Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Mimo đa người dùng cho 3gpp dùng fdd...

Tài liệu Mimo đa người dùng cho 3gpp dùng fdd

.PDF
89
119
134

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MAI THỊ CHUNG MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG CHO 3GPP DÙNG FDD LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MAI THỊ CHUNG MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG CHO 3GPP DÙNG FDD Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGUYỄN VIẾT KÍNH Hà Nội 2010 i MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các thuật ngữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục các hình vẽ và đồ thị MỞ ĐẦU.......................................................................................................1 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO .......................................2 1.1. Tại sao dùng MIMO? .................................................................................... 2 1.2. Phân tập dùng trong MIMO......................................................................... 3 1.2.1. Nguyên lý............................................................................................................ 3 1.2.2. Các loại phân tập chính: .................................................................................. 3 1.3. Dung năng của hệ MIMO ............................................................................. 5 1.3.1. Hệ thống vô tuyến thông thường SISO ........................................................... 5 1.3.2. Các hệ thống nhiều anten ................................................................................. 6 1.4. Kết luận ......................................................................................................... 12 Chương 2 - TÌM HIỂU VỀ UTRAN 3GPP .................................................13 2.1. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động thế hệ ba .................................. 13 2.1.1. Giới thiệu.......................................................................................................... 13 2.1.2. Thế nào là công nghệ 3G ................................................................................ 13 2.1.3. Cấu trúc hệ thống UMTS…………………………………………………...11 2.2. Cấu trúc phân lớp của W-CDMA .............................................................. 16 2.2.1. Lớp vật lý trong WCDMA ............................................................................. 17 2.2.1.1. Các kênh truyền tải và sắp xếp chúng lên các kênh vật lý ......................... 17 2.2.1.2. Các kênh vật lý trong WCDMA ................................................................ 21 2.2.2. Giao thức truy nhập phương tiện - MAC ..................................................... 35 2.2.2.1. Các dịch vụ của MAC ................................................................................ 36 2.2.2.2. Các kênh logic và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải............ 37 2.3. Kết luận ......................................................................................................... 41 Chương 3 - MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA NGƯỜI DÙNG ...........................................................................................................43 3.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 43 ii 3.1.1. Nhắc lại MIMO đơn người dùng ................................................................... 43 3.1.2. Từ MIMO đơn người dùng đến MIMO đa người dùng .............................. 43 3.2. Những kết quả đạt được và vấn đề tồn tại với mạng MIMO đa người dùng ...................................................................................................................... 40 3.2.1. Về tính dung năng theo lý thuyết ...................................................................... 46 3.2.2. Về thiết kế: ........................................................................................................ 48 3.3. Các kỹ thuật MIMO đa người dùng khi biết kênh tại nơi phát.............. 49 3.4. Sự lập lịch người dùng trong các mạng MIMO ........................................ 54 3.4.1. Sự lập biểu tối ưu cho MIMO đa người dùng đường xuống ............................ 54 3.4.2. Nhóm người dùng theo dung năng kết hợp với lặp .......................................... 55 3.5. Trường hợp biết kênh một phần tại phía phát ......................................... 56 3.6. Kết luận ......................................................................................................... 57 Chương 4 - HỆ MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG CHO TRƯỜNG HỢP UTRA FDD ...............................................................................................................58 4.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 58 4.2. Các phương pháp đa anten trong UTRA FDD ......................................... 59 4.2.1. Tạo chùm.......................................................................................................... 59 4.2.1.1. Tạo chùm trong đường xuống .................................................................... 59 4.2.1.2. Tạo chùm trong đường lên ......................................................................... 60 4.2.1.3. Nhận xét...................................................................................................... 61 4.2.2. Phân tập phát................................................................................................... 62 4.3. MIMO cho trường hợp đường lên UTRA FDD ........................................ 64 4.3.1. Các thuật toán MIMO trong CDMA ............................................................ 64 4.3.1.1. MIMO theo cách nhìn phân tập trong CDMA ........................................... 64 4.3.1.2. MIMO theo cách nhìn thông tin ................................................................. 65 4.3.2. So sánh hiệu năng ............................................................................................ 67 4.3.3. Một số kết quả mô phỏng ............................................................................... 72 4.3.3.1. Mô phỏng hệ SIMO với hệ thống DS-SS (Hệ thống trải phổ trực tiếp) một người dùng ............................................................................................................... 72 4.3.3.2. Sơ đồ mô phỏng hệ SIMO với hai người dùng .......................................... 74 4.4. Kết luận ......................................................................................................... 76 KẾT LUẬN .................................................................................................. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................78 1. Tài liệu tiếng việt (Vietnamese language reference documents) ................... 78 2. Tài liệu tiếng nước ngoài (Foreign language reference documents) ........... 78 iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Các đề án của đối tác thế hệ 3 3G ATM Third Generation Partership Projects Third Generation Asynchronous Transfer Mode ASC Access Service Class Lớp dịch vụ trong truy nhập AICH Acquisition Indicator Channel Kênh chỉ thị bắt AS AS Access Slot Anglular Spread Khe truy nhập Trải góc BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BMC Broadcast/Multicast Control Điều khiển quảng bá/Đa phương BCH (BC) Broadcast Channel Kênh quảng bá BTFD Blind Transport Format Detection Phát hiện khuôn dạng truyền tải mù BD Block Diagonalization Chéo hóa khối BS Base Station Trạm cơ sở CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh CSIT Channel State Information Transmitter Thông tin trạng thái kênh phát CN Core Network Mạng lõi CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CM Connection Management Quản lý kết nối CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền tải tổng hợp được mã hóa CRNC Controlling RNC Điều khiển RNC DC Dedicate Control Điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Kênh truyền tải kênh riêng 3GPP Thế hệ 3 Mode truyền không đồng bộ iv DSCH Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ dùng chung DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng DPC Dirty Paper Coding Mã hóa giấy bẩn EGC Equal Gain Combining Tổ hợp độ lợi bằng nhau FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FBI Feedback Information Thông tin phản hồi FBF Fixed Beamforming Tạo chùm cố định FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số GC General Control Điều khiển chung GSM Global System For Mobile Communication Hệ thống di động toàn cầu IP Internet Protocol Giao thức internet IC Interference Cancell Trừ khử can nhiễu MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra MRC Maximum Ratio Combining Tổ hợp tỷ số cực đại MMSEC Minimum Mean Square Error Combining Tổ hợp lỗi bình phương trung bình cực tiểu ME Moblie Equipment Thiết bị di động MSC Mobile Switched Center Trung tâm chuyển mạch di động MAC Medium Access Control MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường Lớp điều khiển truy nhập phương tiện MM Mobility Management Quản lý di động MAI Multiple Access Interference Nhiễu giao thoa đa truy nhập PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý v PCPCH Primary Common Packet Physical Kênh vật lý gói chung sơ cấp Channel PCCPCH Primary-Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PDSCH Physical Downlink Shared Chanel Kênh vật lý dùng chung đường xuống PI Paging Indicator Chỉ thị tìm gọi PIC Parallel Interference Cancellation Sư loại bỏ nhiễu song song RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra SINR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên can nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên ồn SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập theo không gian STTD Space Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian thời gian SIC Serial Interference Cancellation Loại bỏ can nhiễu nối tiếp SCCPCH Secondary-Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ TFC Transport Format Combination Tổ hợp dạng truyền tải TBS Transport Block Set Tập khối truyền tải TDD Time Division Duplex Ghép công song công phân chia theo thời gian TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị tổ hợp khuôn dạng truyền tải TFI Transport Format Indicator Chỉ thị khuôn dạng truyền tải TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát vi UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UTRAN Universal Terrestrial RAN Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UE User Equipment Thiết bị người sử dụng USBF User Specific Beamforming Tạo chùm cho người dùng WCDMA Wide Band Code Division Multiple Access Zero Forcing Dirty Paper Coding ZFDPC Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng Mã hóa giấy bẩn cưỡng bức về 0 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các kênh vật lý trong WCDMA .............................................................. 21 Bảng 2.2: Các mã đồng bộ sơ và thứ cấp ................................................................. 31 Bảng 2.3 : Sắp xếp các chỉ thị tìm gọi (PI) vào các bit PICH .................................. 34 Bảng 2.4: Thành phần của tiêu đề MAC .................................................................. 39 Bảng 2.5: Cấu trúc tiêu đề MAC và chuyển đổi kênh logic vào kênh truyền tải .... 40 Bảng 4.1: Độ lợi phân tập so với MIMO theo tải ô rút gọn ..................................... 68 Bảng 4.2: Thông số mô phỏng ................................................................................. 69 Bảng 4.3: Các kết quả BER thu được khi thay đổi Pathprofile của SIMO một người dùng .......................................................................................................................... 73 Bảng 4.4: Các kết quả BER thu được khi thay đổi Pathdelay của SIMO một người dùng .......................................................................................................................... 74 Bảng 4.5: Các kết quả BER thu được khi thay đổi PathProfile người dùng 1. ....... 75 Bảng 4.6: Các kết quả BER thu được khi thay đổi PathDelay người dùng 1 .......... 75 viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.2: Cấu hình anten MISO ................................................................................ 4 Hình 1.3: Minh họa mã không gian-thời gian ............................................................ 4 Hình 1.4: Minh họa hệ thống SIMO .......................................................................... 4 Hình 1.5: Phân tập thu ................................................................................................ 5 Hình 1.6: Minh họa hệ thống SISO............................................................................ 6 Hình 1.7: Hệ thống MIMO thông thường .................................................................. 7 Hình 1.8: Mô hình MIMO đầy đủ .............................................................................. 8 Hình 1.9: Minh họa hệ thống MIMO ......................................................................... 9 Hình 1.10:Một hệ thống thông tin đạt được dung năng. .......................................... 10 Hình 1.11: Minh họa về thuật toán đổ nước ............................................................ 10 Hình 2.1: Cấu trúc mạng UMTS .............................................................................. 14 Hình 2.2: Sử dụng phổ UMTS ................................................................................. 15 Hình 2.3: Các nút mạng UMTS ............................................................................... 15 Hình 2.4: Cấu trúc phân lớp của mạng WCDMA .................................................... 16 Hình 2.5: Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến .................................................. 16 Hình 2.6: Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý ...................................... 20 Hình 2.7: Sắp xếp hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý. ..................................... 21 Hình 2.8: Cấu trúc kênh vật lý của UTRA/IMT-2000 ............................................. 22 Hình 2.9: Cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH ...................................... 23 Hình 2.10: Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng ......... 24 Hình 2.11: Cấu trúc truy nhập ngẫu nhiên .............................................................. 24 Hình 2.12: Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin RACH ....................................... 25 Hình 2.13 : Cấu trúc phát truy nhập nhẫu nhiên ..................................................... 26 Hình 2.14: Cấu trúc khung vô tuyến DPDCH/DPCCH .......................................... 28 Hình 2.15: Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh hoa tiêu chung đường ................... 29 Hình 2.16: Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh điều khiển chung sơ cấp ................ 29 Hình 2.17: Cấu trúc khung vô tuyến cho S - CCPCH ............................................. 30 Hình 2.18: Cấu trúc khung kênh đồng bộ SCH không được mã hoá ..................... 31 Hình 2.19: Cấu trúc của kênh đồng bộ SCH được phát phân tập mã hóa TSTD ... 32 Hình 2.20: Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh PDSCH .......................................... 32 Hình 2.21: Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh chỉ thị bắt ....................................... 33 Hình 2.22: Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh chỉ thị tìm gọi ................................. 34 Hình 2.23: Giao thức truy nhập phương tiện MAC ................................................. 35 Hình 2.24: Sắp xếp giữa các kênh logic và các kênh truyền tải .............................. 38 ở đường lên và đường xuống ................................................................................... 38 Hình 2.25: PDU số liệu MAC .................................................................................. 38 Hình 2.26: Cấu trúc tiêu đề MAC ............................................................................ 39 ix Hình 3.1: Kênh đa truy nhập MAC .......................................................................... 44 Hình 3.2: MIMO BC ................................................................................................ 45 Hình 3.3: Minh họa BC và MAC ............................................................................. 45 Hình 3.4: Nghịch đảo kênh tại nơi phát ................................................................... 49 Hình 3.5: Minh họa về BD ....................................................................................... 51 Hình 3.6: Cấu trúc hệ thống tiền mã hóa MIMO sử dụng BD................................. 51 Hình 3.7: Dung lượng tổng Ergodic và tốc độ tổng theo số anten thu phát ............ 53 Hình 3.8: ZFDPC ..................................................................................................... 55 Hình 3.9: Tốc độ tổng theo số người dùng .............................................................. 56 Hình 4.1: Máy thu RAKE trong hệ thống WCDMA ............................................... 61 Hình 4.2: Mô hình hệ thống cho phân tập phát MIMO trong CDMA ..................... 64 Hình 4.3: Mô hình hệ thống cho MIMO thông tin................................................... 65 Hình 4.4: Công suất thu được trên mỗi bit và anten ................................................ 70 Hình 4.5: Công suất thu trên mỗi bit và mỗi anten .................................................. 71 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mô hình hệ SIMO ......................................................... 72 cho hệ thống DS – SS một người dùng .................................................................... 72 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, hệ thống truyền thông vô tuyến ngày càng phát triển mạnh mẽ. Vì vậy, nhu cầu về phổ tần là rất lớn, mà yếu tố để mở rộng phổ tần lại rất hạn chế và có chi phí cao. Vì vậy, việc sử dụng phổ tần một cách hiệu quả là rất cần thiết. Bênh cạnh đó fading luôn luôn là vấn đề gây khó khăn cho các nhà thiết kế hệ thống. Các môi trường nhiều tán xạ, nếu chúng ta sử dụng các hệ thống nhiều anten thay vì các hệ thống đơn anten thì hiệu suất phổ sẽ tăng rất lớn, và dung năng của kênh vô tuyến có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các mảng anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống MIMO (Multiple Input, Multiple Output) có thể cung cấp dung năng cao cho các hệ thống không dây, và dung năng tăng tuyến tính với số anten phát với điều kiện số anten thu là lớn hơn hoặc bằng số anten phát. MIMO đã được ứng dụng trong nhiều các chuẩn mạng không dây hiện tại và tương lai như WIMAX, 3GPP, WDCMA2000, 3GPP LTE, 4G,…[1] Các hệ thống MIMO đơn người dùng đã được tìm hiểu rất nhiều và không thể phủ nhận những ưu điểm mà nó mang lại cho hệ thống truyền thông không dây. Hiện nay, các nghiên cứu cũng như việc áp dụng MIMO đang dành sự quan tâm nhiều đến hệ thống MIMO đa người dùng vì những ưu điểm của nó vượt trội hơn hẳn so với hệ thống MIMO đơn người dùng. MIMO đa người dùng sử dụng sự chia sẻ không gian kênh của kênh cho người dùng (SDMA) khác với đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Hiện nay, nhiều nước trên thế giới cũng như Việt Nam đã đưa hệ MIMO đa người dùng vào áp dụng cho hệ thống 3GPP dùng FDD. Vậy nó được áp dụng như thế nào? và những hiệu quả đã đạt được? MIMO đa người dùng được áp dụng cho cả đường lên và đường xuống trong 3GPP nhưng luận văn chỉ trình bày sâu về đường lên. o o o o Bản luận văn được chia làm các phần chính: Chương 1: Tổng quan về hệ thống MIMO Chương 2: Tìm hiểu về UTRAN 3GPP Chương 3: Một số vấn đề về truyền thông đa người dùng Chương 4: Hệ MIMO đa người dùng cho trường hợp UTRA FDD 2 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO [5][12] 1.1. Tại sao dùng MIMO? Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến, dù là các mạng vô tuyến di động như 3GPP UMTS hoặc các mạng vô tuyến không dây như WLAN, đều muốn cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn. Muốn vậy việc bổ sung các phương pháp truyền thống, như là việc đưa ra các loại điều chế cao hơn hoặc cung cấp băng thông lớn hơn, là cần thiết. Điều này cũng đang đạt được bằng cách sử dụng các hệ thống nhiều antenMIMO (Multiple Input- Multiple Output) nhờ những ưu điểm của MIMO là:  Tăng độ phân tập (diversity) của kênh truyền fading, do đó có thể giảm xác suất lỗi (BER hay FER...)  Tăng dung lượng (capacity) của kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu mà không cần tăng thêm băng thông. Trước khi đi sâu về kỹ thuật MIMO, ta xét qua vài nét về quá trình phát triển của kỹ thuật này. Lịch sử phát triển của MIMO được tóm tắt như sau: Năm 1970 những ý tưởng về MIMO xuất hiện, những phải cho đến tận năm 2007 trở đi mới có nhiều nghiên cứu về MIMO (xem hình 1.1) Hình 1.1: Khái quát lịch sử phát triển của MIMO 3 1.2. Phân tập dùng trong MIMO 1.2.1. Nguyên lý: Hệ thống MIMO dựa trên các kỹ thuật phân tập khác nhau để tạo ra truyền thông vô tuyến mạnh mẽ hơn, thậm chí ngay cả khi các kênh hay thay đổi. Trong đó kỹ thuật phân tập dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau. 1.2.2. Các loại phân tập chính: 1) Phân tập thời gian (Các khe thời gian và mã hóa kênh khác nhau): Các thông tin mang tín hiệu như nhau được phát trong L khe thời gian khác nhau, trong đó sự phân tách giữa các khe thời gian liên tiếp là lớn hơn hoặc bằng với thời gian kết hợp của kênh. 2) Phân tập tần số: Các thông tin mang tín hiệu như nhau được phát trên L sóng mang, trong đó sự phân tách giữa các sóng mang liên tiếp là lớn hơn hoặc bằng độ rộng băng kết hợp của kênh 3) Phân tập không gian: Sử dụng nhiều anten tại nơi phát hoặc nơi thu. Đây là một phương pháp có hiệu quả cho việc chống lại fading đa đường. Trong trường hợp này, các bản sao của các tín hiệu được phát như nhau được cung cấp qua các anten khác nhau của nơi thu. Nó thích hợp trong trường hợp khoảng cách giữa anten là lớn hơn khoảng cách kết hợp để đảm bảo tính độc lập của các anten khác nhau. Các loại phân tập không gian: (1) Phân tập phát: Khi có anten phát nhiều hơn anten thu, được gọi là phân tập phát. Đó là hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra (MISO-Multiple Input Single Output) như thấy ở hình (1.2) 4 Hình 1.2: Cấu hình anten MISO Trong trường hợp này, các dữ liệu cùng được phát dư thừa trên toàn bộ hai anten. Phương pháp này có ưu điểm là nhiều anten và mã hóa dư thừa được chuyển từ trạm cơ sở đến người dùng nhờ vậy các công nghệ này là đơn giản hơn và dễ thực hiện. Cũng có thể bổ sung mã không gian- thời gian để cải thiện hiệu năng và tạo ra phân tập không gian thích hợp. Khi đó tín hiệu sao chép được phát không chỉ từ một anten khác nhau mà còn tại một thời điểm khác nhau. Trễ truyền này được gọi là trễ phân tập. Các mã không gian- thời gian là sự kết hợp phân tập không gian và sự sao chép lại các tín hiệu theo thời gian. Ta có thể thấy rõ điều này ở hình (1.3) Hình 1.3: Minh họa mã không gian-thời gian Việc mã hóa cũng có thể được xử lý trong miền tần số, được gọi là mã hóa tần số-không gian. (2) Phân tập thu: Đối với các hệ thống một đầu vào nhiều đầu ra (SIMO-Single Input Multiple Output), chúng ta chỉ có một anten phát và M anten thu ( hình 1.4) Hình 1.4: Minh họa hệ thống SIMO 5 Khi đó ở nơi thu có thể sử dụng các kiểu tổ hợp khác nhau như: MRC, EGC, MMSEC,… Trong đó: - MRC: Maximum Ratio Combining: Tổ hợp tỷ số cực đại - EGC: Equal Gain Combining: Tổ hợp độ lợi bằng nhau - SWC: Switched Combining: Tổ hơ ̣p chuyể n ma ̣ch, v.v….. Hình 1.5: Phân tập thu Hình (1.5) cho ta thấy thí dụ về tổ hợp chuyển mạch phân tập và tỷ số cực đại trường hợp có hai nhánh phân tập từ hai đường truyền khác nhau Bởi vì các đường truyền là khác nhau, nơi thu thấy hai tín hiệu tổn hao khác nhau. Sử dụng một phương pháp thích hợp ở nơi thu, tỷ số tín hiệu trên ồn có thể tăng. Chuyển mạch phân tập luôn luôn sử dụng tín hiệu mạnh hơn, trong khi sự kết hợp tỷ số cực đại sử dụng tổng tín hiệu từ hai tín hiệu Trong thực tế, các phương pháp tổ hợp phân tập có thể được sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp, phụ thuộc vào điều kiện kênh. 1.3. Dung năng của hệ MIMO [12] 1.3.1. Hệ thống vô tuyến thông thường SISO Điều kiện: - Xét phân tập không gian - Kênh fading phẳng, chậm - Biết hoàn toàn kênh Các hệ thống vô tuyến thông thường sử dụng một anten phát và một anten thu. Trong lĩnh vực MIMO, đây được gọi là một đầu vào, một đầu ra 6 Hình 1.6: Minh họa hệ thống SISO Theo Shannon, dung năng kênh C của một kênh vô tuyến là phụ thuộc vào băng thông B và tỷ số công suất trung bình tín hiệu trên nhiễu S/N. C = log2 (1+ Bps S )( ) Hz N (1.1) Trong thực tế khi kênh thay đổi theo thời gian, thí dụ kênh không dây fading ngẫu nhiên, dung năng có thể được viết như sau: C = log2(1+SNR.[H]2)( Bps ) Hz (1.2) Trong đó H là vectơ đơn nhất-công suất phức của kênh. 1.3.2. Các hệ thống nhiều anten  Hệ thống SIMO (Hình 1.4)- Biết thông tin kênh phát - thu Dung năng kênh của SIMO là: C = log2[1+M.SNR]( Bps ) Hz (1.3) Trong đó: (1.4) 2 2 M : Tăng thêm M công suất tín hiệu Trong thực tế với thời gian thay đổi và cộng thêm kênh không dây fading ngẫu nhiên, dung năng có thể được viết như sau: C = log2[1+SNR.HH*]( Bps ) Hz (1.5) Trong đó: H là một vector kênh 1  M và ( )* là liên hợp chuyển vị  Hệ thống MISO (Hình 1.2) - Biết thông tin kênh phía phát Đối với hệ thống MISO, chúng ta có N anten phát và chỉ có một anten thu. Ta có dung năng của hệ thống MISO là: C = log2[1+N.SNR]( Bps ) Hz Trong trường hợp thực tế, dung năng của hệ thống MISO N  1 là: (1.6) 7 C = log2[1+SNR.HH*]( Bps ) Hz (1.7) So sánh với hệ thống SISO, dung năng của các hệ thống SIMO và MISO cải thiện hơn. Tăng dung năng là do phân tập không gian làm giảm fading và cải thiện SNR. Tuy nhiên, việc cải thiện SNR là rất hạn chế, do SNR tăng theo hàm logarit.  Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) Đối với hệ thống MIMO, chúng ta có M anten phát và N anten thu (Hình 1.7) Hình 1.7: Hệ thống MIMO thông thường Bằng cách sử dụng kênh như nhau, mọi anten thu không những thu được các thành phần trực tiếp dành cho nó, mà còn các thành phần gián tiếp dành cho những anten khác. Kết nối trực tiếp từ anten 1 tới 1 được chỉ rõ với h11 , v.v…trong khi kết nối gián tiếp từ anten 1 tới anten 2 được nhận biết qua thành phần h12 , v.v…Từ đó thu được ma trận H gọi là ma trận kênh. (1.8) Về mặt toán học, ta có môi liên hệ vector thu y , vector phát x và nhiễu n dưới dạng ma trận: (1.9) y  Hx  n Trong trường hợp m  n , nó luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng số anten tối thiểu. 8 Hình 1.8: Mô hình MIMO đầy đủ Hoặc dạng thành phần: y1=h11x1+h12x2+…+h1NxN+n1 y2=h21x1+h22x2+…+h2NxN+n2 . . . yN=hN1x1+hN2x2+…+hNNxN +nN (1.10) Chúng ta xét dung năng của MIMO trong hai trường hợp (Biết thông tin cả phát và thu):  Tín hiệu được phát như nhau từ mỗi anten: Trong trường hợp này MIMO là sự kết hợp của các kênh SIMO và MISO. Vậy ta có: (1.11) Vì vậy dung lượng kênh MIMO trong trường hợp này là: C = log2[1+M.N.SNR]( Bps ) Hz (1.12) Ta thấy dung năng kênh của hệ thống MIMO cao hơn hệ thống SIMO và MISO.  Tín hiệu được phát khác nhau từ mỗi anten: 9 Chúng ta có thể gửi các tín hiệu khác nhau sử dụng cùng băng thông mà vẫn có thể giải mã một cách chính xác tại nơi thu. Do đó, điều này giống như việc chúng ta tạo một kênh cho mỗi một kênh phát. Dung năng của mỗi kênh như sau: C = log2[1+ Bps M .SNR]( ) Hz N (1.13) Nhưng chúng ta có M kênh nên tổng dung năng của hệ thống là: C = M.log2[1+ Bps M .SNR]( ) Hz N (1.14) Nếu N  M, dung năng của các kênh MIMO xấp xỉ là: C = M.log2[1+SNR]( Bps ) Hz (1.15) Do đó: Chúng ta có thể tăng tuyến tính dung lượng các kênh MIMO theo số anten phát. Vì vậy, có thể phát dữ liệu bằng cách sử dụng các kênh có công suất thấp hơn là sử dụng một kênh đơn có công suất cao. Trong trường hợp thực tế, dung lượng hệ thống MIMO M  N là: C = log2[det[IN+ Bps SNR .HH*]( ) Hz M (1.16) Chúng ta thấy rằng hệ thống MIMO có ưu điểm nổi trội về dung năng. Hình 1.9: Minh họa hệ thống MIMO Vậy khi biết thông tin về trạng thái kênh CSI (Channel State Information) và khi không biết trạng thái kênh thì dung năng kênh của hệ thống MIMO thế nào? Chúng ta xem xét hai trường hợp này. o Biết trạng thái kênh ở phía phát: Xét hệ thống MIMO với N anten phát và M anten thu với ma trận kênh H đầy đủ là M  N. Giả sử chúng ta biết ma trận kênh H tại cả nơi phát và nơi thu. y  Hx  n (1.17)
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan