CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAYTẠI MÁY CẦM TAY
4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập
4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB
Mô hình đường tròn GBSB được sử dụng để tạo ra các dạng kênh trong mô phỏng.
Các kết quả mô phỏng với bao lược đồ kết hợp và hai loại mô hình kênh được giới thiệu trong hình 4.2. Hình 4.2 (a) và (b) là hiệu năng của hệ thống ănten đơn và kép tương ứng trong SCFCM và LCFCM. Trục y của đồ thị là BER và trục x là tỷ số năng lượng ký hiệu của đa đường thứ nhất trên AWGN. Đường trên cùng trong mỗi đồ thị là BER của hệ thống ănten đơn. Đường thứ hai, thứ ba và dưới cùng là BER của hệ thống ănten kép với các lược đồ kết hợp phân tập tương ứng là SD, SLC, và EGC. Có thể thấy từ hai hình này, hệ thống ănten kép luôn tốt hơn hệ thống một ănten trong cả hai mô hình. Đối với ănten kép, EGC là tốt nhất trong ba lược đồ kết hợp phân tập. Để so sánh, hiệu năng của hệ thống ănten thông minh với lược đồ kết hợp phân tập EGC trên hai mô hình kênh và hiệu năng của hệthống đơn ănten được trình bày trong hình 4.2 (c). Độ lợi hiệu năng của kết hợp phân tập EGC trong hệ thống ănten đơn là 3.6 dB đối với SCFCM tại BER
= 10-1 và 4.6 db cho LCFCM. độ lợi hiệu năng tăng lên nếu BER giảm. Ví dụ, độ lợi là 6.4 dB trong SCFCM tại BER = 4 x 10-2 và 7.5 dB đối với LCFCM. Như dự đoán, tang LCFCM thì độ lợi hiệu năng cao hơn trong SCFCM.
Cần chú ý là BER sẽ bão hoà khi lớn hơn một mức Eb/N0 nhất định trong cả ănten đơn và kép, tức là, tăng công suất phát trên một ngưỡng Eb/N0 nhất định sẽ không làm giảm BER. Điều này được lý giải là công suất phát tăng sẽ làm tăng mức tín hiệu của các tín hiệu đa đường, tức là, công suât của các tín hiệu nhiễu tăng.
BER
Eb/No(dB)
(a) BER trong SCFCM
Eb/No(dB)
BER
(b) BER trong LCFCM
(c) Đường giới hạn BER với EGC
Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh
Để nghiên cứu ảnh hư λng của từng tham số riêng lẽ, chúng ta cũng mô phỏng các thay đổi của một số các tham số và trình bày các kết quả bên dưới. Sắp tới, chúng ta chỉ xem xét lược đồ kết hợp phân tập EGC đối với hệ thống ănten thông minh kép. Trước hết, chúng ta sẽ nghiên cứu ảnh hư λng của khoảng cách giữa hai ănten tại máy cầm tay trong SCFCM.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.3: BER với các khoảng cách ănten khác nhau
Các kết quả mô phỏng với các khoảng cách là λ/8, λ/4, λ/2 trong SCFCM được trình bày trong hình 4.3. Chú ý rằng, tất cả các tham số giống như các tham số cơ bản
trongmô phỏng, và khoảng cách ănten λ/4 là giới hạn. Đường trên cùng biểu thị BER của hệ thống ănten đơn. Nhóm ba đường đồ thị dưới cùng là BER của hệ thống ănten kép với khoảng cách giữa phần tử ănten là λ/8, λ/4 và λ/2 từ trên xuống dưới. Khi khoảng cách của hai ănten tăng, thì tương quan giữa hai tín hiệu ănten thấp và hệ thống ănten đạt được độ lợi hiệu năng cao hơn. Vì sự khác biệt hiệu năng giữa khoảng cách ănten λ/8 và λ/4 là rất nhỏ nên hệ thống ănten với khoảng cách λ/4 được chọn trong ứng dụng thực tế.
Thứ hai, chúng ta nghiên cứu ảnh hư λng của trễ lớn nhất, đây là một trong hai tham số mô hình chính, trong mô hình đường tròn GBSB. Trễ lớn nhất thể hiện môi trường vật lý mà các bộ tán xạ được đặt trong đó. Các kết quả mô phỏng với độ trễ lớn nhất là 35, 41, 47 chip trong LCFCM được trình bày trong hình 4.4. Chú ý là tất cả các tham số khác đều giống với tham số cơ bản, và độ trễ lớn nhất 35 chip là tham số cơ bản. Nhóm ba đồ thị trên cùng biểu thị BER của hệ thống ănten đơn, trong đó độ trễ lớn nhất là 35, 41, 47 chip. Nhóm ba đồ thị dưới cùng là BER của hệ thống ănten kép. Có thể thấy từ hình vẽ, hệ thống ănten thông minh kép tốt hơn hệ thống ănten đơn trong mọi trường hợp. Đối với Eb/N0 lớn hay nói cách khác là mức tạp âm thấp ,độ trễ lớn nhất càng lớn thì kết quả càng tốt. Tuy nhiên điều này lại ngược lại khi tạp âm lớn. Hiện tượng này được giải thích trong mô hình GBSB λ chương 3. Khi độ trễ lớn nhất tăng, mức tín hiệu tương đối của đa đường đối với đa đường thứ nhất giảm làm SINR lớn khi tạp âm yếu.
Điều này sẽ cho hiệu năng cao hơn đối với Eb/N0 lớn hơn.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.4 : BER với các độ trễ lớn nhất khác nhau
Thứ ba, chúng ta nghiên cứu ảnh hư λng của số lượng người sử dụng. Các kết quả mô phỏng với số lượng người sử dụng là 8, 12 và 16 trong LCFCM được trình bày trong hình 4.5. Tất cả các tham số đều giống với tham số cơ bản, và số lượng người sử dụng 8 là tham số cơ bản. Nhóm ba đồ thị trên cùng là BER của hệ thống ănten đơn với số lượng người sử dụng là 16, 12 và 8 từ trên xuống dưới. Nhóm ba đồ thị dưới cùng là BER của hệ thống ănten kép với số lượng người sử dụng là 16, 12 và 8 từ trên xuống dưới. Khi số người sử dụng tăng, công suất tín hiệu tương quan đối với người sử dụng mong muốn giảm, điều này làm tăng mức công suất của nhiễu. Do đó, hiệu năng BER giảm. Việc giảm hiệu năng chủ yếu là do Eb/N0 lớn. ví dụ, BER của hệ thống ănten kép cho 8 người sử dụng là 0.49% tại Eb/N0, trong khi đó BER bằng 2.72% với 16 người sử dụng.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.5: BER với số lượng người sử dụng khác nhau
Cuối cùng, chúng ta sẽ nghiên cứu ảnh hư λng của số lượng tín hiệu đa đường. Xét 4,5 và 6 tín hiệu đa đường trong LCFCM, các kết quả mô phỏng được trình bày trong hình 4.6. Số đa đường 4 là tham số cơ bản, và số lượng các rake bộ phận cố định là 3 trong mọi trường hợp. Nhóm ba đồ thị trên cùng biễu diễn BER của hệ thống ănten đơn với các số lượngđa đường khác nhau, với và nhóm đồ thị bên dưới biểu thị BER của hệ thống ănten kép. Có thể thấy từ hình, hệ thống ănten kép tốt hơn so với hệ thống ăten đơn trong cả ba trường hợp. Nếu Eb/N0 nhỏ, thì số lượng các đa đường ảnh hư λng rất ít lên hiệu năng. Đó là do AWGn chiếm chủ yếu khi Eb/N0 nhỏ. Vì vậy, nhiễu do các đa đường khác tương đối không đáng kể. Hiển nhiên là, nhiễu sẽ chiếm chủ yếu với Eb/N0
khi số lượng đa đường tăng.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.6: BER với số lượng đa đường khác nhau 4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB
Mô hình elip GBSB được sử dụng để tạo ra dạng kênh. Các kết quả mô phỏng với ba lược đồ kết hợp phân tập và hahi mô hình kênh được trình bày trong hình 4.7. Hình 4.7 (a) và (b) là hiệu năng của hệ thống ăten đơn và hệ thống ănten kép tương ứng trong SCFCM và LCFCM. Có thể thấy từu hai hình này, hệ thống ănten kép luôn tốt hơn hệ thống ănten đơn trong cả hai mô hình kênh. Hiệu năng của hệ thống ănten kép sử dụng lược đồ phân tập EGC trong hai mô hình kênh và hiệu năng của hệ thống ănten kép dược trình bày trong hình 4.7(c). Độ lợi hiệu năng của hệ thống ănten kép với lược đồ phân tập EGC so với hệ thống ănten đơn là 3.1 dB trong SCFCM tại BER = 10-1 và 4.1 dB trong LCFCM. Độ lợi hiệu năng tăng lên khi BER càng thấp. Ví dụ, độ lợi là 4.4 dB trong SCFCN tại BER = 3 x 10-2 và 6.4 dB trong LCFCM. Như dự đoán, độ lợi hiệu năng trong LCFCM lớn hơn so với SCFCM.
Eb/No(dB)
BER
(a) BER trong SCFCM
Eb/No(dB)
BER
(b) BER trong LCFCM
Eb/No(dB)
BER
(c) Giới hạn BER với EGC
Hình 4.7: BER với ba lược đồ kết hợp và hai mô hình kênh
Để nghiên cứu ảnh hư λng của các tham số trong mô hình elip GBSB, chúng ta mô phỏng sự thay đổi của một số các tham số riêng biệt và đưa ra các kết quả bên dưới.
Tiếp đó, chúng ta chỉ xem xét lược đồ kết hợp phân tập EGC đối với hệ thống ănten thông minh kép. Trước hết, chúng ta xét ảnh hư λng của số lượng người sử dụng. Các kết quả mô phỏng với số lượng người sử dụng là 8,12 và 16 trong LCFCM được trình bày trong hình 4.8. Tất cả các tham số giống như các tham số cơ bản trong mô phỏng.
Nhóm ba đồ thị trên cùng biểu thị BER của hệ thống ăten đơn, với số lượng người sử dụng là 16,12, và 8 từ trên xuống dưới. Khi số lượng người sử dụng tăng, công suất tín hiệu tương quan vủa người sử dụng mong muốn giảm, làm tăng mức công suất của nhiễu. Do đó, hiệu năng BER giảm. Việc giảm hiệu năng chủ yếu do Eb/N0 lớn. Ví dụ, BER của hệ thống ănten kép với 8 người sử dụng là 0.17% tại Eb/N0 = 21 dB, trong khi đó BER bằng 1.27% với 16 người sử dụng.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.8: BER với số lượng người sử dụng khác nhau
Thứ hai, chúng ta nghiên cứu ảnh hư λng của vận tốc di chuyển. Vận tốc di chuyển gồm có 30, 60, 90 km/h, trong LCFCM,các vận tốc này tương ứng cho các tần số Doppler lớn nhất là 59, 119 và 178 Hz, trong khi đó các tham số khác giống với các tham số ban đầu. Các kết quả mô phỏng được cho trong hình 4.9. Nhóm ba đồ thị trên cùng biễu diễn BER của hệ thống ăten đơn với ba vận tốc di chuyển khác nhau. Nhóm ba đồ thị dưới cùng là BER của hệ thống ănten kép. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống ănten thông minh kép hoạt động tốt hơn so với hệ thống ănten đơn trong cả ba vận tốc. Cần chú ý là, ảnh hư λng của vận tốc di chuyển là không đáng kể đối với cả hệ thống ănten kép và hệ thống ănten đơn.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.9: BER với các vận tốc di chuyển khác nhau
Cuối cùng, chúng ta sẽ nghiên cứu ảnh hư λng của số lượng các đa đường. TA xét 4,5 và 6 đa đường trong LCFCM, và các kết quả mô phỏng được trình bày trong 4.10.
Ba đồ thị trên cùng là BER cảu hệ thống ăten đơn với số lượng đa đường khác nhau và ba đồ thị bên dưới là BER của hệ thống ănten kép. Cần chú ý là số lượng các Rake bộ phận là cố định trong cả ba trường hợp. Có thể thấy từ hình vẽ, hệ thống ănten kép hoạt động tốt hơn hệ thống ăten đơn trong cả ba trường hợp. Nếu Eb/N0 nhỏ, thì số lượng đa đường chỉ ảnh hư λng rất ít đến hiệu năng. Điều này là do AWGN chiếm chủ yếu khi Eb/N0 nhỏ. Do đó, nhiễu do các đa đường khác tương đối không đáng kể. Hiển nhiên là, điều này sẽ ngược lại khi Eb/N0 lớn như thấy trong hình vẽ.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.10: BER với số lượng đa đường khác nhau
Các kết quả mô phỏng cho thấy mô hình đường tròn GBSB và mô hình elip GBSB cơ bản là giống nhau. Sự khác nhau cơ bản λ đây là mô hình đường tròn hoạt động tốt hơn đối với Eb/N0 lớn hay tạp âm yếu, trong khi đó mô hình elip lại tốt hơn khi Eb/N0
lớn hay tạp âm mạnh. Hiện tượng này được trình bày trong hình 4.11. Hai đồ thị trên cùng là BER của hệ thống ănten đơn trong mô hình đường tròn và elip GBSB, và nhóm dưới cùng là BER của hệ thống ănten kép.
Eb/No(dB)
BER
Hình 4.11: So sánh BER trong mô hình elip và đường tròn GBSB.
Tóm lại, kết quả mô phỏng của kết hợp phân tập trong hệ thống 3GPP cho thấy:
i) lược đồ EGC hoạt động tốt nhất trong ba lược đồ phân tập kết hợp. Một thuận lợi là lược đồ EGC rất đơn giản để thực hiện.
ii) Như dự đoán, trong LCFCM độ lợi hiệu năng đạt được cao hơn so với SCFCM. Có thể tin rằng hiệu năng thực tế của hệ thống ănten kép nằm trong khoảng hiệu năng của mô hình LCFCM và SCFCM.
Dựa trên những nguyên về phân tập, chúng ta cho rằng MRC chắc chắn hoạt động tốt hơn EGC. Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng cho thấy EGC hoạt động tốt hơn MRC.
Có thể phân tích được nguyên nhân này như sau. Trong mô hình kênh của chúng ta, công suất trung bình của tín hiệu kết hợp từ mỗi một ănten là như nhau. Trong SCFCm, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một ănten chỉ khác nhau về pha, nhưng chúng có cùng công suất tín hiệu. Trong LCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một ăntencó pha đinh Rayleigh độc lập. Do đó, chúng có công suất tín hiệu tức thời khác nhau, nhưng công suất tín hiệu trung bình thì vẫn giống nhau. ĐIũu này cũng có nghĩa là SNR của các tín hiệu ănten giống nhau. Do đó, EGC hoạt động hiệu quả hơn MRC vì mỗi một ănten cps SNR trung bình như nhau. đối với MRC (hay SLC), chúng ta sử dụng giá trị tín hiệu cộng tạp âm thay thế cho SNR như là một nhân tố trọng số. Vì ước tính kênh không chính xác do nhiễu, kết hợp phân tập với hệ số trọng số (S + N) không thoã mãn được những mong muốn như trong lý thuyết. Vì vậy, hiệu năng của MRC thấp hơn so với EGC. Trongmôi trường thực, công suất tín hiệu trung bình của hai ănten không bằng nhau. Trong môi trường thực, MRC có thể hoạt động tốt hơn EGC. Các kết quả sau cho
thấy MRC với hệ số trọng số SNR hoạt động tốt hơn EGC nếu tỷ số SNR trung bình của hai ănten là 2:1, như thấy trong bảng 4.1
SNR của ănten1
Ănten 1 Ănten 2 EGC MRC với
(S+N)
MRC với SNR
-15 dB 18.6% 26.4% 14.9% 15.9% 13.5%
-13 dB 11.3% 18.1% 7.2% 8.0% 6.4%
-11 dB 4.5% 8.0% 1.6% 2.1% 1.5%
Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC