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 -