Tổng quan hệ thống MIMO

Mục lục Chương 1: Tổng quan hệ thống MIMO 1.1 Mơ hình kênh 1.2 Mơ hình tốn học Chương 2: Kỹ thuật ghép kênh không gian (SDM) 2.1 Sơ đồ hệ thống 2.2 Các tách tuyến tính 2.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF 2.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE 10 2.2.3 Các tham số phẩm chất tách tuyến tính 12 2.3 Các tách phi tuyến 13 2.3.1 Bộ tách tín hiệu QR 13 2.3.2 Bộ tách tín hiệu V-BLAST 15 2.4 Tổng kết 18 Chương 3: Ứng dụng hệ thống MIMO-SDM 20 Chương 1: Tổng quan hệ thống MIMO MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) công nghệ truyền thông không dây, đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu sử dụng nhiều ăng ten để tối ưu hóa tốc độ truyền nhận liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi nhiễu sóng, tín hiệu MIMO tận dụng dội lại sóng “đụng” phải chướng ngại đường truyền khiến chúng đến đầu nhận tín hiệu nhiều đường khác 1.1 Mơ hình kênh Xét hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân tập phát thu với N antenna phát M antenna thu hình vẽ 2.1: Hình 2.1: Mơ hình kênh MIMO Kênh truyền anten máy phát (Tx) anten máy thu (Rx) mơ tả hình vẽ gọi kênh Nhiều đầu vào-nhiều đầu (MIMO) Một hệ thống truyền dẫn kênh MIMO gọi hệ thống truyền dẫn MIMO Trong trường hợp đặc biệt N = M = 1, tương ứng có hệ thống phân tập thu SIMO phát MISO Mơ hình tương đương kênh truyền SISO: Hình 2.2: Mơ hình kênh truyền SISO Mơ hình tương đương kênh truyền MISO: Hình 2.3: Mơ hình kênh truyền MISO Mơ hình tương đương kênh truyền SIMO: Hình 2.4: Mơ hình kênh truyền SIMO 1.2 Mơ hình tốn học Kênh truyền đơn anten máy thu thứ m anten phát thứ n kí hiệu hmn Tương tự hệ thống phân tập phát thu Để tránh ảnh hưởng anten phát thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu phần tử anten mảng anten phát thu λ/2 Kênh MIMO trường hợp kênh MIMO không tương quan Trong trường hợp pha-dinh Releigh phẳng tương quan, hmn mơ hình hóa biến số Gauss phức có giá trị trung bình phương sai Một kênh MIMO gồm N anten phát M aten thu thường biểu diễn ma trận số phức gồm M hàng N cột sau: Định nghĩa vetor phát, thu tạp âm tương ứng là: S=[s1, s2, ,sN]T Y=[y1, y2, , yM]T Z=[z1, z2, , zM]T Chúng ta có mối quan hệ tín hiệu thu tín hiệu phát biểu diễn qua phương trình hệ thống sau: Trong PT =trace{Rss} tổng công suất phát từ N anten phát Rss =E{ssH} ma trận liên hợp phương sai tín hiệu s; z vector tạp âm với phần tử zm mô biến cố Gaus phức độc lập có phân bố có cơng suất trung bình ϭ2, tức E{zzH} = ϭ2IM, IM biểu diễn ma trận đơn vị với M hàng M cột Chương 2: Kỹ thuật ghép kênh không gian (SDM) 2.1 Sơ đồ hệ thống Nguyên lý chung phương pháp phân kênh theo không gian đơn giản: máy phát (Tx) luồng tín hiệu phát chia thành N luồng nhỏ sn(t) truyền đồng thời qua N anten phát Tại máy thu, luồng tín hiệu tách riêng ghép lại (MUX) với Phương pháp phân kênh theo không gian mô tả hình đây: Hình 2.5: Mơ hình hệ thống MIMO-SDM Do tín hiệu phát anten khác nên việc tách tín hiệu luồng phát máy thu chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh từ luồng cịn lại Vì vậy, máy thu cần sử dụng tách tín hiệu tốt có khả cung cấp tỷ số lỗi bit (BER) thấp, đồng thời lại khơng u cầu q cao độ phức tạp tính toán Do máy phát sử dụng phương pháp phân kênh theo không gian đơn phân kênh, kênh nghiên cứu MIMO-SDM tập trung vào việc thiết kế tách tín hiệu máy thu Dựa theo tính chất tuyến tính phương pháp tách tín hiệu, tách tín hiệu MIMO-SDM phân loại thành hai nhóm lớn tách tín hiệu tuyến tính tách tín hiệu phi tuyến Hình 2.6: Phân loại tách tín hiệu Các tách tuyến tính bao gồm: tách tín hiệu ZF (Zero-Forcing) tách tín hiệu MMSE (Minium Mean-Square Eror) Ưu điểm tách tín hiệu tuyến tính có độ phức tạp tính tốn thấp dễ thực nhờ thuật tốn thích nghi phổ biến LMS (Least Mean Square: bình phương trung bình nhỏ nhất), Nhược điểm tách tín hiệu tuyến tính phẩm chất tách tín hiệu (tỷ số lỗi bit) đạt tương đối thấp, đặc biệt sử dụng số lượng anten lớn Gần đây, nhờ việc áp dụng kết hợp với thuật tốn lattice-reduction tách tín hiệu tuyến tính ZF MMSE đạt tỷ số lỗi bit (BER) gần tối ưu, độ phức tạp tính tốn khơng thay đổi Xét cách tổng quát vào thời điểm mà u cầu độ tính tốn phức tạp thấp quan trọng nhưu tách tín hiệu tuyến tính có ưu điểm thường áp dụng thực tế nhiều Ngược lại, so với tách tín hiệu tuyến tính, tách tín hiệu phi tuyến có ưu điểm có phẩm chất BER tốt hơn, lại chịu phải nhược điểm độ phức tạp tính tốn lớn Trong tách tín hiệu phi tuyến, tách tín hiệu ML (Maximum Likelihood) tách tín hiệu tối ưu, tức có phẩm chất BER tốt Tuy nhiên, yêu cầu độ phức tạp tính tốn tách tín hiệu lại lớn nhất, tách tín hiệu dược sử dụng thực tế Ngồi tách tín hiệu ML, tách tín hiệu phi tuyến khác nhưu SIC (Successive Interference Cancellation: triệt nhiễu nối tiếp) hay PIC (Parallel Interference Cancellation: triệt nhiễu song song) sử dụng phương pháp kết hợp tách tuyến tính với phương pháp triệt nhiễu song song nối tiếp nhằm cải thiện phẩm chất BER tận dụng tính tốn thấp tách tín hiệu tuyến tính 2.2 Các tách tuyến tính Sơ đồ cấu hình tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM mơ tả hình đây: Hình 2.7: Cấu hình tách tín hiệu tuyến tính Phần cốt lõi tách tín hiệu kết hợp tuyến tính biểu diễn ma trận trọng số W Dựa ma trận trọng số này, vetor tín hiệu ước lượng ŝ kết phép kết hợp (nhân) tuyến tính vector tín hiệu thu y ma trận trọng số W: Ŝ=WHy Các giá trị ước lượng ŝ sau đưa qua định để lựa chọn đầu tách tín hiệu Trong Q{•} biểu diễn tốn tử định Trong trường hợp tín hiệu phát điều chế phương pháp BPSK tốn tử định tương đương với phép lấy dấu phần thực ŝ, tức là: Trong sign{•} R{•} biểu diễn tương ứng toán tử lấy dấu lấy phần thực số phức Tùy thuộc vào phương pháp tìm ma trận trọng số W có tách tín hiệu tương ứng ZF hay MMSE 2.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF Bộ tách tín hiệu ZF cịn có tên gọi tách tín hiệu LS (Least Square: bình phương nhỏ nhất) Bản chất tách tín hiệu LS giả sử tạp âm khơng sử dụng phương pháp bình phương nhỏ để tìm tín hiệu phát sn Việc tương đương với giải hệ M phương trình với N ẩn số Ma trận trọng số: Hàm chi phí để tìm s định nghĩa sau: ŝ = arg {||y – Hŝ| |22 } sˆ Trong ||.| |22 biểu diễn phép lấy chuẩn (norm) vector ma trận Tức cần tìm ŝ cho tối giản hóa giá trị bình phương sai số sau: ||  y ||22 = ||y – Hŝ| |2 Khai triển ||  y | |22 có: H ||  y ||22 = [y-Hŝ] [y-Hŝ] = yHy – ŝHHHy – yH Hŝ + ŝHHH Hŝ Lấy đạo hàm theo ŝ ta có:  ||  y || 22  – yHH + ŝHHHH sˆ Đặt giá trị đạo hàm không, tức  ||  y || 22  0, sˆ ŝ = (HH H)-1HHy Trong đó: H†= (HH H)-1HH gọi phép đảo ma trận giả bên trái (left pseudoinverse) H Để ý điều kiện để thực phép đảo ma trận giả bên trái rank (H) = N Hay nói cách khác N cột ma trận H cần phải độc lập tuyến tính với Điều kiện đủ số hang M ma trận H phải lớn số cột N, tức M ≥ N Trong trường hợp đặc biệt M=N, phép đảo ma trận giả bên trái trùng với phép đảo ma trận thông thường Điều có nghĩa tách tín hiệu tuyến tính ZF áp dụng cho hệ thống MIMO-SDM, số anten thu nhiều số anten phát Bỏ qua thành phần tạp âm z biểu diễn lại ŝ sau: ŝ = (HH H)-1HHs Do (HH H)-1HHH = IN ma trận đơn vị N hàng N cột nên thấy tách tín hiệu ZF tách riêng tín hiệu phát sn loại bỏ hồn tồn can nhiễu tín hiệu từ anten khác Hay nói cách khác, can nhiễu từ anten bên cạnh bị cưỡng khơng (triệt tiêu) Vì vậy, ngồi LS tách song cịn có tên gọi ZF, hay cưỡng khơng Ta suy tín ma trận trọng số cho tách tín hiệu ZF sau: sˆ  W H y  W  H† H  H H H H H ˆs  ( H H H )1 H H y   1 ,M≥N Do giá trị W phụ thuộc vào ma trận kênh truyền H nên máy thu cần ước lượng ma trận H sử dụng để tách tín hiệu phát sn phía thu Mặc dù tách tín hiệu ZF áp dụng cho kênh truyền có số hang M lớn số cột N, số trường hợp mong muốn sử dụng tách tín hiệu tương tự cho kênh truyền có N>M Trong trường hợp gặp phải toán giải hệ phương trình có số phương trình số ẩn số Khi khơng áp dụng kết ŝ = (HH H)-1HHy ma trận HH H trở nên gần đơn điệu (singular) khơng lấy nghịch đảo Tuy nhiên, sử dụng phương pháp SVD kết hợp với số nhân Lagrange tìm ŝ dạng tương tự ŝ =HH (HH H)-1y Trong H†† = HH (HH H)-1 gọi phép đảo ma trận bên phải (right pseudoinverse) H Và có kết tương đương sau: sˆ  W H y  W  H †† H  H H H H H 1 sˆ  H ( H H ) y   1 HH , M < N Trong Matlab, hàm pinv áp dụng cho hai phép đảo ma trận giả bên phải bên trái Sai số bình phương trung bình (MSE): Phương pháp thơng thường để tính MSE tính ma trận tương quan (covariance matrix) lỗi để tìm giá trị MSEn gắn với tách dấu phát sn đường chéo Ma trận tương quan lỗi tách tín hiệu ZF cho bởi:  2 H R sˆ  E   s  sˆ   E s  sˆs  sˆ      z2 H H H   1 Giá trị MSEn gắn với tách dấu sn phần tử thứ n đường chéo R bằng: sˆ MSE n   z2WnHWn    z2 hnH hn  1 Trong Wn hn biểu thị vector cột thứ n mà trận tương ứng W H Như vậy, giá trị MSE trung bình phương pháp ZF là: MSE    trace R sˆ N    z trace H H H N  1  Để ý phần lớn độ phức tạp tính tốn tách tín hiệu tập trung vào phép lấy nghịch đảo ma trận (HHH)-1 (HHH)-1 Vì vậy, độ phức tạp tính tốn tách tín hiệu ZF tỷ lệ với hàm bậc ba (M,N), tức CZF ~ 0(min[M3,N3]) Ưu điểm bật tách tín hiệu ZF hay LS đơn giản có yêu cầu độ phức tạp tính tồn thấp Tuy nhiên, tạp âm bị bỏ qua thiết kế ma trận trọng số W nên tách tín hiệu chịu ảnh hưởng hiệu ứng khuếch đại tạp âm (noise amplification) Vì vậy, tách tín hiệu ZF thường thích hợp với kênh truyền có tỷ số SNR cao 2.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE Khác với tách tín hiệu ZF, ngồi đặc tính thống kê tín hiệu từ anten phát, tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean Square Error: sai số trung bình bình phương tối thiểu) cịn xem xét đến đặc tính tạp âm nhánh anten thu Ma trận trọng số: Hàm chi phi để tìm ma trận trọng số tách tín hiệu MMSE định nghĩa sau: 2  W  arg E  s  W H y  w   Tức cần tìm ma trận trọng số W để tối giản hóa giá trị trung bình sai số bình phương vector phát vector ước lượng được: E  s Để tìm W cách dễ dàng, để ý rằng: 10   E s W H y  E  s   EtraceR  s Nên tìm mà trận tương quan R  s trước, sau tính E  s định nghĩa ma trận tương quan có: (*) s   R s  s  W H y s  W H y  sau Từ  H = ssH - WHysH - syHW + WHyyHW Để ý rằng: E{ss H }   E{ ys H }  H E{ yy H }  HH H   z2 I M Trong ma trận công suất  phát ma trận đường chéo với phần tử đường chéo tương ứng với công suất phát từ anten phát Trong trường hợp MIMOSDM cơng suất phát nhanh anten phát   Es N nên có  =  IM Do dễ dàng tính được: E{||Δs||2}=trace(E{ssH} – WHE{ysH} – E{syH}W + WHE{yyH}W) = trace(  - WHH  - (H  )HW + WH(H  HH +  z2 IM)W) Để tìm W, tương tự trường hợp ZF, lấy đạo hàm E{||Δs||2} theo W đặt giá trị đạo hàm khơng Sử dụng tính chất đạo hàm trace có: E{||  s |2   H  ( HH H   z2 I M )W W Đặt giá trị đạo hàm không thu được: (**) W  ( HH H   z2 I M ) H  ( HH   z2 I M ) 1 H 11 Sai số bình phương trung bình (MSE): Thay (**) vào (*) thu ma trận tương quan lỗi: R sˆ    (H)H W  ( I  H HW ) Như vậy, giá trị MSE tối thiểu gắn với tách dấu sn sử dụng phương pháp MMSE là: MMSEn   (1  hnH wn ) Và giá trị trung bình tối thiểu phương pháp MMSE là: MSE  trace{( I  H HW )} N Bộ tách tín hiệu MMSE có ưu điểm đơn giản thực tế dễ triển khai nhờ thuật tốn thích nghi Ngồi ra, tách tín hiệu MMSE có tính đến đặc tính tạp âm nên khắc phục nhược điểm khuếch đại tạp âm tách tín hiệu ZF Vì vậy, phẩm chất BER hay SINR tách tín hiệu MMSE thường tốt tách tín hiệu ZF Hơn nữa, giống tách tín hiệu ZF, tách tín hiệu MMSE có độ phức tạp tính tốn thấp Do phần lớn độ tính tốn tập trung vào phép tính lấy nghịch đảo ma trận nên cấp độ phức tạp tách tín hiệu MMSE O(M3) 2.2.3 Các tham số phẩm chất tách tuyến tính Từ cơng thức ŝ = WHy có vector tín hiệu ước lượng vector tín hiệu phát s sử dụng phương tách tín hiệu tuyến tính s = W H y Do tín hiệu ước lượng dấu phát từ anten phát n sn = wHn y Thay y vào biểu diễn s n sau: Trong thành phần biểu diễn tín hiệu mong muốn, thành phần thứ hai biểu diễn nhiễu đồng kênh CCI từ anten lại, thành phần cuối biểu diễn tạp âm, đầu 12 tách tín hiệu Như vậy, variance (hay cơng suất) thành phần tín hiệu đầu tách đó: tương ứng ma trận tương quan tín hiệu mong muốn, nhiễu tạp âm Dựa vào kết tính tốn tính tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR), tỉ số tín hiệu nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio), tỉ số tín hiệu tạp âm cộng với nhiễu (SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio) sau: 2.3 Các tách phi tuyến 2.3.1 Bộ tách tín hiệu QR Bộ tách tín hiệu QR dựa phương pháp phân tích thừa số QR (QR factorization) ma trận kênh truyền H Theo phương pháp phân tích thừa số QR ma trận kênh truyền H € C MxN với M > N phân tích thành H = QR Trong R € C N * N ma trận tam giác (upper triangular matrix) có dạng sau: 13 Cịn Q E C MxN ma trận đơn (unitary matrix) có tính chất Q H Q = Q- Q = Từ phương trình hệ thống y = Hs + z, sử dụng phương pháp QR tính chất ma trận đơn nhất, nhân vế phương trình với Q H có: QHy=Rs+QHz Đặt QHy z’ QHz có phương trình hệ thống y' = Rs + z' Trong z' vector chứa thành phần tạp âm Gauss độc lập Để ý R ma trận tam giác nên phần tử thứ ỉ y', tức y' j , phụ thuộc vào dấu phát phía dưới, tức S j , j > i Một cách tống quát biểu diễn phần tử y' j sau: Trong phần tử thứ tín hiệu mong muốn, phần tử thứ hai bao gồm nhiễu từ anten khác, phần tử cuối biểu diễn tạp âm Do thành phần tín hiệu ứng với anten cuối (N), y’N không chịu ảnh hưởng nhiễu từ anten khác nên tách trước tiên, đến tín hiệu anten (lớp) phía Tín hiệu tách từ lớp sử dụng để triệt tiêu khỏi tín hiệu thu lớp Sử dụng phương pháp định cứng (hard decision), bỏ qua thành phần tạp âm biểu diễn ước lượng đầu phát si sau: Toàn nguyên lý tách tín hiệu QR tóm tắt lại thuật toán bảng sau: 14 Bảng 2.1 Thuật tốn QR Phẩm chất BER tách tín hiệu QR cho hệ thống 4x4 MIMO_SDM so sánh với tách tín hiệu khác hình So với tách tín hiệu khác, tách tín hiệu QR có chất lượng tương đối kém, tách tín hiệu ZF Tuy nhiên, tách tín hiệu QR có ưu điểm đơn giản khơng u cầu độ tính tốn cao Hình 2.8 BER tách tín hiệu cho hệ thống 4x4 MIMO-SDM 2.3.2 Bộ tách tín hiệu V-BLAST Bộ tách tín hiệu V-BLAST (Vertical Bell-Labs Layered Space-Time) phịng thí nghiệm Bell-Labs đề xuất cho hệ thống MIMO-SDM năm 1998 Về chất tách tín hiệu V-BLAST tương tự tách tín hiệu sử dụng phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC:Successive Interference Cancellation) hệ thống CDMA (Code Division Multiple Access) Nguyên lý tách tín hiệu V-BLAST tương tự tách tín hiệu QR Tức là, sử dụng phương pháp tách tín hiệu vịng lặp, vịng 15 lặp có tín hiệu lớp tách Tín hiệu tách lớp sau phản hồi lại để triệt tiêu khỏi tín hiệu thu nhằm loại bỏ ảnh hưởng đến trình tách tín hiệu lớp cịn lại Tuy nhiên, khác với phương pháp QR, tách tín hiệu V-BLAST khơng sử dụng phương pháp phân tích QR nên tín hiệu lớp tách trước bị ảnh hưởng tất lớp lại nhiều so với lớp tách sau Giả sử, tín hiệu tách lớp xác sau phản hồi lại, thành phần chúng triệt tiêu hồn tồn khỏi tín hiệu thu vậy, tín hiệu lớp tách sau khơng bị ảnh hưởng nhiễu từ lớp khác Giải thích theo kỹ thuật xử lý tín hiệu khơng gian độ tự tăng dần theo vòng lặp, lớp tín hiệu tách sau có lợi độ tự mảng anten thu Kết chúng có phẩm chất tốt lỗi Về mặt trực giác, thấy lớp tín hiệu “khoẻ” nên tách trước, lớp “yếu” nên tách sau Trong thông tin, điều tương đương với việc chọn lớp có tỉ số SINR cao để tách trước Do tỷ số SINR tỉ lệ nghịch với sai số bình phương trung bình (MSE), nên thay cho việc tìm lớp có SINRmax tác giả V-BLAST đề xuất sử dụng phương pháp tìm MSEmin từ ma trận kênh truyền tính tốn cách dễ dàng Như vậy, vịng lặp tách tín hiệu V-BLAST tính tốn sai số bình phương trung bình (MSE) gắn với việc tách tín hiệu lớp chọn lớp tương ứng với MSEmin để tách Sau loại bỏ thành phần tín hiệu lớp tách ra, trình lại lặp lại tín hiệu tất lớp tách xong Để giảm bớt độ phức tạp tính tốn, việc tách tín hiệu lớp tiến hành dựa phương pháp tuyến tính MMSE hay ZF Vì vậy, tách tín hiệu V-BLAST cịn gọi tách tín hiệu kết hợp MMSE-SIC hay MMSE-ZF Nguyên lý hoạt động tách tín hiệu VBLAST trình bày tóm tắt Hình 2.9 : Nguyên lý hoạt động tách V-BLAST Biểu diễn {k i , k , , kN} tập trình tự xếp lại tập số anten phát 1,2, ,N xác định thứ tự tách dấu phát s i s Tại vòng lặp thứ I, tách tín hiệu V-BLAST tính tốn sai số MSE tương ứng với tất tín hiệu phát S k i sau 16 {MSEj} = diag {H + (H+)H } , j = , , , N - + i chọn lớp có MSE nhỏ nhất, tức là: ki = arg mijn { MSEj, j=1,2, , N-1+i} Ở diag{•} biểu diễn phép tốn lấy phần tử đường chéo ma trận bên dấu ngoặc; Nếu dùng phương pháp ZF, MSEj tính theo cơng thức: MSEn = z wzHwn = z (hnHhn)-1 Còn sử dụng phương pháp MMSE, MSEj dược tính theo công thức sau: MSEn = ζ2(1 - hnHwn) Sau xác định lớp kj với MSEmin, tách tín hiệu sử dụng phương pháp tách tín hiệu tuyến tính để tách tín hiệu tương ứng với lớp xác định ̅ ki = Q(wkiHy(i)) Trong W k i cột thứ ki ma trận trọng số w tính tốn phương pháp ZF hay phương pháp MMSE Trong kỹ thuật xử lý anten thích nghi, thao tác cịn gọi “nulling” Tiếp theo, tín hiệu tách ̅ ki phản hồi lại tách tín hiệu tuyến tính để triệt tiêu ( cancellation) khỏi vector tín hiệu thu vịng lặp tách tín hiệu tiếp theo: y(i+1) = y(i) - ̅ kihki Trong hki vector xây dựng từ cột ki ma trận H Các thao tác “ nulling and cancellation” lặp lại tín hiệu tất anten phát (lớp) tách xong Thuật tốn tách tín hiệu tóm tắt bảng sau: 17 Bảng 2.1 : Thuật tốn tách tín hiệu V-BLAST So với tách tín hiệu tuyến tính MMSE hay ZF, tách tín hiệu V-BLAST u cầu lượng phức tạp tính tốn lớn Tuy nhiên, lượng tính tốn gia tăng chấp nhận Ngồi ra, xét bậc tính tốn tách tín hiệu V-BLAST có bậc tính tốn giống tách tín hiệu tuyến tính, tức O(M3) Đổi lại cho phần gia tăng tính tốn, phẩm chất BER tách tín hiệu V-BLAST cải thiện nhiều so với tách tín hiệu tuyến tính Đặc biệt nhận thấy tách tín hiệu V-BLAST sử dụng phương pháp MMSE cho phẩm chất BER vượt trội nhiều so với tách tín hiệu khác Ưu điểm phẩm chất BER tốt kết hợp với độ phức tạp tính tốn thấp làm cho tách tín hiệu V-BLAST trở thành ứng cử viên sáng giá để tách tín hiệu hệ thống MIMO-SDM 2.4 Tổng kết Sau nghiên cứu tách tín hiệu trên, ta rút bảng so sánh tóm tắt sau: Đặc điểm Bản Bộ tách tín hiệu ZF Bộ tách tín hiệu MMSE Bộ tách tín hiệu VBLAST Là tách tuyến Là tách tuyến Là tách phi Là tách tính tính tuyến tính phi tuyến tính Giả sử tạp âm Sử dụng phương Dựa phương Sử dụng 18 Bộ tách tín hiệu QR chất khơng sử dụng phương pháp bình phương nhỏ để tìm tín hiệu phát sn pháp sai số bình pháp phân tích phương tối thiểu, thừa số QR xem xét đến đặc ma trận kênh H tính tạp âm nhánh anten thu Hàm chi phí ŝ = arg {||y – 2  W  arg E  s  W H y  w   sˆ Hŝ| |22 } Phương trình hệ thống: y' = Rs + z' phương pháp triệt nhiễu nối tiếp, tức tách tín hiệu vịng lặp, vịng có tín hiệu lớp tách Tính tốn sai số MSE tương ứng với tín hiệu phát: {MSEj} = diag+ +)H {H (H } , j =1,2, , N-1+i Ưu điểm Đơn giản, yêu cầu độ phức tạp tính tốn thấp Thích hợp với kênh truyền có tỷ số SNR cao Đơn giản, dễ triển khai nhờ thuật tốn thích nghi Khắc phục nhược điểm khuếch đại tạp âm tách tín hiệu ZF Phẩm chất BER tốt ZF Độ phức tạp tính tốn thấp Đơn giản, khơng u cầu độ tính tốn cao Có phẩm chất tách tín hiêu ZF Phẩm chất BER cải thiện lớn Đây tách tín hiệu có khả sử dụng nhiều hệ thống MIMISDM Nhược điểm Chịu ảnh hưởng hiệu ứng khuếch đại tạp âm Chất lượng khơng cao Có phẩm chất tương đối Yêu cầu độ phức tạp tính toán 19 Chương 3: Ứng dụng hệ thống MIMO-SDM MIMO xây dựng dựa chuẩn 802.11g 802.11n Viện Kỹ thuật Điện Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers – IEEE), thường dùng chung với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng chuẩn mạng 3G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Ưu điểm MIMO gia tăng tốc độ truyền liệu mở rộng tầm phủ sóng băng thơng, đồng thời giảm chi phí truyền tải Cơng nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu nhận tín hiệu mạnh từ ăng ten vị trí Trong việc truyền thơng sóng vơ tuyến, chướng ngại đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận địa hình, tịa cao ốc, dây điện cấu trúc khác khu vực làm cho sóng bị phản xạ khúc xạ Những yếu tố nhiều làm cho sóng bị nhiễu, yếu hay hẳn Trong truyền thông kỹ thuật số, yếu tố nói làm giảm tốc độ truyền chất lượng liệu Trong cơng nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng ten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhằm tăng lưu lượng thơng tin Dữ liệu truyền sau tập hợp lại đầu nhận theo định dạng ấn định Điều tương tự đôi tai tiếp nhận đủ thứ âm từ giới bên ngoài, sau não lọc lựa phân loại âm MIMO-SDM để phân biệt tín hiệu khác tần số Thêm vào đó, người ta sử dụng kỹ thuật mật mã hóa khối liệu theo thời gian không gian (space-time block coding) để tăng cường độ tin cậy Với công nghệ phát triển ngày tinh vi, vi mạch nhỏ bé, có tốc độ xử lý cao đáng tin cậy sản xuất đại trà với giá rẻ nên việc ứng dụng MIMO thực tiễn thu hút nhiều ý giới truyền thông không dây Hãng Netgear Santa Clara, bang California (Mỹ) gần tung sản phẩm sử dụng bảy ăng ten có khả phối hợp với 127 kiểu ăng ten phát thu tín hiệu kỹ thuật số Các sản phẩm Wi-Fi sử dụng công nghệ MIMO nhiều nhà sản xuất quan tâm chúng có khả cải thiện tốc độ truyền liệu, tầm phủ sóng độ tin cậy So với mạng LAN có hệ thống cáp đại cho tốc độ truyền tải liệu lên đến hàng gigabit giây Wi-Fi cịn thua xa Tuy vậy, nhà điều hành mạng cáp, công ty điện thoại nhiều nhà cung cấp dịch vụ thiết bị vi tính đẩy mạnh việc ứng dụng mạng Wi-Fi mơi trường gia đình doanh nghiệp có hiệu cao giá thành hạ 20 Chẳng hạn xét hệ thống miền khơng gian hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênh truyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh không gian, hay nói cách khác kịch kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng việc chọn phân tập (nhận ưu điểm phân tập cải thiện hiệu BER) ngược lại kịch kênh tốt hệ thống hướng lựa chọn ghép kênh không gian (nhận ưu điểm ghép kênh không gian cải thiện hiệu dung lượng), lấy trung bình hiệu dung lượng (hiệu sử dụng tài nguyên phổ tần) ta nhận dung lượng hệ thống tăng lên nhiều lần đảm bảo chất lượng BER 21 ... ngun lý tách tín hiệu QR tóm tắt lại thuật toán bảng sau: 14 Bảng 2.1 Thuật toán QR Phẩm chất BER tách tín hiệu QR cho hệ thống 4x4 MIMO_SDM so sánh với tách tín hiệu khác hình So với tách tín... để tăng cường độ tin cậy Với công nghệ phát triển ngày tinh vi, vi mạch nhỏ bé, có tốc độ xử lý cao đáng tin cậy sản xuất đại trà với giá rẻ nên việc ứng dụng MIMO thực tiễn thu hút nhiều ý giới... bang California (Mỹ) gần tung sản phẩm sử dụng bảy ăng ten có khả phối hợp với 127 kiểu ăng ten phát thu tín hiệu kỹ thuật số Các sản phẩm Wi-Fi sử dụng công nghệ MIMO nhiều nhà sản xuất quan