Hệ thống MIMO
Khái niệm hệ thống MIMO
MIMO là công nghệ truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều ăng-ten tại cả máy phát và máy thu để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu Tín hiệu được mã hóa theo cả không gian và thời gian thông qua bộ mã hóa không gian thời gian (STE) Sau khi mã hóa, tín hiệu sẽ được phát đi qua N ăng-ten phát, trong khi máy thu áp dụng kỹ thuật phân tập để thu tín hiệu hiệu quả hơn.
Kênh MIMO M × N là kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx), với N đầu vào và M đầu ra Trong một số trường hợp đặc biệt, kênh này có thể được tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Trong hệ thống phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO với N = 1 và M = 1, cần đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các ăng-ten phát và thu để tránh ảnh hưởng lẫn nhau Khoảng cách này là yếu tố quan trọng trong việc thiết kế các mảng ăng-ten, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền và nhận tín hiệu.
Mô hình toán học
Bài viết bắt đầu với việc xem xét một kênh truyền có hệ số truyền xác định, không có hiện tượng fading, chỉ có suy giảm và nhiễu, được ước lượng trước Hệ thống này hoạt động trong băng tần hẹp và ổn định theo thời gian Khi nói đến hệ thống MIMO MxN, nó bao gồm N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, và thường được mô tả qua mối quan hệ đầu vào - đầu ra.
H là ma trận các đặc tính kênh truyền nhƣ thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa N ăng-ten phát và M ăng-ten thu
Mô hình toán học đƣợc diễn tả nhƣ sau:
Hình 1.2: Mô hình toán học hệ thống MIMO
Các vecto phát, thu và tạp âm tương ứng là: s = [ ] y = [ ] z = [ ]
Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệ thống: y = √ Hs + z (1.4)
Với PT là tổng công suất phát từ N ăng-ten phát.
Dung lƣợng kênh MIMO
Dung lượng kênh truyền là tốc độ tối đa mà kênh có thể truyền dẫn với xác suất lỗi thấp Yếu tố ảnh hưởng chính đến dung lượng này là tạp âm nhiễu Gauss trắng cộng tính.
Băng tần của kênh truyền (Hz) và tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR) là hai yếu tố quan trọng trong việc xác định dung lượng kênh truyền MIMO cho các kênh truyền cố định Dung lượng kênh truyền MIMO có thể được biểu diễn tổng quát dựa trên những yếu tố này.
Kênh truyền có sự biến động theo thời gian do tác động của fading, thường được mô phỏng bằng các biến số ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh Dung lượng kênh truyền được xác định bởi công thức: ̅̅̅̅̅̅̅̅ = { , ( )- * +.
Một số kĩ thuật trong hệ thống MIMO cơ bản
Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian có thể đạt được thông qua mã hóa và xen kênh Bài viết này sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và sử dụng xen kênh khi độ lợi của kênh truyền rất nhỏ.
Từ mã x 0 Từ mã x 1 Từ mã x 2 Từ mã x 3 h t t
Hình 1.3: Phân tập theo thời gian
Hình vẽ cho thấy rằng từ mã x2 sẽ bị triệt tiêu do fading nếu không sử dụng bộ xen kênh Tuy nhiên, khi áp dụng bộ xen kênh, mỗi từ mã chỉ mất một ký tự, cho phép phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi fading.
Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua các khe thời gian khác nhau, tại những vị trí thu tín hiệu fading không tương quan Khoảng cách thời gian tối thiểu cần thiết phải bằng thời gian tương quan của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading Hiệu ứng Doppler xuất hiện do chuyển động tương đối giữa nguồn phát theo thời gian.
(1.8) Trong đó c: vận tốc ánh sáng fc: tần số ánh sáng fd: tần số doffler ν: vận tốc dịch chuyển của nguồn phát
Mã kiểm soát lỗi được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã so với hệ thống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã kiểm soát lỗi kết hợp với xen kênh nhằm đạt được sự phân tập thời gian, với các phiên bản tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa Thời gian lặp lại các phiên bản tín hiệu được quy định bởi thời gian xen kênh, giúp thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Kỹ thuật này hiệu quả trong môi trường fading nhanh, nơi thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ, nhưng có thể gây trì hoãn đáng kể trong trường hợp kênh fading chậm nếu xen kênh quá nhiều.
Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, việc sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin là rất quan trọng, với yêu cầu tách biệt các tần số để giảm thiểu tác động của fading Khoảng cách giữa các tần số cần lớn hơn nhiều lần băng thông tương quan để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau không liên quan đến nhau Trong truyền thông di động, tín hiệu phát thường được cung cấp dưới dạng dư thừa trong miền tần số, được gọi là trải phổ, bao gồm các kỹ thuật như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ mang lại hiệu quả cao khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ, nhưng khi băng thông nhất quán lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu, khiến trải phổ trở nên kém hiệu quả trong việc cung cấp phân tập tần số Cuối cùng, phân tập tần số có thể dẫn đến tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào mức độ dư thừa thông tin trong cùng băng tần.
Phân tập không gian
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập ăng-ten, là một kỹ thuật phổ biến trong truyền thông không dây sử dụng sóng viba Kỹ thuật này sử dụng nhiều ăng-ten hoặc mảng ăng-ten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các ăng-ten được phân bố ở khoảng cách đủ lớn để đảm bảo rằng tín hiệu không tương quan với nhau, từ đó nâng cao hiệu suất truyền dẫn và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu.
Khoảng cách giữa các ăng-ten phụ thuộc vào độ cao, môi trường lan truyền và tần số hoạt động, với khoảng cách điển hình là vài bước sóng để đảm bảo tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, các phiên bản tín hiệu được truyền đến nơi thu, tạo ra sự dư thừa trong miền không gian mà không làm giảm hiệu suất băng thông, điều này rất quan trọng cho truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai.
Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều ăng-ten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành ba loại [2]:
Phân tập ăng-ten phát (hệ thống MISO) là một kĩ thuật sử dụng nhiều ăng-ten để truyền tín hiệu, nhằm tạo ra các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu Kỹ thuật này cho phép máy thu tổ hợp các tín hiệu nhận được, từ đó giảm thiểu tác động của fading và cải thiện tỉ lệ lỗi bit trong hệ thống.
- Phân tập ăng-ten thu (hệ thống SIMO):
Trong hệ thống phân tập ăng-ten thu, việc sử dụng nhiều ăng-ten cho phép nhận các phiên bản tín hiệu phát độc lập, từ đó tổ hợp chúng một cách hoàn hảo nhằm tăng cường tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm thiểu hiện tượng fading đa đường Khi các tín hiệu ăng-ten không tương quan, xác suất nhận được tất cả các tín hiệu thấp hơn nhiều so với khi chỉ có một tín hiệu đơn lẻ Do đó, việc áp dụng kỹ thuật phân tập thu giúp giảm đáng kể tác động của hiện tượng fading.
Phân tập ăng-ten phát và thu trong hệ thống MIMO là sự kết hợp của hai phương pháp phân tập, sử dụng nhiều ăng-ten tại cả bộ phát và bộ thu Điều này giúp tăng cường hiệu quả sử dụng băng thông, mang lại khả năng truyền tải dữ liệu tốt hơn trong các ứng dụng truyền thông hiện đại.
Độ lợi trong hệ thống MIMO
Độ lợi tạo búp(Beamforming)
Tạo búp giúp hệ thống MIMO tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn, từ đó nâng cao hiệu suất công suất và giảm nhiễu từ các hướng không mong muốn Điều này cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống Để thực hiện việc tạo búp, khoảng cách giữa các ăng-ten thường nhỏ hơn bước sóng và nên được thực hiện trong môi trường ít tán xạ Trong môi trường có tán xạ mạnh, hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập.
Hình 1.4: Kỹ thuật tạo búp
Độ lợi ghép kênh không gian
Hình 1.5: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền
Hệ thống MIMO tận dụng các kênh truyền song song từ đa ăng-ten tại cả phía phát và phía thu, cho phép phát tín hiệu độc lập và đồng thời ra các ăng-ten, từ đó tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay băng thông Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số lượng kênh truyền song song Để tối ưu hóa độ lợi ghép kênh và tăng cường dung lượng kênh truyền, thuật toán V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) được áp dụng.
Độ lợi phân tập
Hình 1.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR
Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu luôn biến đổi và bị fading theo không gian, thời gian và tần số, dẫn đến sự không ổn định tại điểm thu Phân tập giúp các bộ thu nhận được nhiều bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh fading khác nhau, cho phép bộ thu lựa chọn hoặc tổ hợp tín hiệu để cải thiện chất lượng nhận.
TX RX tổ hợp các bản sao tín hiệu nhằm giảm tốc độ lỗi biet BER và chống fading, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống Để tối đa hóa độ lợi phân tập, giảm BER và kháng fading, các thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.
Để thiết kế một hệ thống có dung lượng cao, tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp và khả năng chống fading hiệu quả, cần phải đạt được sự tương quan hợp lý giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh.
Lý thuyết tổ hợp tín hiệu ở bộ thu
Những phiên bản của tín hiệu đƣợc tạo ra bằng kĩ thuật phân tập khác nhau cần đƣợc tổ hợp để nâng cao hiệu năng của hệ thống
Trong lĩnh vực thu phát tín hiệu, việc sử dụng nhiều ăng-ten để nhận các bản sao của tín hiệu phát là rất phổ biến Lý thuyết tổ hợp tín hiệu có thể được áp dụng một cách dễ dàng cho các kiểu phân tập khác nhau Nguồn gốc của phân tập không ảnh hưởng đến quá trình tổ hợp tín hiệu từ ăng-ten phát Chẳng hạn, việc nhận hai phiên bản tín hiệu từ phân tập phân cực tương tự như việc nhận tín hiệu từ hai ăng-ten khác nhau để tổ hợp Có hai lý thuyết tổ hợp chính là tổ hợp tỉ lệ cực đại và tổ hợp lựa chọn, trong đó chúng ta sẽ tập trung vào tổ hợp tỉ lệ cực đại, lý thuyết cơ sở cho các phần tiếp theo.
Xét một hệ thống với M bản sao tín hiệu phát qua M đường độc lập, trong đó tín hiệu thứ m nhận được được xác định bằng công thức rm, với ηm là mẫu Gauss trắng cộng vào bản sao thứ m Bộ giải mã sẽ kết hợp M tín hiệu nhận được để tìm tín hiệu gần giống nhất với tín hiệu phát Trong sơ đồ tách sóng kết hợp, bộ thu biết độ lợi đường của kênh Do các mẫu ồn là biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, tín hiệu nhận được cũng sẽ là biến ngẫu nhiên Gauss độc lập khi có độ lợi đường của kênh và tín hiệu phát đã biết Hàm mật độ liên kết có điều kiện của tín hiệu bộ thu sẽ được xác định dựa trên những yếu tố này.
Trong nghiên cứu về ồn Gauss phức, phương sai của phần thực và phần ảo được biểu thị bằng No/2 Để tối ưu hóa hàm này, bộ thu cần xác định tín hiệu phát tối ưu nhằm giảm thiểu tổng ∑ Trong trường hợp không có phân tập, M=1, và hàm giá trị tối thiểu có thể được đơn giản hóa Điều này đồng nghĩa với việc tìm giá trị ̂ gần nhất với r * trong số các tín hiệu phát khả thi Đối với một chòm sao có ký hiệu năng lượng bằng nhau, chẳng hạn như PSK, ta có ̂ = ∑ = [ ∑ ∑ ].
Bộ giải mã ML có thể được so sánh với hệ thống không phân tập khi sử dụng một số trung bình có trọng số của các tín hiệu thu, thay vì sử dụng r * Điều này dẫn đến việc tổ hợp tỉ lệ cực đại được hình thành.
MRC áp dụng bộ lọc phù hợp, cụ thể là bộ thu tối ưu cho từng tín hiệu nhận Nó sử dụng trọng số tối ưu m= * m để tổ hợp đầu ra của bộ lọc phù hợp.
Trung bình công suất của kí hiệu phát được ký hiệu là E s, và SNR của bộ thu thứ m được tính bằng γm=|m| 2 (Es/No) Để xác định SNR đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại, bước đầu tiên là thực hiện các phép tính cần thiết.
Do đó SNR tại đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại là
SNR thu thực sự của hệ thống với độ phân tập M tương đương với tổng SNR thu của M đường khác nhau Sự gia tăng M lần trong SNR chủ yếu liên quan đến mối quan hệ giữa xác suất lỗi trung bình và SNR thu trung bình Giả sử rằng tất cả các đường khác nhau có cùng một giá trị trung bình.
SNR tức E[γm]=A Sử dụng công thức (1.12) , SNR trung bình tại đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại là ̅=MA (1.13)
Sự gia tăng SNR trung bình dẫn đến độ lợi phân tập đạt giá trị tối đa là M Điều này cho thấy rằng độ lợi phân tập cực đại có thể đạt được khi có M bản sao của tín hiệu trong kênh Rayleigh fading.
Việc sử dụng MRC (Maximal Ratio Combining) trong thu tín hiệu giúp tăng SNR (Signal-to-Noise Ratio), ảnh hưởng tích cực đến xác suất lỗi tại bộ thu Trong hệ thống không có phân tập, xác suất lỗi trung bình tỉ lệ nghịch với SNR, cụ thể là A -1, đặc biệt ở mức SNR cao Mỗi đường trong M đường đều tuân theo một phân bố nhất định, góp phần vào hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Rayleigh fading ảnh hưởng đến xác suất lỗi trung bình của hệ thống với M đường Rayleigh độc lập, tỷ lệ với A -M Độ lợi phân tập được định nghĩa là tỷ lệ M trọng số mũ của SNR Sử dụng kỹ thuật MRC, chúng ta có thể đạt được độ lợi phân tập tương ứng với số đường độc lập khả thi.
Điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiều ăng-ten trong các hệ thống truyền thông không dây đã thu hút sự chú ý đáng kể trong thập kỷ qua, cả từ giới học thuật lẫn ngành công nghiệp Các hệ thống MIMO có thể tận dụng nhiều ăng-ten để đạt được độ lợi ghép, phân tập kênh fading và độ lợi ăng-ten Mặc dù có thể áp dụng các phương pháp như ghép kênh không gian, phân tập và hệ thống ăng-ten thông minh, nhưng một trong những nhược điểm chính của hệ thống MIMO là sự gia tăng độ phức tạp và chi phí, chủ yếu do ba vấn đề chính.
- Can nhiễu giữa các kênh (ICI), là do chồng chất nhiều chuỗi thông tin độc lập đƣợc truyền bởi nhiều ăng-ten phát;
Đồng bộ giữa các ăng-ten (IAS) là yếu tố quan trọng không thể thiếu trong các giả định cơ sở cho các phương pháp mã hóa không-thời gian và trễ phần tập.
- Nhiều chuỗi tần số vô tuyến để truyền tải tất cả các tín hiệu đồng thời
Kỹ thuật MIMO gặp khó khăn trong việc thực hiện do yêu cầu về số lượng ăng-ten thu lớn hơn ăng-ten phát, điều này thường bị giới hạn bởi chi phí trên điện thoại di động và trong các ứng dụng thiết lập đường xuống Mặc dù vậy, với những lợi ích vượt trội, MIMO vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhằm phát triển các giải pháp mới để giảm thiểu những hạn chế thực tế trong khi duy trì hiệu suất cao Gần đây, điều chế không gian đã được đề xuất như một phương pháp mới cho hệ thống MIMO, giúp giảm độ phức tạp và chi phí mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống, đồng thời đảm bảo tốc độ dữ liệu tốt Thiết kế bộ phát-thu đơn giản và hiệu suất phổ cao có thể đạt được thông qua kỹ thuật điều chế đơn giản và mã hóa khéo léo.
Công nghệ SM (Spatial Modulation) sử dụng chỉ một ăng-ten để truyền dữ liệu trong bất kỳ khoảng thời gian tín hiệu nào, giúp tránh hiện tượng ICI (Inter-Carrier Interference) và không yêu cầu đồng bộ giữa các phần từ ăng-ten phát Điều này khác biệt rõ rệt so với kỹ thuật MIMO thông thường, nơi nhiều ăng-ten được sử dụng đồng thời để truyền luồng dữ liệu Hơn nữa, SM cho phép thiết kế bộ thu một luồng với độ phức tạp thấp, giúp giải mã hợp lệ cực đại (ML) một cách hiệu quả.
Vị trí không gian của mỗi ăng-ten trong mảng ăng-ten đóng vai trò quan trọng như nguồn thông tin, thông qua việc thiết lập ánh xạ 1-1 giữa chỉ số ăng-ten và khối bit thông tin để phát Cơ chế này, được gọi là điều chế mã hóa chỉ số ăng-ten phát, giúp hệ thống SM đạt được độ lợi ghép không gian so với hệ thống đơn ăng-ten truyền thống Nhờ vào việc thông tin được truyền tải hoàn toàn bởi vị trí của ăng-ten, SM có thể cung cấp lưu lượng dữ liệu cao mặc dù chỉ sử dụng một ăng-ten hoạt động.
SM là một kỹ thuật truyền dẫn lớp vật lý độc đáo, kết hợp điều chế số, mã hóa và nhiều ăng-ten, giúp đạt tốc độ dữ liệu cao với độ phức tạp thực thi thấp.
Nguyên lý kĩ thuật điều chế không gian
Điều chế không gian là một lý thuyết phát nhiều ăng-ten, khác biệt với các kỹ thuật nhiều ăng-ten khác, trong đó nhiều ăng-ten được xem như một mô hình chòm sao Ý tưởng chính là ánh xạ một khối bit thông tin vào một điểm chòm sao trong miền tín hiệu và một điểm chòm sao trong miền không gian Điều này có nghĩa là tách thành hai khối bit: một khối mang thông tin của tín hiệu điều chế thông thường (như QAM, PSK) và một khối mang chỉ số duy nhất gán cho một ăng-ten phát, được chọn từ tập hợp các ăng-ten trong mảng ăng-ten.
Hình 2.1 minh họa quá trình điều chế không gian ánh xạ một chuỗi bit thành điểm chòm sao tín hiệu và chòm sao không gian Các điểm trong chòm sao không gian được thể hiện trong ngoặc đơn, với mỗi điểm chòm sao không gian tạo thành một lớp chòm sao tín hiệu Trong hình, có hai lớp chòm sao dành cho ăng-ten thứ nhất (00) và ăng-ten thứ tư (11).
Bộ thu ước lượng đơn vị thông tin có vai trò quan trọng trong việc khôi phục khối bit thông tin Kỹ thuật phát và thu điều chế không gian được áp dụng để cải thiện hiệu suất truyền tín hiệu Ý tưởng nhúng thông tin vào vị trí ăng-ten là một kỹ thuật lai giữa điều chế và MIMO, trong đó tín hiệu được điều chế dựa trên giản đồ chòm sao 3 chiều, bao gồm cả thông tin tín hiệu và thông tin không gian Ví dụ, với mạng ăng-ten tuyến tính có Nt=4, một phương pháp điều chế sẽ được triển khai để tối ưu hóa quá trình truyền tải.
QPSK là phương pháp điều chế trong đó thông tin chỉ được mang bởi chỉ số ăng-ten phát SM giúp giảm độ phức tạp bằng cách chuyển đổi sang điều chế SSK, từ đó loại bỏ sự phụ thuộc vào các phương pháp điều chế truyền thống và giảm yêu cầu về độ phức tạp của bộ thu.
Hình 2.2: Bộ phát SM lựa chọn ăng-ten và lựa chọn loại tín hiệu phát
Ta xét chi tiết hơn hoạt động của hệ MIMO-SM lần tƣợt từ bộ phát qua mộ trường đến bộ thu
Tại bộ phát, chuỗi bit nhị phân được chia thành các khối, mỗi khối bao gồm log2(Nt) + log2(M) bit Trong đó, log2(Nt) là số bit cần thiết để xác định một ăng-ten truyền trong mảng ăng-ten, và log2(M) là số bit để xác định một ký hiệu trong giản đồ chòm sao Mỗi khối này sẽ được xử lý bởi một bộ ánh xạ.
SM chia dữ liệu thành hai khối nhỏ, mỗi khối chứa log2(Nt) và log2(M) bit Bit trong khối đầu tiên được dùng để chọn ăng-ten phát dữ liệu, trong khi các ăng-ten khác không hoạt động trong thời gian phát tín hiệu Khối thứ hai sử dụng bit để chọn một ký hiệu trong sơ đồ chòm sao tín hiệu Ví dụ trong hình 2.2 cho thấy ăng-ten phát thứ hai được kích hoạt để phát dữ liệu bằng 2 bit đầu tiên (10), và một tín hiệu nhị phân -1 được gửi từ chiều ra tương ứng đến bit thứ ba (1) Nếu sử dụng điều chế SSK thay vì SM, mỗi ăng-ten phát phải gửi tín hiệu giống nhau khi chuyển mạch, dẫn đến việc mã hóa thông tin chỉ trên một vị trí trong mảng ăng-ten Từ quy tắc này, bảng ánh xạ từ các khối bit sang tín hiệu BPSK được phát đi được xác định.
Khối bít đầu vào N=4 M=2 ( ăng-ten truyền)
Giả sử vào đầu thu, tín hiệu ước lượng ra ký hiệu truyền là -1 và ăng-ten phát là Tx2, ta có thể giải mã chuỗi bit truyền được là 100.
Việc cần làm ở bộ thu là ƣớc lƣợng 2 tham số trên để có thể giải ngƣợc lại bộ thu
Hình 2.3: Kênh không dây và bộ thu
Tín hiệu từ một ăng-ten hoạt động được truyền qua hệ thống kênh không dây, nơi các ăng-ten phát khác nhau trong mảng sẽ tạo ra các điều kiện truyền lan khác nhau do vị trí không gian và sự tương tác với môi trường Điều này minh họa nguyên tắc cơ bản của điều chế không gian, trong đó các tín hiệu ảnh hưởng đến từng ăng-ten thu đơn lẻ, tương ứng với từng ăng-ten trong nhóm 4 ăng-ten phát.
Chỉ có một ăng-ten phát hoạt động tại mỗi thời điểm, đảm bảo rằng chỉ một tín hiệu được nhận Các ăng-ten phát khác không bức xạ Qua cơ chế hoạt động này, đặc biệt là điều chế SSK, các kênh không dây đóng vai trò như một "đơn vị điều chế", giúp phân biệt các tín hiệu phát ra từ các ăng-ten riêng biệt tại bộ thu Nếu các kênh phát thu không đủ khác biệt, dữ liệu trao đổi có thể không khả thi do tín hiệu phát từ các ăng-ten sẽ rất giống nhau.
Bộ thu khai thác sự điều chế ngẫu nhiên từ tác động của kênh không dây cho việc tách sóng tín hiệu Trong hình 2.3, trình bày bộ tách sóng ML với thông tin trạng thái kênh biết hoàn hảo tại bộ thu, cho phép tách sóng tín hiệu phát từ tín hiệu thu ồn Rx Bộ thu cần ước lượng 4 đáp ứng xung tương ứng (bao gồm ảnh hưởng của bộ lọc thu phát) với Nt = 4 và Nr = 1 Nhìn chung, NtNr đáp ứng xung kênh cần được ước lượng Theo nguyên lý ML, bộ thu tính toán khoảng cách Ơclit giữa tín hiệu nhận và tập hợp các tín hiệu khả dĩ được điều chế bởi kênh không dây, từ đó chọn tín hiệu gần nhất Khoảng cách Ơclit MNtNr cũng cần được tính toán để giải mã hóa tất cả các bit trong khối phát và khôi phục chuỗi bit gốc.
2.3 Cách tính gần tối ƣu để ƣớc lƣợng đồng thời ký hiệu phát và chỉ số anten phát
Cách tính này theo sơ đồ tổng quát của hệ thống MIMO SM nhƣ hình 2.4 gồm [8]:
- Hệ thống ăng-ten phát
- Hệ thống ăng-ten thu
- Bộ ƣớc lƣợng chỉ số phần tử ăng-ten phát
- Bộ ƣớc lƣợng kí hiệu
- Bộ giải điều chế không gian
Tín hiệu đầu vào Q(k) được điều chế thành tín hiệu X(k) thông qua quy tắc điều chế không gian, dựa trên bảng đối chiếu và số lượng ăng-ten phát Điều này giúp mã hóa tín hiệu một cách hiệu quả.
Xét một chuỗi dữ liệu cụ thể q(k)=[0 1 1 1 0 0] với điều chế BPSK
Chuỗi dữ liệu này đƣợc chuyển thành vector s(k) với độ dài 3 bit
Dựa vào bảng ánh xạ s(k) đƣợc ánh xạ thành vector x(k)
Để giải quyết vấn đề giải điều chế, trước tiên cần ước lượng chỉ số ăng-ten phát và kí hiệu phát, từ đó tạo cơ sở cho việc giải điều chế không gian.
Có thể ước lượng bằng các phương pháp như thông qua tổ hợp tỉ lệ cực đại MRC hoặc i-MRC
Trong phần này xin giới thiệu phương pháp iMRC (iterative-maximum ratio combining) [8]
Sơ đồ khối nhƣ sau
Hình 2.4 : Sơ đồ khối SM có sử dụng bộ thu i-MRC
Nguyên lý i-MRC dựa trên điều là chỉ có một ăng-ten phát tại một thời điểm
Chỉ số ăng-ten có thể thay đổi trong khoảng truyền tiếp, nhưng tại mỗi thời điểm, chỉ một ăng-ten đơn được truyền và chỉ số của các ăng-ten nhận được xem xét riêng biệt tại bộ thu Bộ thu thực hiện tính toán MRC lặp đi lặp lại giữa các kênh đa đường từ một ăng-ten phát để tương quan với các ăng-ten thu Nếu toàn bộ kênh truyền đã được biết, bộ thu sẽ chọn ăng-ten phát có chỉ số tương quan cao nhất Trong mô hình điều chế không gian, vector q(k) là một vector n bit được truyền, được ánh xạ thành vector x(k) có kích thước Nt, trong đó chỉ có một phần tử khác 0 Nt đại diện cho số phần tử ăng-ten trong mảng ăng-ten truyền Ký hiệu xl trong vector x(k) tương ứng với ăng-ten phát thứ l, với l thuộc [1:Nt] Ký hiệu xk được phát từ ăng-ten thứ k qua kênh MIMO, H(k), có thể được biểu diễn dưới dạng vector, với mỗi vector tương quan với độ lợi đường kênh giữa ăng-ten phát và các ăng-ten thu.
Vector thu khi đó là
Với w(k) là ồn Gauss trắng cộng tính
Số thông tin bit truyền, n, có thể điều chỉnh bằng hai phương pháp độc lập: thay đổi tín hiệu điều chế hoặc thay đổi điều chế không gian Ví dụ, với 3 bit trên 1 ký hiệu, có thể sử dụng 4 ăng-ten phát với điều chế BPSK Nếu sử dụng 2 ăng-ten phát thay vì 4, 3 bit có thể được gửi nếu áp dụng kỹ thuật điều chế 4QAM Tương tự, 4 bit có thể được truyền với điều chế BPSK và 8 ăng-ten, hoặc sử dụng 4 ăng-ten với 4QAM Hiệu suất phổ tương tự cũng có thể đạt được với 2 ăng-ten khi sử dụng điều chế 8QAM.
Nói chung nhƣ đã nói ở phần nguyên lý của SM, số bit có thể truyền sử dụng điều chế không gian đƣợc đƣa ra theo công thức
Hình 2.5 Ví dụ về điều chế BPSK 4 ăng-ten phát và điều chế 4-QAM 2 ăng-ten phát n=log2(Nt)+log 2 (M) (2.16) Ƣớc lƣợng chỉ số ăng-ten phát
Dữ liệu điều chế không gian trong thông tin ký tự và chỉ số ăng-ten phát là yếu tố quan trọng Việc ước lượng ăng-ten phát là một nhiệm vụ cần thiết Bài viết này giới thiệu một lý thuyết mới nhằm phát hiện chỉ số ăng-ten phát hiệu quả.
Cách tính gần tối ƣu để ƣớc lƣợng đồng thời ký hiệu phát và chỉ số anten phát 29 2.4 Tính toán SER trong trường thợp gần tối ưu dùng MRRC 34
Ƣu, nhƣợc điểm của điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Nhƣợc điểm
- Cần ít nhất 2 ăng-ten phát và số ăng-ten phát phải là lũy thừa của 2 để thực thi mô hình điều chế không gian
Bộ thu yêu cầu kênh đã biết là yếu tố quan trọng trong việc phát hiện dữ liệu, giúp giảm thiểu độ phức tạp của đơn vị ước lượng kênh ngay từ giai đoạn đầu của quá trình lượng kênh.
So với kỹ thuật V-BLAST, điều chế không gian chỉ tăng tỷ lệ dữ liệu theo hàm logarit với số ăng-ten phát, thay vì tăng tuyến tính như V-BLAST Điều này cho phép điều chế không gian đạt hiệu suất phổ rất cao, mặc dù số ăng-ten phát bị giới hạn.
MIMO thông thường không sử dụng SM
Điều kiện mô phỏng ban đầu :
Số ăng-ten thu : 4 Điều chế 64-QAM
Không sử dụng điều chế không gian
Kênh truyền là đã biết tại nơi thu
So sánh với cùng điều kiện nhƣng sử dụng điều chế không gian để thấy tỉ lệ lỗi bit
Hình 3.1: So sánh BER giữa MIMO SM và MIMO không sử dụng SM
Với kết quả đồ thị trên hình 3.1 ta thấy rõ ràng tỉ lệ lỗi bit đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng kĩ thuật MIMO-SM
Ví dụ tại tỉ số SNR nhỏ cụ thể là bằng 5 thì BER chênh lệch giữa đường cong MIMO SM và MIMO thông thường là khoảng 0.05
Sự chênh lệch này càng mở rộng tại SNR lớn hơn Tại SNR% độ chênh lệch BER là 10 -1 với MIMO thường và 10 -3 với MIMO-SM.
MIMO SM với các tín hiệu 16-QAM, 32-QAM và 64-QAM 42
Số ăng-ten thu : 4 Điều chế 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM
Sử dụng điều chế không gian
Kênh truyền là đã biết tại nơi thu
Hình 3.2: So sánh BER giữa các điều chế QAM
Theo kết quả từ đồ thị, với cùng số lượng ăng-ten thu phát, các loại điều chế khác nhau cho thấy tỉ lệ lỗi bít (BER) có sự khác biệt Khi SNR nhỏ hơn 5, các đường cong BER gần như giống nhau, với độ chênh lệch không đáng kể Tuy nhiên, tại SNR cao hơn, BER của các điều chế 16-QAM, 32-QAM và 64-QAM lần lượt là 0.7x10^-3, 0.5x10^-3 và 10^-2.
Khi sử dụng 16-QAM, số bit trong một ký tự điều chế thấp hơn so với 64-QAM, nhưng tỉ lệ lỗi bit lại tốt hơn Do đó, trong quá trình mã hóa, cần có sự cân nhắc giữa dung năng kênh và tỉ lệ lỗi bit để đảm bảo phù hợp với yêu cầu mã hóa.
So sánh MIMO SM khi sử dụng hệ có số lƣợng ăng-ten thu phát khác nhau
Số lượng ăng-ten phát-thu trong hệ thống MIMO-SM có tác động đáng kể đến chất lượng tín hiệu Hình dưới đây thể hiện tỉ lệ lỗi bit giữa các trường hợp M t xMr khi sử dụng cùng một loại điều chế 64-QAM.
Hình 3.3: So sánh giữa hệ MIMO SM MtxMr lần lƣợt 4x2, 4x4, 8x8, 8x4, 8x2
Theo nghiên cứu, tỉ lệ lỗi bit đạt kết quả tốt nhất khi số ăng-ten thu bằng số ăng-ten phát trong điều kiện tối ưu.
Vấn đề đánh đổi và thỏa hiệp giữa các yếu tố trong thiết kế hệ thống cần được xem xét kỹ lưỡng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng Việc tích hợp nhiều ăng-ten vào hệ thống có thể làm tăng độ phức tạp, ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng hoạt động của toàn bộ hệ thống.
