Dung lượng hệ thống MIMO

LỜI CẢM ƠN  Suốt thời gian học tập vừa qua, quan tâm, giúp đỡ trường Đại học Tôn Đức Thắng, khoa Điện-Điện Tử, em hồn thành khố học Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Quý thầy cô khoa Điện-Điện Tử, đặc biệt quý thầy cô mơn Điện tử viễn thơng tận tình bảo em suốt trình học tập - Quý thầy khoa có liên quan cung cấp cho em kiến thức cần thiết cho sinh viên - Trường Đại học Tôn Đức Thắng tạo điều kiện cho em học tập suốt thời gian qua Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy ĐỖ ĐÌNH THUẤN tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, xin cảm ơn bố mẹ, tất gia đình, bạn bè, người thân trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên nhiều để hoàn thành đồ án Sịnh viên thực Nguyễn Đăng Lưu Mở đấu MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin phát triển bùng nổ giới Việt Nam Trước yêu cầu ngày cao người sử dụng dịch vụ thông tin di động chất lượng, dung lượng tính đa dạng dịch vụ đặc biệt dịch vụ truyền liệu tốc độ cao đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu đòi hỏi cấp thiết Một số kỹ thuật để giúp cải thiện tiêu dung lượng hệ thống tập chung nghiên cứu giới thời gian gần kỹ thuật đa anten phát đa anten thu (MIMO) Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật cho phép tối ưu hóa q trình thu phát tín hiệu cách xử lý theo hai miền không gian thời gian máy thu phát Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật để tiến tới có sản phẩm hữu dụng có tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả xử lý, tính tốn thiết bị có ứng dụng vào hệ thống thơng tin di động có cách hiệu thực vấn đề cấp thiết Việc thực tốt nghiên cứu mang lại hiệu lớn dung lượng thực hóa khả truyền liệu tốc độ cao cho hệ thống thông tin di động hệ thống thông tin di động hệ Mục tiêu luận văn vào tìm hiểu, đánh giá dung lượng hệ thống MIMO, so sánh mơ hình MIMO với mơ hình khơng dây trước Dựa lý thuyết phân tích, kiểm chứng lại kết mơ Matlab Từ rút kết luận khả thực thi hệ MIMO Luận văn gồm chương với nội dung chương sau : Chương 1: Lý thuyết sở Chương 2: Hệ thống MIMO Chương 3: Dung lượng hệ thống MIMO Chương 4: Mô dung lượng hệ MIMO Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài v Mở đấu Trong thời gian làm đề tài, em cố gắng nhiều song kiến thức cịn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nguồn tài liệu chủ yếu báo tiếng Anh mạng nên luận văn nhiều sai sót q trình dịch thuật Em mong nhận phê bình, ý kiến đóng góp chân thành thầy cô bạn để luận văn hoàn thiện Sinh viên thực Nguyễn Đăng Lưu vi Chương 1: Lý thuyết sở CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1.1 Sự phát triển kỹ thuật anten: Sóng vơ tuyến phát minh vào năm 1861 Maxell (Đại học Hoàng Gia Ln Đơn) đưa lý thuyết sóng điện từ Hertz (Đại học Karlsruhe) chứng minh tồn sóng thực nghiệm vào năm 1887 sóng đứng (tĩnh) Năm 1890 Branly (Paris) xây dựng “bộ quán” phát có mặt sóng điện từ chai thuỷ tinh chứa kim loại Bộ quán sau tiếp tục phát triển Lodge (Anh) Mùa hè 1895, Marconi sử dụng máy phát Hertz, quán Lodge lắp thêm anten để tạo máy phát vô tuyến Ứng dụng dân dụng kỹ thuật vô tuyến hệ thống điện thoại vô tuyến 2MHz vào năm 1921 ngành Cảnh sát Những hệ thông phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thơng tin Bell tần số 150MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM AT&T (1946); Khái niệm celllular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phịng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970); Vào năm 1990s: hệ thống thông tin tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… đời phát triển cách mạnh mẽ Kỹ thuật anten sử dụng cho hệ thống thông tin vơ tuyến có phát triển sau: - 1880 tới năm 1890: Hertz, Marconi, Popov thiết kế anten có tần số hoạt động băng thông tốt - Những năm 1900: Anten định hướng sử dụng cho phép liên lạc qua biển Atlantic - 1905: Sử dụng nhiều anten cho phân tập thu - Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda phát minh đem lại tăng ích băng thông tốt - Chiến tranh giới thứ 2: Dàn anten sử dụng cho rađa - Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu triệt nhiễu xử lý tín hiệu số quân Việc sử dụng anten nhiều phần tử máy thu thông tin vô tuyến mở chiều xử Chương 1: Lý thuyết sở lý tín hiệu (chiều khơng gian), cho phép cải thiện tiêu hệ thống Tuy nhiên, đến trước năm 1990, vấn đề phát triển chủ yếu với anten mảng kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới) - Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp miền không gian thời gian) + 1996: Anten nhiều phần tử sử dụng trạm gốc để hỗ trợ nhiều người dùng kênh + 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến cách sử dụng anten nhiều phần tử máy phát máy thu Ý tưởng tiếp tục phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu cách mạng lý thuyết truyền thơng Cùng với đời hệ thống thơng tin hệ 3G (Third-Generation) tiêu chuẩn hóa IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu phát triển Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001 Từ đến 3G phát triển nhanh chóng đóng vai trò quan trọng việc phát triển loại dịch vụ đa phương tiện Hệ thống IMT-2000 đề xuất dịch vụ chất lượng cao từ 64 đến 384 kbit/s trữ lượng lưu lượng thoại tăng lên Những dịch vụ phát triển phổ biến như: truy cập internet, thương mại điện tử, e-mail, video theo yêu cầu … Đối tượng sử dụng thông tin đa dạng nhu cầu tăng dần đến yêu cầu thiết cho đời phát triển hệ thống thông tin di động 4G (Fourth-Generation) 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn vá tốc độ liệu cao băng thông cho phép khơng mở rộng u cầu thúc đẩy nghiên cứu hệ thống đa đầu vào đa đầu MIMO (Multi Input Multi Output) đạt nhiều thành công đáng kể Như ta biết môi trường truyền dẫn vô tuyến phức tạp suy hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler… gây nhiều khó khăn việc nhận dạng tín hiệu phía thu Các kỹ thuật phân tập đóng góp đáng kể việc giảm fading đa đường MIMO hệ thống đa anten đầu phát đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu phổ mà không cần tăng công suất phát hay băng thông Nhiều cấu trúc MIMO đề suất đạt hiệu to lớn cấu trúc không gian Chương 1: Lý thuyết sở – Thời gian lớp dọc phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time), mã hóa khối không gian thời gian STBC (Space-Time Block Coding), mã hóa Treliss khơng gian thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)… Có thể thấy rằng, kỹ thuật MIMO với mảng (dàn) anten nhiều phần tử nhiều cấp độ phức tạp khác ứng dụng quân từ lâu, tính chất thay đổi liên tục mơi trường truyền sóng thơng tin di động Trong khả xử lý theo thời gian thực máy thu phát nhiều hạn chế mà kỹ thuật thực nghiên cứu ứng dụng hệ thống thông tin di động thời gian gần Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật cho phép tối ưu hố q trình thu phát tín hiệu cách dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền khơng gian theo miền thời gian máy thu phát, nhờ cho phép sử dụng tối đa hiệu phổ tần mạng thông tin 1.2 Các vấn đề kênh truyền vô tuyến 1.2.1 Suy hao đuờng truyền Suy hao đường truyền trung bình xảy tượng như: mở rộng hướng tín hiệu, hấp thu tín hiệu nước, cây…và phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách biến đổi chậm thuê bao di chuyển với tốc độ cao Tại anten phát, sóng vô tuyến truyền theo hướng Ngay dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng mở rộng dạng hình cầu mật độ lượng tập chung vào vùng ta thiết kế Vì thế, mật độ cơng suất sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Phương trình (1.1) tính cơng suất thu sau truyền qua khoảng cách R    PR  PT GT G R    4R  (1.1) PR : Cơng suất tín hiệu thu (W) PT : Cơng suất phát (W) G R : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng) GT : Độ lợi anten phát Chương 1: Lý thuyết sở  : Bước sóng sóng mang Hoặc viết lại: PT  4R  1  4  2 1     R f PR    GT G R  c  GT G R (1.2) Gọi L pt hệ số suy giảm việc chuyển dẫn không gian tự do: L pt (dB)  PT (dB)  PR ( dB)  10 log10 GT  10 log10 G R  20 log10 f  20 log10 R  47.6dB (1.3) Nói chung xây dựng mơ hình xác cho tuyến thơng tin vệ tinh tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản) tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm phạm vi ngắn Tuy nhiên hầu hết tuyến thông tin mặt đất thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp nhiều việc tạo mơ hình khó khăn Ví dụ kênh truyền dẫn vơ tuyến di động UHF, điều kiện không gian tự thỏa mản, có cơng thức suy hao đường truyền sau: L pt  10 log10 GT  10 log10 G R  20 log10 hBS  20 log10 hMS  40 log10 R (1.4) Với hBS , hMS