu nhiệt ở đâu ra của bộ lọc của phần tử thứ k của dãy anten. Vì thế
chúng ta sẽ có ma trận kênh đáp ứng là

Và tương đương

Trong đó
Sơ đồ khối với hệ thống các dãy thích nghi ở máy thu được cho ở hình 1. Đầu ra của bộ
ghép ở máy thu thứ i được viết , trong đó là vector độ lớn tạo chùm sóng. Công suất đầu
ra trung bình tính là

Mục đích của việc tạo chùm tia ở máy thu là để điều chỉnh vector độ lớn sao cho
đạt được giá trị SINR lớn nhất ở đàu ra của bộ ghép. Điều đó có thể đạt được bằng cách
tối thiểu hóa nhiễu tổng ở đầu ra của bộ tạo chùm tia trong ki tăng ích mong muốn vẫn
giữ không đổi. Các vector độ lớn được tối ưu theo cách giảm thiểu sau:

sao cho


Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống phân tập máy thu
Lời giải cho vấn đề này là MVDR( minimum variance distortion reponse) được
cho dưới đây

Nếu xung của kênh không được xác định, chúng ta sẽ sử dụng tín hiệu tương quan
với tín hiệu mong muốn. Vector độ lớn thu được bằng cách giảm thiểu lỗi bình phương
trung bình giữa đầu ra với chuỗi tương quan ở trên. Vấn đề tối thiểu hóa ở đây là xác định

Lời giải cho nó là phương pháp MMSE( minimum mean square error) được đưa ra
bởi Wiener-Hopf

Trong đó

Để đơn giản hơn , tín hiệu tương quan được xem như là 1 bản sao của tín hiệu
mong muốn, có nghĩa là

Cả phương pháp MVDR và MMSE đều đưa ra là , trong đó c là hằng số và không
ảnh hưởng tới SINR ở đầu ra của bộ tạo chùm tia. Nó có thể biểu diễn cả hai cách tối đa


hệ số SINR. Vector độ lớn được hiệu chỉnh trong suốt quá trình truyền của chuỗi tương
quan và giữ nguyên chuỗi pha.

III – Phân tập máy thu và điều khiển công suất
Trong một mạng với khả năng điều khiển công suất, công suất máy phát được cập
nhật dựa trên liên kết với máy thu mà nó liên kết. Trong bài tìm hiểu này chúng ta sẽ xem

SINR dựa vào điều khiển công suất. SINR là một biểu hiện của phân tập máy thu đi cùng
với vector của mỗi máy thu đó. Mặt khác, việc phân tập kết hợp với tìm vector độ lớn
phụ thuộc vào công suất phía phát. Điều này yêu cầu đật được một hiệu suất tối ưu, và
chúng ta phải cân nhắc việc tính toán vector độ lớn và phân bố công suất trong mạng.
Đầu tiên, chúng ta sẽ tính toán SINR của mỗi đầu nối output như là hàm chức
năng của ma trận tăng ích , vector độ lớn và công suất máy phát. Giả sử tín hiệu phát từ
những nguồn khác nhau là không tương quan và có trung bình zero và nhiễu thêm vào là
nhiễu trắng, chúng ta có thế viết ma trận tương quan là

Trong đó