Ứng dụng kỹ thuật beamforming để giảm can nhiễu và giảm xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------

NGUYỄN HUỲNH ĐỨC

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BEAMFORMING ĐỂ GIẢM
CAN NHIỄU VÀ GIẢM XÁC SUẤT NGHẼN TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA.
Chuyên ngành:
Mã số:

Kỹ thuật Điện tử
60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM.
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Đặng Thành Tín

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 26 tháng 12 năm 2012.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Võ Quế Sơn..............................Chủ tịch....................

2. TS. Lƣu Thanh Trà..........................Thƣ ký......................
3. TS. Đặng Thành Tín.........................Phản biện 1..............
4. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo................Phản biện 2..............
5. TS. Đỗ Hồng Tuấn............................Ủy viên....................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Huỳnh Đức

MSHV: 10140006

Ngày, tháng, năm sinh: 05/01/1979

Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng kỹ thuật Beamforming để giảm can nhiễu và giảm
xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Tìm hiểu kỹ thuật Beamforming, các giải thuật MaxSINR, MMSE và MVDR
với lời giải cho trƣờng hợp nhiều điều kiện ràng buộc.
 Khảo sát mối quan hệ giữa mức suy hao của búp sóng phụ, độ rộng của búp
sóng chính với xác suất nghẽn của cell.
 Ứng dụng các giải thuật MaxSINR, MMSE và MVDR để giảm độ rộng búp
sóng chính, ấn định lại búp sóng và tăng độ suy hao của búp sóng phụ.
 Khảo sát các anten đồng nhất đƣợc sắp xếp trên một vòng tròn (UCA Uniform Circular Array) và các cách sắp xếp các anten trên các vòng tròn
đồng tâm nhƣ UCCA (Uniform Circular Centered Array), PUCA (Planar
Uniform Circular Array) and PUHA (Planar Uniform Hexagonal Array).
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/2011
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Tp,HCM, ngày …… tháng…… năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRUỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng, đƣợc sự chỉ dạy nhiệt tình của
Quý thầy cơ trong q trình học cũng nhƣ khi thực hiện luận văn, em đã hoàn thành
luận văn thạc sĩ này.
Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn, ngƣời đã cho em
những ý tƣởng về đề tài và tận tình hƣớng dẫn, chỉ dạy em trong suốt quá trình học
tập cũng nhƣ thực hiện luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện - Điện tử trƣờng
Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến
thức quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng.
Lời cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ
tơi hồn thành luận văn này.

TP. HCM, tháng 11 năm 2012
Học viên
Nguyễn Huỳnh Đức


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả là
do chính tơi thực hiện.

Nguyễn Huỳnh Đức


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT
Luận văn này sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) để làm giảm can
nhiễu và giảm xác suất nghẽn của cell có nhiều búp sóng trong hệ thống thơng tin di
động dựa trên CDMA (hay làm tăng tải lƣu lƣợng cho cell), nhờ việc giảm độ rộng
búp sóng chính và tăng mức suy hao búp sóng phụ. Trong trƣờng hợp phân bố tải
khơng đồng đều trong cell, nhƣ trƣờng hợp có một búp sóng có tải lƣu lƣợng cao
gây nghẽn (hot-beam), chúng ta có thể giảm xác suất nghẽn của cell bằng cách quay
các búp sóng trong cell đi một góc bằng nửa độ rộng búp sóng chính. Trong luận
văn này, kỹ thuật Beamforming đƣợc sử dụng với 3 thuật toán MaxSINR, MMSE
và MVDR. Ở đây, cũng sử dụng khoảng số lƣợng anten từ 16 đến 20 để thực hiện
kỹ thuật Beamforming. Đối với số lƣợng 17 và 19 anten, chúng ta xét đến các cách
sắp xếp anten khác nhau của mảng anten nhƣ UCA, UCCA, PUCA và PUHA. Mỗi
loại cấu hình này đều đƣợc đánh giá xác suất nghẽn của nó so với cấu hình UCA.

ABSTRACT
In this thesis, the beamforming techniques are used to reduce interferences and
to reduce blocking probabilities of multi-beam CDMA systems by reducing main
beamwidth and increasing sidelobe attenuation. For non-homogeneous traffic
loading over a cell, an area loaded with heavy traffic is called a hot-beam, we can
mitigate the blocking probability of cell by rotating each beam direction an angle
that is the half of the main beamwidth. In this thesis three beamforming techniques,
Maximum Signal to Interference and Noise Ratio (MaxSINR), Minimum Mean
Square Error (MMSE) and Minimum Variance Distortionless Response (MVDR)
are used. For each the beamforming technique, a varying number of isotropic
antenna elements from 16 to 20 is considered. For the number of 17 and 19
elements, we consider the different Uniform Circular Array (UCA) configurations
such as: UCCA (Uniform Circular Centered Array), PUCA (Planar Uniform
Circular Array) and PUHA (Planar Uniform Hexagonal Array). For each array
configuration, we evaluate and compare their blocking probabilities with the UCA
configuration.

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang i


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BEAMFORMING ĐỂ GIẢM CAN NHIỄU VÀ
GIẢM XÁC SUẤT NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
CDMA.

MỤC LỤC
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................... 1
1.1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................1

1.2.

Phát biểu bài tốn ..........................................................................................2

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu: .....................................................................................3

1.4.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................4

1.5.

Nội dung của luận văn ...................................................................................4

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 6
2.1.

Các cơ sở để tính các trọng số trong Beamforming ......................................7

2.1.1.

Cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (MaxSINR): .................................8

2.1.2. Sai số bình phương trung bình nhỏ nhất (Minimum Mean-Square Error
– MMSE). ............................................................................................................11
2.1.3. Đáp ứng phi nhiễu phương sai cực tiểu (Minimum Variance
Distortionless Response – MVDR). ....................................................................13
2.2.

Các phƣơng pháp giảm xác suất nghẽn trong cell .......................................15

2.2.1.

Giảm độ rộng búp sóng chính ..............................................................17

2.2.2.

Ấn định lại búp sóng chính ...................................................................19

2.3. Cách tính hệ số của dãy AF (Array Factor) cho các anten sắp xếp theo vòng
tròn 21

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang ii


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG III: KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA MỨC SUY HAO CỦA BÚP
SÓNG PHỤ, ĐỘ RỘNG CỦA BÚP SĨNG CHÍNH VỚI SỐ LƢỢNG ANTEN VÀ
XÁC SUẤT NGHẼN ................................................................................................ 27
3.1. Khảo sát sự phụ thuộc của mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp sóng
chính vào số lƣợng anten. ......................................................................................27
3.2. Khảo sát sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ
và độ rộng búp sóng chính. ....................................................................................30
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ................................... 34
4.1.

Thực hiện với 16 anten ................................................................................34

4.2.

Thực hiện với 17 anten ................................................................................38

4.2.1.

Sắp xếp 17 anten đồng nhất trên một vòng tròn – UCA(17) ................38

4.2.2. Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên một vịng trịn và có 1 anten ở tâm –
UCCA(1:16) .......................................................................................................42
4.2.3. Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm PUCA (1:4:12) ...................................................................................................47
4.2.4. Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm PUCA (1:8:8) .....................................................................................................49
4.2.5.

Sắp xếp 17 anten đồng nhất trên hai vòng tròn - PUCA (8:9) .............52

4.2.6. Sắp xếp 16 anten đồng nhất trên ba vòng trịn và có 1 anten ở tâm PUCA (1:8:4:4) ..................................................................................................54
4.3.

Thực hiện với 18 anten ................................................................................57

4.4.

Thực hiện với 19 anten ................................................................................61

4.4.1.

Sắp xếp 19 anten đồng nhất trên một vòng tròn – UCA(19) ................61

4.4.2. Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên một vịng trịn và có 1 anten ở tâm –
UCCA(1:18) .......................................................................................................65
4.4.3. Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên hai vòng tròn và có 1 anten ở tâm PUCA (1:6:12) ...................................................................................................68

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang iii


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

4.4.4. Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên hai vịng trịn và có 1 anten ở tâm PUCA (1:9:9) .....................................................................................................71
4.4.5.

Sắp xếp 19 anten đồng nhất trên hai vòng tròn - PUCA (9:10) ...........74

4.4.6. Sắp xếp 18 anten đồng nhất trên ba vòng tròn và có 1 anten ở tâm PUCA (1:6:6:6) ..................................................................................................76
4.5.

Thực hiện với 20 anten ................................................................................79

CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 89
5.1.

Kết luận........................................................................................................89

5.2.

Hƣớng phát triển ..........................................................................................90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang iv


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Bộ tạo búp sóng (Beamformer) ............................................................................... 3
Hình 2.1. Các tín hiệu băng hẹp tới dãy anten ....................................................................... 8
Hình 2.2. Hệ thống thích nghi MSE ....................................................................................... 11
Hình 2.3. Cho dãy các anten ..................................................................................................... 13
Hình 2.4. Mẫu búp sóng của anten .......................................................................................... 15
Hình 2.5. Cell và việc phân bố lƣu lƣợng sau khi ấn định lại búp sóng với M = 8 ... 20
Hình 2.6. Sắp xếp N phần tử anten theo vịng trịn ............................................................. 22
Hình 2.7. Sắp xếp các anten đồng nhất theo vịng trịn có thêm một phần tử ở tâm UCCA ............................................................................................................................................. 25
Hình 2.8. Sắp xếp các anten đồng nhất trên các vòng tròn đồng tâm - PUCA ........... 25
Hình 2.9. Sắp xếp các anten đồng nhất trên các vịng trịn đồng tâm có thêm phần tử
ở tâm ................................................................................................................................................ 26
Hình 3.1. Mức suy hao của búp sóng phụ theo số lƣợng anten ....................................... 28
Hình 3.2. Độ rộng của búp sóng chính theo số lƣợng anten ............................................ 29
Hình 3.3. Mẫu búp sóng khi sử dụng 10 anten – UCA(10).............................................. 30
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ cho
trƣờng hợp 17 anten. ................................................................................................................... 32
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ cho
trƣờng hợp 19 anten. ................................................................................................................... 33
Hình 4.1. Sắp xếp 16 anten trên một vịng trịn (UCA) ..................................................... 34
Hình 4.2. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(16) .................................................................. 35

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang v


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Hình 4.3. Mẫu búp sóng sử dụng UCA (16) sau khi quay góc 22,50............................. 36
Hình 4.4. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng với độ rộng búp sóng chính α = 450, tỉ
số tải lƣu lƣợng ζ = 2. ................................................................................................................. 37
Hình 4.5. Thực hiện tạo búp sóng cho tồn bộ cell với UCA(16). ................................. 37
Hình 4.6. Sắp xếp 17 anten trên một vịng trịn (UCA) ..................................................... 38
Hình 4.7. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(17) .................................................................. 39
Hình 4.8. Mẫu búp sóng sử dụng UCA (17) sau khi quay góc 200 ................................ 40
Hình 4.9. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng với độ rộng búp sóng chính α = 400, tỉ
số tải lƣu lƣợng ζ = 2. ................................................................................................................. 41
Hình 4.10. Mẫu búp sóng cho tồn bộ cell với UCA(17) ................................................. 41
Hình 4.11. Sắp xếp 16 anten trên một vịng trịn và có một anten ở tâm
(UCCA(1:16)) ............................................................................................................................... 42
Hình 4.12. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCCA(1:16) ......................................................... 43
Hình 4.13. Mẫu búp sóng sử dụng UCCA (1:16) sau khi quay các góc bằng nửa độ
rộng búp sóng chính. ................................................................................................................... 44
Hình 4.14. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng cho MaxSINR với độ rộng búp sóng
chính α = 450, tỉ số tải lƣu lƣợng ζ = 2. .................................................................................. 45
Hình 4.15. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng cho MMSE và MVDR với độ rộng
búp sóng chính α = 450, tỉ số tải lƣu lƣợng ζ = 2. ............................................................... 45
Hình 4.16. Mẫu búp sóng cho tồn bộ cell với UCCA(1:16) .......................................... 46

Hình 4.17. Sắp xếp 16 anten trên hai vịng trịn và có một anten ở tâm –
PUCA(1:4:12) ............................................................................................................................... 47
Hình 4.18. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:4:12) ..................................................... 48
HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang vi


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Hình 4.19. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng với trƣờng hợp UCA(17) và
PUCA(1:4:12). .............................................................................................................................. 49
Hình 4.20. Sắp xếp 16 anten trên hai vịng trịn và có một anten ở tâm –
PUCA(1:8:8) ................................................................................................................................. 50
Hình 4.21. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:8:8) ....................................................... 50
Hình 4.22. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng với trƣờng hợp sử dụng UCA(17) và
PUCA(1:8:8). ................................................................................................................................ 51
Hình 4.23. Sắp xếp 17 anten trên hai vòng tròn – PUCA(8:9) ........................................ 52
Hình 4.24. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (8:9) ........................................................... 53
Hình 4.25. Xác suất nghẽn của cell cho hai trƣờng hợp UCA(17) và PUCA(8:9) .... 54
Hình 4.26. Sắp xếp 17 anten trên ba vịng trịn và có một anten ở tâm –
PUCA(1:8:4:4).............................................................................................................................. 55
Hình 4.27. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:8:4:4) .................................................... 55
Hình 4.28. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(17) và PUCA(1:8:4:4). ......... 57
Hình 4.29. Sắp xếp 18 anten trên một vòng tròn (UCA) .................................................. 57
Hình 4.30. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(18) ................................................................ 58
Hình 4.31. Mẫu búp sóng sử dụng UCA (18) sau khi quay góc 200.............................. 59
Hình 4.32. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng với độ rộng búp sóng chính α = 400, tỉ

số tải lƣu lƣợng ζ = 2. ................................................................................................................. 60
Hình 4.33. Thực hiện tạo búp sóng cho tồn bộ cell với UCA(18). .............................. 60
Hình 4.34. Sắp xếp 19 anten trên một vịng trịn (UCA) .................................................. 61
Hình 4.35. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(19) ................................................................ 62

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang vii


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Hình 4.36. Mẫu búp sóng sử dụng UCA (19) sau khi quay góc 200.............................. 63
Hình 4.37. Xác suất nghẽn theo tải lƣu lƣợng với độ rộng búp sóng chính α = 400, tỉ
số tải lƣu lƣợng ζ = 2. ................................................................................................................. 64
Hình 4.38. Thực hiện tạo búp sóng cho tồn bộ cell với UCA(19). .............................. 64
Hình 4.39. Sắp xếp 18 anten trên một vịng trịn và có một anten ở tâm - UCCA
(1:18) ............................................................................................................................................... 65
Hình 4.40. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCCA(1:18) ......................................................... 66
Hình 4.41. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và UCCA(1:18) cho
MaxSINR. ...................................................................................................................................... 67
Hình 4.42. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và UCCA(1:18) cho
MMSE, MVDR. ........................................................................................................................... 68
Hình 4.43. Sắp xếp 18 anten trên hai vịng trịn và có một anten ở tâm –
PUCA(1:6:12) ............................................................................................................................... 69
Hình 4.44. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:6:12) ..................................................... 69
Hình 4.45. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và PUCA(1:6:12). ........... 71
Hình 4.46. Sắp xếp 18 anten trên hai vịng trịn và có một anten ở tâm –

PUCA(1:9:9) ................................................................................................................................. 71
Hình 4.47. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (1:9:9) ....................................................... 72
Hình 4.48. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và PUCA(1:9:9). ............. 73
Hình 4.49. Sắp xếp 19 anten trên hai vòng tròn – PUCA(9:10) ..................................... 74
Hình 4.50. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUCA (9:10) ......................................................... 75
Hình 4.51. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và PUCA(9:10). .............. 76

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang viii


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Hình 4.52. Sắp xếp 18 anten trên ba vịng trịn và có một anten ở tâm –
PUHA(1:6:12)............................................................................................................................... 77
Hình 4.53. Mẫu búp sóng khi sử dụng PUHA (1:6:12) ..................................................... 77
Hình 4.54. Xác suất nghẽn của cell khi sử dụng UCA(19) và PUHA(1:6:12). .......... 79
Hình 4.55. Sắp xếp 20 anten trên một vòng tròn (UCA (20)) ......................................... 79
Hình 4.56. Mẫu búp sóng khi sử dụng UCA(20) ................................................................ 80
Hình 4.57. Mẫu búp sóng sử dụng UCA (20) sau khi quay góc 180.............................. 81
Hình 4.58. Thực hiện tạo búp sóng cho tồn bộ cell với UCA(20). .............................. 82

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang ix

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Các tham số sử dụng để đánh giá xác suất nghẽn của cell ............................ 31
Bảng 4.1. Mức suy hao búp sóng phụ cho các số lƣợng anten khác nhau. .................. 83
Bảng 4.2. Mức suy hao búp sóng phụ cho 17 anten với các cách sắp xếp khác nhau.83
Bảng 4.3. Mức suy hao búp sóng phụ cho 19 anten với các cách sắp xếp khác nhau.83
Bảng 4.4. Độ rộng búp sóng chính cho các số lƣợng anten khác nhau. ........................ 83
Bảng 4.5. Độ rộng búp sóng chính cho 17 anten với các cách sắp xếp khác nhau. ... 84
Bảng 4.6. Độ rộng búp sóng chính cho 19 anten với các cách sắp xếp khác nhau. ... 84
Bảng 4.7. Tải lƣu lƣợng của cell với xác suất nghẽn 1% cho các số lƣợng anten
khác nhau ....................................................................................................................................... 85
Bảng 4.8. Tải lƣu lƣợng của cell với xác suất nghẽn 1% sau khi quay các búp sóng86
Bảng 4.9. Mức cải thiện tải lƣu lƣợng của cell sau khi ấn định lại búp sóng. ............. 86
Bảng 4.10. Tải lƣu lƣợng của cell với xác suất nghẽn 1% cho các biến đổi của
UCA(17)......................................................................................................................................... 87
Bảng 4.11. Tải lƣu lƣợng của cell với xác suất nghẽn 1% cho các biến đổi của
UCA(19)......................................................................................................................................... 87
Bảng 4.12. Mức cải thiện tải lƣu lƣợng của cell của các cấu hình khác so với
UCA(17) ......................................................................................................................................... 88
Bảng 4.13. Mức cải thiện tải lƣu lƣợng của cell của các cấu hình khác so với
UCA(19) ......................................................................................................................................... 88

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang x

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF

: Array Factor.

BP

: Blocking Probability.

BS

: Base Station.

CAC

: Call Admission Control.

CDMA

: Code Division Multiple Access.

FIR

: Finite-duration Impulse Response.

GoS

: Grade-of-Service.

MaxSINR

: Maximum Signal to Interference and Noise Ratio.

MMSE

: Minimum Mean Square Error.

MVDR

: Minimum Variance Distortionless Response.

PUCA

: Planar Uniform Circular Array.

PUHA

: Planar Uniform Hexagonal Array.

QAM

: Quadrature Amplitude Modulation.

SBF

: Switched Beamforming.

SINR

: Signal to Interference plus Noise Ratio.

SIR

: Signal to Interference Ratio.

UCA

: Uniform Circular Array.

UCCA

: Uniform Circular Centered Array.

ULA

: Uniform Linear Array.

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang xi


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Nhu cầu cung cấp thoại và các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao của các nhà khai thác
thông tin di động ngày càng tăng. Cùng lúc đó, họ cũng muốn hỗ trợ đƣợc nhiều
thuê bao trên một trạm gốc để giảm chi phí đầu tƣ mạng lƣới. Và nhƣ vậy, các hệ
thống thông tin vơ tuyến địi hỏi tốc độ dữ liệu và dung lƣợng ngày càng cao. Công
nghệ CDMA kết hợp với sử dụng dãy anten có thể giảm can nhiễu đáng kể nhờ kết
hợp trải phổ với bộ lọc không gian và nó là một ứng viên đầy hứa hẹn cho nhu cầu
đó.
Chúng ta quan tâm xác suất nghẽn trong các hệ thống CDMA đa búp sóng sử
dụng dãy anten với kỹ thuật Beamforming mà có tải lƣu lƣợng khơng đồng đều
trong một cell. Sự phân bố lƣu lƣợng không đều có thể làm nghẽn lƣu lƣợng và làm
tăng xác suất nghẽn trong vùng có tải lƣu lƣợng cao (hot-spot area). Với vấn đề xác
suất nghẽn cao trong vùng hot-spot, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phƣơng
pháp khác nhau để thực hiện, nhƣ là: chia cell (cell splitting), vay mƣợn kênh
(channel borrowing), chia sẻ kênh (channel sharing), bao phủ cell (cell overlaying),
cell sectoring, sector hóa cell thích nghi (adaptive cell sectorization) và làm nghiêng
anten (antenna tilt). Ở đây sử dụng các phƣơng pháp giảm độ rộng búp sóng chính,
ấn định lại búp sóng và tăng độ suy hao búp sóng phụ để giảm xác suất nghẽn và
giảm can nhiễu.
Để thực hiện việc giảm trên, chúng ta sẽ sử dụng kỹ thuật Beamforming với các
giải thuật là: cực đại tỷ số tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu (MaxSINR - Maximum
Signal to Interference and Noise Ratio), cực tiểu trung bình bình phƣơng của sai số
(MMSE - Minimum Mean Square Error) và cực tiểu hóa phƣơng sai của đáp ứng
phi nhiễu (MVDR - Minimum Variance Distortionless Response).

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 1


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Với bộ lọc khơng gian, hay Beamforming, mỗi tín hiệu của ngƣời dùng đƣợc
phát và nhận chỉ trên một hƣớng xác định, nhờ vậy nên giảm đƣợc can nhiễu trong
hệ thống. Thiết bị đƣợc sử dụng để thực hiện Beamforming đƣợc gọi là
Beamformer. Beamforming đƣợc dùng cho cả phát và thu tín hiệu, tuy nhiên trong
đề tài này chúng ta chỉ xem xét trƣờng hợp thu tín hiệu trong hệ thống thơng tin di
động CDMA sử dụng dãy anten ở trạm gốc (BS).

1.2.

Phát biểu bài toán

Đề tài: “Ứng dụng kỹ thuật Beamforming để giảm can nhiễu và giảm xác suất
nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA.”
Trong hệ thống thông tin di động, trạm gốc thực tế khơng những thu đƣợc tín
hiệu mong muốn từ ngƣời dùng xác định mà còn thu tín hiệu của các nguồn phát
khác cùng tần số tạo thành nhiễu đồng kênh. Và thực tế cũng gặp trƣờng hợp nghẽn
cục bộ xảy ra chỉ trong một khu vực nào đó do trạm gốc phục vụ làm giảm chất
lƣợng dịch vụ.
Ta thấy rằng nguồn tín hiệu mong muốn và các nguồn nhiễu đồng kênh có vị trí
trong khơng gian khác nhau nên ta sẽ thực hiện bộ lọc không gian (spatial filter).

Ngồi ra, sử dụng bộ lọc khơng gian chúng ta có thể thay đổi độ rộng búp sóng
chính, thay đổi góc định hƣớng của búp sóng và có thể tăng độ suy hao búp sóng
phụ. Bộ lọc khơng gian gồm mảng anten (antennas array), sau mảng anten là bộ hệ
số w i (i 1,..., N ) mà mỗi hệ số w i đƣợc nhân với tín hiệu nhận đƣợc tại anten thứ i.
Tín hiệu ra sẽ là tổng của các tín hiệu ra tại mỗi anten (mơ hình tƣơng tự nhƣ bộ lọc
FIR). Bộ lọc không gian nhƣ vậy cịn gọi là bộ tạo búp sóng (beamformer). Bài toán
sẽ sử dụng các giải thuật MaxSINR, MMSE và MVDR với nhiều điều kiện ràng
buộc để tìm bộ hệ số w i (i 1,..., N ) nhằm giảm can nhiễu trong khi vẫn giữ đƣợc tín
hiệu mong muốn tại đầu ra. Ở đây, mảng anten mà chúng ta áp dụng là các anten
đƣợc sắp xếp trên một vòng tròn hoặc trên các vòng tròn đồng tâm.

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 2


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

x0 (n)

x1 (n)

Luận văn thạc sĩ

w0

+

+

w1

y ( n)
+

xM 1 (n)
wM

1

Hình 1.1. Bộ tạo búp sóng (Beamformer)

1.3.
-

Mục tiêu nghiên cứu:
Tìm hiểu các yếu tố ảnh hƣởng đến can nhiễu, xác suất nghẽn trong hệ thống
thông tin di động CDMA.

-

Tìm hiểu kỹ thuật Beamforming, các giải thuật MaxSINR, MMSE và MVDR
với lời giải cho trƣờng hợp nhiều điều kiện ràng buộc.

-

Khảo sát mối quan hệ giữa mức suy hao của búp sóng phụ, độ rộng của búp
sóng chính với xác suất nghẽn của cell.

-

Ứng dụng các giải thuật MaxSINR, MMSE và MVDR để giảm độ rộng búp
sóng chính, ấn định lại búp sóng và tăng độ suy hao của búp sóng phụ.

-

Khảo sát các anten đồng nhất đƣợc sắp xếp trên một vòng tròn (UCA Uniform Circular Array) và các cách sắp xếp các anten trên các vòng tròn
đồng tâm nhƣ UCCA (Uniform Circular Centered Array), PUCA (Planar
Uniform Circular Array) and PUHA (Planar Uniform Hexagonal Array).

-

Thực hiện chƣơng trình Matlab để mơ phỏng các giải thuật trong các trƣờng
hợp trên và thể hiện kết quả đạt đƣợc.

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 3


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

1.4.

Luận văn thạc sĩ

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

-

Kỹ thuật Beamforming.

-

Can nhiễu và xác suất nghẽn trong hệ thống thông tin di động CDMA.

-

Các giải thuật MaxSINR, MMSE và MVDR để xác định vectơ trọng số tối
ƣu cho mảng anten.

-

Mảng anten sắp xếp trên một vịng trịn hay trên các vịng trịn cách (có thêm
một phần tử nữa ở tâm hoặc không).

-

Trạm gốc thu đƣợc tín hiệu từ các th bao đƣợc điều khiển cơng suất hồn
tồn, búp sóng chính của các búp sóng trong cell là khơng chồng lấp nhau.

-

1.5.

Mơ hình lƣu lƣợng của các th bao là theo mơ hình Poisson độc lập.

Nội dung của luận văn

Chúng ta sẽ trình bày nội dung luận văn này nhƣ sau:

Đầu tiên, chúng ta sẽ trình bày cơ sở lý thuyết của ba thuật toán sử dụng trong kỹ
thuật Beamforming mà chúng ta áp dụng trong luận văn này đó là MaxSINR,
MMSE và MVDR. Ba thuật tốn này mục đích là tính tốn các trọng số tối ƣu cho
dãy anten theo các tiêu chuẩn: cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (SIR), cực tiểu
trung bình bình phƣơng của sai số và cực tiểu hóa phƣơng sai. Cách xác định hệ số
dãy AF (Array Factor) cũng sẽ đƣợc đƣa ra cho các anten sắp xếp trên một vòng
tròn (UCA) cũng nhƣ các trƣờng hợp các anten đƣợc sắp xếp theo các dạng khác
nhau nhƣ UCCA, PUCA, PUHA. Theo [1], sẽ có hai cách để giảm xác suất nghẽn
của cell trong trƣờng hợp cell có một búp sóng có tải lƣu lƣợng cao (hot-beam). Đó
là giảm nhỏ độ rộng của búp sóng chính và ấn định lại các búp sóng chính trong
cell. Và chúng ta cũng trình bày cách tính xác suất nghẽn của cell trong các trƣờng
hợp này.
Chúng ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc của mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp
sóng chính vào số lƣợng anten. Chúng ta sẽ thấy rằng khi tăng số lƣợng anten thì sẽ
HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 4


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

tạo ra các búp sóng tốt (búp sóng có độ rộng nhỏ) , nhƣng bên cạnh đó mong muốn
của chúng ta là càng giảm số lƣợng anten càng tốt. Từ đó xác định khoảng số lƣợng
anten mà ta sẽ quan tâm là từ 16 đến 20 anten. Tiếp đó sẽ đánh giá sự phụ thuộc của
xác suất nghẽn vào mức suy hao búp sóng phụ và độ rộng búp sóng chính mà hai
giá trị này nằm trong dải mà sẽ đƣợc tạo ra trong dải số lƣợng anten nói trên.
Trong luận văn này sẽ tiến hành thực hiện tạo mẫu búp sóng cho các số lƣợng
anten khác nhau, cũng nhƣ các cách sắp xếp khác nhau của số lƣợng anten là 17 và

19. Các dạng cấu hình anten mà chúng ta sẽ xét trong chƣơng này gồm: UCA(16),
UCA(17),

UCCA(1:16),

PUCA(1:4:12),

PUCA(1:8:8),

PUCA(8:9),

PUCA(1:8:4:4), UCA(18), UCA(19), UCCA(1:18), PUCA(1:6:12), PUCA(1:9:9),
PUCA(9:10), PUHA(1:6:12) và UCA(20). Với các kết quả đạt đƣợc, chúng ta đánh
giá xác suất nghẽn của cell (tải lƣu lƣợng của cell) cho từng dạng cấu hình trên.
Khảo sát xác suất nghẽn của cell có một búp sóng có tải lƣu lƣợng cao (hot-beam)
sau khi ấn định lại các búp sóng cũng nhƣ so sánh xác suất nghẽn của cell trong các
cấu hình biến đổi nhƣ UCCA, PUCA và PUHA so với cấu hình UCA.
Và cuối cùng sẽ là phần kết luận và hƣớng phát triển.

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 5


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thông tin di động thế hệ tiếp theo khơng chỉ giới hạn trong dịch vụ thoại mà cịn
hỗ trợ các ứng dụng khác nhƣ truy cập Internet, xem video,…. Với việc các ứng
dụng di động ngày càng phổ biến, phổ tần vô tuyến đã khan hiếm lại càng khan
hiếm hơn. Các u cầu chính cho hệ thống thơng tin di động thế hệ tiếp theo là [2]:
-

Cung cấp các tốc độ dữ liệu băng rộng.

-

Đạt đƣợc dung lƣợng cao để hỗ trợ việc tăng tải lƣu lƣợng trên phổ giới hạn.

-

Cung cấp chất lƣợng dịch vụ cao với giá thành hợp lý.

Để đạt đƣợc tốc độ dữ liệu và dung lƣợng cao, nó cần giảm can nhiễu
(interference) và tạp âm (noise) của hệ thống di động tế bào, trong khi đó cần tăng
cơng suất tín hiệu mong muốn. Với phổ tần giới hạn nhƣ hiện nay, để đạt đƣợc mục
đích này là khó bởi các can nhiễu đồng kênh và kênh kế cận. Vì vậy, các kỹ thuật
tiên tiến cần phải đƣợc sử dụng trong thông tin vô tuyến di động thế hệ tiếp theo.
Trong các thập niên gần đây, kỹ thuật Beamforming trong anten sử dụng cho
thông tin di động đã nhận đƣợc sự quan tâm lớn. Beamforming là một cơng nghệ
hứa hẹn bởi vì nó làm giảm các can nhiễu và tạp âm để làm tăng tỷ số tín hiệu trên
can nhiễu và tạp âm (SINR). Nhờ đó các nhà cung cấp dịch vụ di động có thể cung
cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao với giá thành hợp lý bằng việc hỗ trợ một số
lƣợng lớn thuê bao trên băng tần giới hạn hiện có.
Beamforming là một kỹ thuật xử lý tín hiệu đƣợc sử dụng trong dãy anten để thu
hoặc phát tín hiệu có tính định hƣớng. Đặc tính khơng gian này đƣợc thực hiện bằng
cách sử dụng các mẫu búp sóng (beampattern) thu/phát cố định hoặc thích nghi.

Mẫu búp sóng đƣợc hình thành nhờ điều chỉnh các trọng số phức của các phần tử
anten trong dãy để hƣớng búp sóng đến hƣớng cần quan tâm. Khi thu, thông tin từ
các bộ cảm biến trong dãy đƣợc kết hợp theo cách mà mẫu bức xạ mong muốn đƣợc

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 6


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

ƣu tiên quan sát. Vì vậy, nó làm tăng độ nhạy theo hƣớng ngƣời dùng mong muốn
hơn là hƣớng của các can nhiễu. Khi phát, một bộ tạo búp sóng (beamformer) sẽ
điều khiển pha và biên độ của tín hiệu ở mỗi bộ phát sóng nên tạo ra một búp sóng
có tính định hƣớng cao theo hƣớng mong muốn và triệt tiêu theo hƣớng của can
nhiễu, vì vậy làm tăng SINR của tín hiệu mong muốn và làm giảm cơng suất phát
lãng phí theo hƣớng khơng mong muốn.
Lợi ích của kỹ thuật Beamforming sử dụng trong anten là [2]:
-

Tăng SINR sẽ làm giảm khoảng cách sử dụng lại tần số nên sẽ làm tăng dung
lƣợng.

-

Khi SINR mạnh hơn thì có thể sử dụng các loại điều chế có bậc cao hơn nhƣ
64 QAM. Điều này sẽ dẫn tới tốc độ dữ liệu cao hơn.

-

Bởi vì các trạm gốc (BS) tập trung năng lƣợng vào hƣớng quan tâm thay vì
lãng phí vào các hƣớng khơng cần thiết khác nên có thể làm tăng vùng phủ
của trạm gốc.

-

Kỹ thuật Beamforming làm giảm sự hiện diện của truyền đa đƣờng trong môi
trƣờng vô tuyến di động bằng cách cộng thêm tín hiệu đa đƣờng để làm tăng
cƣờng độ tín hiệu mong muốn.

2.1.

Các cơ sở để tính các trọng số trong Beamforming

Các búp sóng của anten thơng minh đƣợc điều khiển nhờ các thuật toán theo một
tiêu chuẩn nào đó. Các tiêu chuẩn này có thể là cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu
(SIR), cực tiểu phƣơng sai, cực tiểu trung bình bình phƣơng của sai số (MMSE), lái
về hƣớng tín hiệu cần quan tâm, triệt các tín hiệu can nhiễu, hoặc hiệu chỉnh nguồn
phát di động,….Nhờ các tiêu chuẩn này, chúng ta có thể tính tốn đƣợc vector trọng
số để từ đó tạo ra các mẫu búp sóng [3].

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 7


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

2.1.1. Cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (MaxSINR):
Chúng ta thấy rằng nếu triệt tiêu tất cả các can nhiễu bằng cách đƣa về giá trị
khơng ở tất cả các góc đến của chúng thì ta sẽ tự động cực đại SIR.
Xem xét tín hiệu mong muốn đến từ góc θ0 và N can nhiễu đến từ các góc θ1, …,
θN. Tín hiệu và các can nhiễu thu đƣợc bởi dãy M anten đƣợc điều khiển bởi M
trọng số. Mỗi tín hiệu thu đƣợc ở thành phần m bao gồm cả nhiễu Gauss cộng.
Thời gian đƣợc thể hiện bằng mẫu thời gian thứ k.

Hình 2.1. Các tín hiệu băng hẹp tới dãy anten
Tín hiệu ra y đƣợc tính nhƣ sau:
y (k )

H

(2.1)

.x ( k )

Ở đây:
i1 (k )
i2 (k )
x (k )

a0 s (k ) [ a1

.
.
.

a2 . . . aN ].

n (k )

xs (k ) xi (k ) n (k )

(2.2)

iN ( k )

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

Trang 8


GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Với:
1

. . .

2

M

]T : dãy các trọng số.

xs ( k ) : vector tín hiệu mong muốn.

xi (k ) : vector các tín hiệu can nhiễu.

n (k ) : nhiễu Gauss có trị trung bình bằng 0 trên mỗi kênh.
ai : vector lái của dãy M thành phần theo hƣớng đến

i

.

Từ (2.2) ta viết lại (2.1):
H

y (k )

. xs (k ) xi (k ) n (k )

H

. xs (k ) u (k )

(2.3)

Với: u (k ) xi (k ) n (k ) : tín hiệu khơng mong muốn.
Giả sử tất cả các tín hiệu đến là băng hẹp và tổng số các tín hiệu đến N + 1 ≤ M.
Rõ ràng, khi các nguồn phát di chuyển, ma trận của các vector lái sẽ thay đổi theo
thời gian và các góc đến tƣơng ứng cũng thay đổi.
Chúng ta có thể tính tốn các ma trận tƣơng quan cho cả tín hiệu mong muốn

( Rss ) và các tín hiệu khơng mong muốn ( Ruu ). Cơng suất ra của tín hiệu đƣợc cho:
2
s

E

Với: Rss

H

. xs

2

H

.Rss .

(2.4)

E xs .xs H : ma trận tƣơng quan của tín hiệu.

Cơng suất ra của tín hiệu khơng mong muốn:
2
u

E

Với: Ruu

H

.u

Rii

2

H

.Ruu .

Rnn

HVTH: Nguyễn Huỳnh Đức - 10140006

(2.5)

(2.6)

Trang 9