Hệ thống MIMO
Khái niệm hệ thống MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăng- ten ở máy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền Chuỗi tín hiệu phát đƣợc mã hóa theo cả hai miền không gian và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE: Space-Time Encoder) Tín hiệu sau khi đƣợc mã hóa không gian - thời gian đƣợc phát đi nhờ N ăng-ten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với
M ăng-ten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra được gọi là kênh MIMO M ×N Trong các trường hợp đặc biệt khi
N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thống phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO Để tránh ảnh hưởng giữa các ăng-ten phát và các ăng-ten thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử ăng-ten ở các mảng ăng-ten phát hoặc thu là ⁄
Mô hình toán học
Bắt đầu từ trường hợp đơn giản là kênh truyền có hệ số truyền xác định (không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và được biết trước qua phép ƣớc lƣợng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian Một hệ thống gồm N ăng- ten phát và M ăng-ten thu thường được gọi là hệ thống MIMO MxN Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ đầu vào – đầu ra như sau [1]:
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 = [ ] Cách trình bày khác:
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 lƣợng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu Gauss trắng cộng tính:
W : băng tần của kênh truyền (Hz) : tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR) Đối với kênh truyền cố định, dung lƣợng kênh truyền MIMO có thể biểu điễn tổng quát nhƣ sau:
Trong thực tế do các tác động của fading, kênh truyền biến động theo thời gian và thường được mô phỏng hóa bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh Dung lƣợng kênh truyền đƣợc xác định: ̅̅̅̅̅̅̅̅ = { , ( )- * +
Một số kĩ thuật trong hệ thống MIMO cơ bản
Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian có thể thu đƣợc qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi 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
Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi fading
Phân tập thời gian có thể đạt đƣợc bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương quan với nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian tương quan của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading fading do có chuyển động tương đối giữa nguồn phát theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler
(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 thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã kiểm soát lỗi tổ hợp với xen kênh để đạt đƣợc sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát đƣợc quy định bởi thời gian xen kênh để thu đƣợc fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể.
Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông tương quan để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn đƣợc gọi là trải phổ, ví dụ nhƣ trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dƣ thừa thông tin trong cùng băng c d v f c f
Phân tập không gian
Phân tập không gian còn gọi là phân tập ăng-ten Phân tập không gian đƣợc sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều ăng-ten hoặc mảng đƣợc sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các ăng-ten đƣợc phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu không tương quan với nhau
Yêu cầu về khoảng cách giữa các ăng-ten tùy thuộc vào độ cao của ăng- ten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát đƣợc truyền đến nơi thu tạo nên sự dƣ thừa trong miền không gian Không giống nhƣ phân tập thởi gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong 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 kĩ thuật phân tập sử dụng nhiều ăng-ten ở phía phát để truyền đi các tín hiệu đƣợc tổ chức theo một phương thức nào đó nhằm tạo ra các tín hiệu fading không tương quan ở phía máy thu Máy thu có thể tổ hợp các tín hiệu thu đƣợc để làm giảm các tác động của fading và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống
- Phân tập ăng-ten thu (hệ thống SIMO):
Trong phân tập ăng-ten thu, nhiều ăng-ten đƣợc sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát đƣợc tổ hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường Khi tín hiệu ăng-ten không tương quan lẫn nhau thì xác suất tất cả các tín hiệu thu được nhỏ hơn một giá trị cho trước thấp hơn rất nhiều so với xác xuất khi chỉ có một tín hiệu đơn lẻ Do đó nếu các tín hiệu đƣợc tổ hợp với nhau một cách thích hợp nhờ kĩ thuật phân tập thu thì tác động của hiện tƣợng fading có thể đƣợc giảm nhiều
- Phân tập ăng-ten phát và thu (hệ thống MIMO): là sự tổ hợp của 2 phương pháp phân tập trên sử dụng nhiều ăng-ten tại cả bộ phát và bộ thu để tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
Độ lợi trong hệ thống MIMO
Độ lợi tạo búp(Beamforming)
Tạo búp giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh đƣợc can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống Để có thể thực hiện tạo búp, khoảng cách giữa các ăng-ten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng (thông thường là ), tạo búp thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ Khi môi trường 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
Tận dụng các kênh truyền song song có đƣợc từ đa ăng-ten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ đƣợc phát độc lập và đồng thời ra các ăng-ten (hình 1.5), nhằm tăng dung lƣợng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống Dung lƣợng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống Để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dung lƣợng kênh truyền thuật toán V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) đƣợc áp dụng.
Độ lợi phân tập
Hình 1.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR
Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau (hinh 1.6), bộ thu có thể lựa chọn hay tổ hợp
TX RX hay tổ hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ lỗi biet BER, chống fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại fading, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) đƣợc áp dụng
Thực tế, để hệ thống có dung lƣợng cao, BER thấp, chống đƣợc fading, ta phải có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống
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
Giả sử rằng những ăng-ten ở bộ thu đều đƣợc cung cấp nhiều bản sao của tín hiệu phát Lý thuyết tổ hợp tín hiệu trình bày sau đây đƣợc ứng dụng tới các kiểu phân tập khác nhau một cách dễ dàng Trong thực tế nguồn của phân tập không ảnh hưởng đến sự tổ hợp do phân tập ăng-ten phát Ví dụ, nhận 2 phiên bản từ tín hiệu phát bao gồm phân tập phân cực là giống nhƣ nhận 2 tín hiệu từ 2 ăng-ten cho mục đích tổ hợp Có 2 lý thuyết tổ hợp chính đƣợc sử dụng tổ hợp tỉ lệ cực đại và tổ hợp lựa chọn Ta sẽ chỉ tập trung xét trường hợp tổ hợp tỉ lệ cực đại [4] là lý thuyết cơ sở cho phần sau
Xét một hệ thống nhƣ hình 1.7 mà bộ thu nhận đƣợc M bản sao của tín hiệu phát thông qua M đường độc lập Giả sử r m =1,2 M là tín hiệu thứ m nhận đƣợc và đƣợc xác định bằng công thức : rm Trong đó ηm là một mẫu của Gauss trắng cộng tính vào bản sao thứ m của tín hiệu Một bộ giải mã tổ hợp những M tín hiệu nhận vào để tìm ra tín hiệu gần giống nhất với tín hiệu phát Chúng ta xem xét một sơ đồ tách sóng kếthợp trong đó, bộ thu biết độ lợi đường của kênh là Do các mẫu ồn là các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, nên tín hiệu nhận đƣợc cũng là những biến ngẫu nhiên Gauss độc lập khi cho trước độ lợi đường của kênh được chỉ ra cũng như tín hiệu phát Do đó, hàm mật độ liên kết có điều kiện của tín hiệu bộ thu là
Trong đó No/2 là phương sai của phần thực và phần ảo của Ồn Gauss phức Để cực đại hàm gần giống này, bộ thu cần tìm ra tín hiệu phát tối ƣu để làm cực tiểu ∑ Chú ý rằng với không có phân tập thì M=1, để đơn giản thì hàm giá trị làm cực tiểu là hoặc cho đơn giản Điều đó tương đương với việc tìm ra ̂ trong số những tín hiệu phát có thể , giá trị gần nhất với r * Đối với một chòm sao có kí hiệu năng lƣợng bằng nhau, ví dụ PSK, chúng ta có ̂ = ∑ = [ ∑ ∑ ]
Từ đó, bộ giải mã ML là tương tự với hệ thống không có phân tập nếu thay vì dùng r * chúng ta dùng một số trung bình có trọng số của các tín hiệu thu, ∑ Đó chính là tổ hợp tỉ lệ cực đại
Nói tóm lại, MRC sử dụng một bộ lọc phù hợp, đó là bộ thu tối ƣu với mỗi tín hiệu nhận và sử dụng trọng số tối ƣu m= * m tổ hợp đầu ra của bộ lọc phù hợp
Nếu trung bình công suất của kí hiệu phát là E s , SNR của bộ thu thứ m là γm=|m| 2 (Es/No) Để lấy đƣợc SNR đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại, đầu tiên chúng ta tính
Do đó SNR tại đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại là
Do đó, SNR thu thực sự của hệ thống với độ phân tập M là tương đương với tổng của những SNR thu với M đường khác nhau Điều chính yếu của sự tăng M lần trong SNR là ở mối liên quan giữa xác suất lỗi trung bình và SNR thu trung bình Giả sử rằng tất các đường khác nhau có cùng một 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 tăng dần trong SNR trung bình đƣa đến độ lợi phân tập là M Có thể thấy rằng độ lợi phân tập khải dĩ cực đại này có đƣợc khi M bản sao của tín hiệu đều có sẵn trong kênh Rayleigh fading
Việc tăng SNR thu thực sự khi sử dụng MRC ảnh hưởng đến xác xuất lỗi tại bộ thu Với hệ thống không có phân tập, xác suất lỗi trung bình là tỉ lệ nghịch với SNR, A -1 , tại SNR cao Vì mỗi đường trong M đường tuân theo một phân bố
Rayleigh fading, xác xuất lỗi trung bình của hệ thống với M đường Rayleigh độc lập là tỉ lệ với A -M Như đã định nghĩa trước đó, tỉ lệ M trọng số mũ của SNR thu đƣợc gọi là độ lợi phân tập Do đó sử dụng MRC ta đạt đƣợc độ lợi phân tập bằng với số đường độc lập khả thi.
Điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Việc sử dụng nhiều ăng-ten cho các hệ thống truyền thông không dây đã đƣợc quan tâm nghiên cứu rất lớn trong thập kỷ qua, cả trong giới học thuật và ngành công nghiệp [9] Nhiều ăng-ten trong MIMO hệ thống có thể đƣợc khai thác trong nhiều cách khác nhau để có đƣợc độ lợi ghép, kênh fading phân tập, hoặc độ lợi ăng-ten Tuy nhiên, bất kể việc sử dụng nhƣ ghép kênh không gian, phân tập, hoặc hệ thống ăng-ten thông minh, nhƣợc điểm chính của bất kỳ hệ thống MIMO là sự gia tăng độ phức tạp và chi phí Điều này chủ yếu là 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 không thể thiếu trong các giả định cơ sở cho các phướng 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
Hơn nữa, một số mẫu thiết kế vài bộ phát đòi hỏi số lƣợng ăng-ten thu lơn hơn số lƣợng ăng-ten phát, điều này có thể bị giới hạn vì lý do kinh tế trên điện thoại di động, trong các ứng dụng dùng để thiết lập đường xuống Những vấn đề này làm cho việc thực hiện thực tế của kĩ thuật MIMO trở nên khó khăn, đặc biệt là tại các trạm điện thoại di động, phần cứng và xử lý tín hiệu kỹ thuật số yêu cầu một năng lƣợng đáng kể Tuy nhiên, do những ƣu điểm lớn của kỹ thuật MIMO nó phải luôn là một mục tiêu nghiên cứu để phát triển cách tiếp cận mới cho hệ phát nhiều ăng-ten nhằm giảm thiểu những hạn chế thực tế trong khi vẫn giữ những lợi thế quan trọng.[6] Điều chế không gian gần đây đã được đề xuất như một phương pháp điều chế mới của hệ thống MIMO, điều này làm giảm độ phức tạp và giá thành của kĩ thuật nhiều ăng-ten mà không làm giảm hiệu năng hoạt động đầu cuối của hệ thống mà vẫn đảm bảo tốc độ dữ liệu tốt Đặc biệt hơn, thiết kế bộ phát-thu ít phức tạp và có hiệu suất phổ cao sẽ đồng thời đat đƣợc thông qua kỹ thuậtđiều chế đơn giản và kĩ thuật mã hóa một cách khéo léo nhƣ sau:
Một là chỉ một ăng-ten phát đƣợc hoạt động để truyền dữ liệu trong bất kì khoảng thời gian tín hiệu nào Nó cho phép SM tránh đƣợc ICI, để yêu cầu không cần đồng bộ giữa các phần từ ăng-ten phát, và chỉ cần một chuỗi RF để truyền dữ liệu Điều đó là một sự khác biệt rõ ràng với kĩ thuật MIMO thông thường ở đó nhiều ăng-ten được sử dụng đồng thời truyền luồng dữ liệu Hơn nữa, điều này cho phép SM chỉ cần thiết kế bộ thu một luồng có độ phức tạp thấp để giải mã hợp lệ cực đại (ML)
Hai là vị trí không gian của mỗi ăng-ten phát trong mảng ăng-ten đƣợc sử dụng nhƣ nguồn thông tin Điều này đạt đƣợc bằng cách thiết lập ánh xạ 1-1 giữa mỗi chỉ số ăng-ten và một khối bit thông tin để phát, tạo ra một cơ chế mã hóa có thể đƣợc gọi là điều chế mã hóa chỉ số ăng-ten phát Nhờ vậy mà SM đạt đƣợc độ lợi ghép không gian so với hệ thống đơn ăng-ten truyền thống bởi phần thông tin thêm vào là hoàn toàn truyền tải bởi vị trí của ăng-ten oát Theo đó, mặc dù chỉ một ăng-ten hoạt động, SM có thể đạt được lưu lượng dữ liệu cao
Hai đặc tính khác biệt trên làm SM trở thành một kĩ thuật truyền dẫn lớp vật lý hoàn toàn mới trong đó đã tổ hợp theo một cách duy nhất, điều chế số, mã hóa và nhiều ăng-ten để đạt đƣợc tốc độ dữ liệu cao mà 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 mà không giống nhƣ những kĩ thuật nhiều ăng-ten khác, nhiều ăng-ten phát đƣợc xem nhƣ một mô hình chòm sao [7].Ý tưởng chính là để 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, tức là tách thành 2 khối bit một mang thông tin của một tín hiệu điều chế thông thường(QAM, PSK) và một mang chỉ số duy nhất gán cho một ăng-ten phát, chọn từ tập hợp các ăng-ten trong mảng ăng-ten nhƣ hình 2.1
Hình 2.1: Điều chế không gian ánh xạ một chuỗi bit thành một điểm chòm sao tín hiệu và chòm sao không gian Các điểm của chòm sao không gian đóng trong ngoặc đơn Mỗi điểm chòm sao không gian tạo thành một lớp chòm sao tín hiệu trên hình vẽ có 2 lớp dành cho ăng-ten thứ nhất (00) và ăng-ten thứ 4 (11)
Bộ thu ƣớc lƣợng đơn vị thông tin để khôi phục lại khối bit thông tin Kĩ thuật phát và thu điều chế không gian đƣợc tính sau đây Ý tưởng của việc nhúng phần thông tin để truyền vào vị trí ăng-ten là một kĩ thuật lai giữa điều chế và MIMO trong đó tín hiệu đƣợc điều chế phụ thuộc vào giản đồ chòm sao 3 chiều, trong đó bao gồm cả thông tin tín hiệu và thông tin về không gian Thí dụ với mạng ăng-ten tuyến tính Nt=4 và một điều chế QPSK Khi đơn vị mang thông tin chỉ là chỉ số ăng-ten phát, SM giảm nó xuống thành điều chế SSK, điều này mà tránh được việc phụ thuộc vào bất kì phương pháp điều chế thống thường và cân nhắc về độ phức tạp của bộ thu cần thiết
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 phát ra bằng nguồn nhị phân đƣợc chia thành các khối mỗi khối bao gồm log2(Nt)+log2(M) bit, với log 2 (Nt) và log2(M) là số bit cần để xác định một ăng-ten truyền trong mảng ăng-ten và một kí hiệu trong giản đồ chòm sao tương ứng (hình 2.2) Mỗi khối được xử lý bởi một bộ ánh xạ
SM chia chúng thành 2 khối nhỏ của mỗi khối có bit log2(Nt) và log2(M) bit
Những bit trong khối nhỏ đầu tiên đƣợc sử dụng để lựa chọn ăng-ten đƣợc chuyển mạch trong việc phát dữ liệu, trong khi tất cả nhƣng ăng-ten khác không hoạt động trong thời gian phát của của tín hiệu đang Những bit trong khối con thứ 2 đƣợc dùng để chọn một kí hiệu trong giản đồ chòm sao tín hiệu Trong ví dụ đƣợc chỉ ra trên hình 2.2, ăng-ten phát thứ 2 sẽ đƣợc kích hoạt để phát dữ liệu bởi 2 bit đầu tiên (10) và một tín hiệu nhị phân -1 sẽ được gửi từ chiều ra tương ứng của nó đến bit thứ 3 (1) Nếu là điều chế SSK thay vì SM, mỗi ăng-ten phát, khi chuyển mạch sẽ phải gửi chính xác cùng tín hiệu ra: thông tin này, do đó đƣợc mã hóa chỉ trên một vị trí trong mảng ăng-ten Từ quy tắc trên đƣa ra bảng ánh xạ từ các khối bit sang tín hiệu BPSK đƣợc phát đi nhƣ sau
Khối bít đầu vào N=4 M=2 ( ăng-ten truyền)
Nhƣ vậy có nghĩa là giả sử ở đầu thu nhận đƣợc tín hiệu ƣớc lƣợng ra kí hiệu truyền là -1 còn ăng-ten phát là Tx2 thì có thể giải ra đƣợc chuỗi bit đƣợc truyền 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 phát ra bởi một aten hoạt động sẽ đi qua hệ thống kênh truyền không dây Do vị trí không gian khác nhau đƣợc chiếm bởi những ăng-ten phát khác nhau trong mảng ăng-ten, các tín hiệu đƣợc truyền bởi mỗi ăng-ten sẽ trải qua điều kiện truyền lan khác nhau do sự tương tác với môi trường khác nhau, dọc theo đường truyền để nhận được liên kết không dây Điều này thể hiện nguyên tắc làm việc cơ bản của điều chế không gian đƣợc chỉ ra trong hình 2.3, trong đó môt tả các tín hiệu tác động đến từng ăng-ten thu đơn lẻ và tương ứng với từng ăng-ten trong 4 ăng-ten phát
Phải nhấn mạnh rằng chỉ có một ăng-ten phát đang hoạt động tại bất kì khoảng thời gian nào, vì vậy chỉ một tín hiệu sẽ chắc chắn đƣợc nhận Các ăng- ten phát khác không bức xạ Rõ ràng từ cơ chế làm việc này, đặc biệt là điều chế SSK, các kênh không dây đóng vài trò của một “đơn vị điều chế”, bằng cách đƣa và một dấu hiệu khác mà làm cho các tín hiệu phát ra từ ăng-ten phát riêng biệt có thể phân biệt đƣợc ở bộ thu Nếu kênh phát thu không dây không đủ khác biệt, dữ liệu trao đổi có thể không khả thi bởi tín hiệu phát bởi ăng-ten phát sẽ xấp xỉ giống nhau
Bộ thu khai thác sự điều chế ngẫu nhiên do tác động của kênh không dây cho việc tách sóng tín hiệu Cụ thể trong hình 2.3, trình bày bộ tách sóng ML với thông tin trạng thái kênh biết hoàn hảo tại bộ thu Nhờ tách sóng tín hiệu phát từ tín hiệu thu ồn Rx, bộ thu phải coi như biết trước (thực tế điều này thực hiện thông qua ƣớc lƣợng kênh) Trong hình 2.2, bộ thu sẽ phải ƣớc lƣợng 4 đáp ứng xung tương ứng (bao gồm ảnh hưởng của bộ lọc thu phát) do N t =4 và Nr=1
Nhìn chung, NtNr đáp ứngxung kênh tương ứng cần phải được ước lượng Theo nhƣ nguyên lý ML, bộ thu tính toán khoảng cách Ơclit giữa tín hiệu nhận và tập các tín hiệu khả dĩ đƣợc điều chế bởi kênh không dây (bao gồm tín hiệu điều chế nếu SM đƣợc sử dụng) và chọn tín hiệu gần nhất Nhìn chung, Khoảng cách Ơclit MNtNr cần phải đƣợc tính toán Với cách này tất cả các bit trong khối phát sẽ đƣợc giải mã hóa 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) đi qua bộ điều chế đƣợc tín hiệu X(k) Tín hiệu này dựa trên bảng đối chiếu theo quy tắc của điều chế không gian căn cứ vào số ăng- ten phát loại điều chế để mã hóa tín hiệu
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)
Vấn đề của giải điều chế trước hết phải giải quyết được việc ước lượng đƣợc chỉ số ăng-ten phát và kí hiệu phát để từ đó có cơ sở để 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 tại khoảng truyền tiếp theo nhƣng tại bất kì thời điểm nào chỉ một ăng-ten đơn đƣợc truyền và chỉ số của những ăng-ten nhận là đƣợc xem xét riêng biệt tại bộ thu Bộ thu tính toán lặp đi lặp lại kết quả MRC giữa những kênh đa đường từ một ăng-ten ten phát để tương quan những ăng-ten thu Giả sử toàn bộ kênh truyền đã đƣợc biết tại bộ thu, bộ thu chọn chỉ số ăng- ten phát là cái có tương quan cao nhất Ở mô hình Điều chế không gian ở trong hình 2.4 q(k) là một vector n bit đƣợc truyền Vector nhị phân này đƣợc ánh xạ vào một vector x(k) khác có kích thước là Nt trong đó chỉ có 1 phần tử khác 0 còn tất cả các phần tử còn lại đều bằng 0 Ở đó Nt là số phần tử ăng-ten của mảng ăng-ten truyền Kí hiệu thứ l trong vector kết quả x(k) là xl ở đó l là ánh xạ ăng-ten phát thứ l với l thuộc [1:Nt] Kí hiệu xk đƣợc phát từ ăng-ten thứ k thông qua kênh MIMO, H(k) H(k) có thế đƣợc viết thành vector mà ở đó mỗi vector tương quan với độ lợi đường kênh giữa ăng-ten phát và những ăng-ten thu theo công thức
Vector thu khi đó là
Với w(k) là ồn Gauss trắng cộng tính
Số thông tin bit truyền, n, có thể điều chỉnh theo 2 cách độc lập và khác hẳn nhau- vừa bằng cách thay đổi tín hiệu điều chế hoặc thay đổi điều chế không gian Ví dụ với 3 bit trên 1 kí hiệu có thể gửi từ 4 ăng-ten phát sử dụng điều chế BPSK Lặp lại điều đó với 2 ăng-ten phát thay vì 4 thì 3 bit có thể gửi nếu kĩ thuật điều chế là 4QAM Tương tự , bằng cách truyền 4 bit, điều chế BPSK và 8 ăng-ten có thể sự dung 4QAM và 4 ăng-ten phát Cùng hiệu suất phổ có thể đạt đƣợc nếu với 2 ăng-ten và điều chế 8QAM đƣợc dùng
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
Với dữ liệu điều chế không gian đƣợc điều chế trong một thông tin ký tự và một chỉ số ăng-ten phát Do đó, ƣớc lƣợng ăng-ten nào phát là một nhiệm vụ quan trọng Theo đó, một lý thuyết mới để phát hiện đƣợc chỉ số ăng-ten phát đƣợc giới thiệu sau đây
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 để phục vụ cho việc phát hiện dữ liệu, điều này có thể hạn chế độ phức tạp của đơn vị ƣớc lƣợng kênh ngay khi một vào mào đầu nước lượng kênh
- Khi so sánh với kĩ thuật V-BLAST, điều chế không gian chỉ có tỉ lệ dữ liệu tăng theo hàm logarit với số ăng-ten phát thay vì tuyến tính nhƣ V-BLAST Nó có thể làm điều chế không gian bị giới hạn để đạt đƣợc hiệu suất phổ rất cao đối với số ăng-ten phát
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 đồ thị thì có thể thấy với cùng số lƣợng ăng-ten thu phát, các loại điều chế khác nhau thì cho tỉ lệ lỗi bít có sự chênh lệch.Tại SNR nhỏ hơn 5 đường cong thể hiện BER hầu như giống nhau độ chênh lệch không đang kể Tại SNR , BER lần với các điều chế 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM lần lƣợt là 0.7x10 -3 , 0.5x10 -3 , 10 -2
Khi sử dụng 16-QAM số bit trong 1 ký tự điều chế đƣợc ít hơn với 64-QAM nhƣng tỉ lệ lỗi bit thì đạt tốt hơn Khi thực hiện mã hoá phải có sự đánh đổi cân nhắc giữa dung năng kênh và tỉ lệ lỗi bit để 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 của hệ MIMO-SM cũng ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu Tỉ lệ lỗi bit so sánh giữa các trường hợp M t xMr với cùng một loại điều chế 64-QAM được thể hiện ở hình dưới
Hình 3.3: So sánh giữa hệ MIMO SM MtxMr lần lƣợt 4x2, 4x4, 8x8, 8x4, 8x2
Theo kết quả trên điều kiện tốt nhất vẫn là khi số ăng-ten thu bằng số ăng-ten phát thì tỉ lệ lỗi bit cho kết quả tốt nhất
Tuy nhiên một lần nữa vấn đề về sự đánh đổi, thỏa hiệp giữa các yếu tố phải đƣợc tính đến tùy vào mục đích sự dụng thiết kế hệ thống Khi hệ thống nhiều ăng-ten thì sẽ làm phức tạp hơn hệ thống.
