NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO ÁP DỤNG CHO 4G

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - LÊ XN GIAO NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MƠ HÌNH MIMO ÁP DỤNG CHO 4G Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học :TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG Hà Nội - 2008 MỤC LỤC Trang .IV THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU I DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII LỜI NÓI ĐẦU IX CHƯƠNG I .XII TỔNG QUAN VỀ MIMO MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HỆ MIMO .XII 1.1 Tổng quan, khái niệm MIMO, ưu, nhược điểm hệ thống MIMO .XII 1.1.1 Tổng quan, khái niệm MIMO XII 1.1.2 Ưu điểm MIMO XIV 1.1.3 Nhược điểm MIMO XV 1.2 Một số khái niệm hệ MIMO .XV 1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn XV 1.2.2 Trực giao bản: Thời gian , tần số, mã .XV 1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực XV 1.2.4 Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng, Beamfomer- tạo búp sóng .XV 1.2.4.1 Beamforming XV 1.2.4.2 Beamformer .XVI 1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul XVII 1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước chất tải bit XVIII 1.2.7 Các khái niệm phân tập XVIII 1.2.7.1 Phân tập đa đường .XIX 1.2.7.2 Phân tập vĩ mô XIX 1.2.7.3 Phân tập thời gian .XX 1.2.7.4 Phân tập anten thu XX 1.2.7.5 Phân tập anten phát .XX CHƯƠNG II XXII NGHIÊN CỨU XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỘ TRÌNH TIẾN TỚI 3G VÀ 4G CỦA MẠNG THƠNG TIN VÔ TUYẾN TRÊN THẾ GIỚI XXII 2.1 Tổng quan mạng TT vô tuyến XXII 2.2 Nghiên cứu lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G mạng thông tin vô tuyến giới .XXIII 2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN LTE 3GPP .XXIII 2.2.2 Lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G mạng thông tin vô tuyến giới XXIV 2.2.2.1 Các tính chung E – UTRAN XXIV 2.2.2.2 Kiến trúc mơ hình E- UTRAN XXVIII 2.2.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN lộ trình tiến tới 4G XXX 2.2.3.1Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN XXX 2.2.3.2 Lộ trình tiến tới 4G XXXI CHƯƠNG III .XXXII NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MƠ HÌNH MIMO ĐƯỢC ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG MẠNG THÔNG TIN THẾ HỆ 4G XXXII 3.1 Mơ hình MIMO tổng qt XXXII 3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn SVD(Singular Value Decomposition) XXXV 3.2.1 Mơ hình hệ thống SVD MIMO XXXV 3.2.2 Mơ hình hệ thống SVD MIMO tối ưu .XL 3.2.3 Dung lượng kênh SVD MIMO .XLI 3.3 Các mơ hình phân tập thu .XLIII 3.3.1 Mơ hình phân tập anten thu tổng qt XLIII 3.3.2 Mơ hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc .XLIV 3.3.3 Mơ hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại XLVI 3.3.4 Mô hình phân tập anten thu kết hợp thu tỷ lệ cực đại với tách sóng khả giống cực đại (MRRC- Maximum Ratio Receive Combining) XLVII 3.4 Các mơ hình phân tập phát XLIX 3.4.1 Mơ hình phân tập anten phát tổng quát XLIX 3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu .LIII 3.4.3 Mã khối không gian thời gian STBC tổng quát .LV 3.4.3.1 Thiết kế STBC LVI 3.4.3.2 Mã Alamouti LVII 3.4.3.3 Các STBC bậc cao LVII 3.4.3.4 Hệ thống phân tập lựa chọn anten thích ứng .LX 3.4.3.5 Tiền mã hóa phân tập tuyến tính .LXI 3.5 Các mơ hình MIMO ghép kênh không gian LXIII 3.5.1 D-BLAST (Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo đường chéo) LXIV 3.5.2 V-BLAST (Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo chiều đứng) LXIV 3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau) .LXV CHƯƠNG IV LXVI PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ MƠ HÌNH MIMO KHẢ DỤNG CHO 4G DỰA TRÊN CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .LXVI 4.1 Cấu hình tiêu chí thực mơ để đánh giá LXVII 4.2 Các mơ hình giả thiết cho việc đánh giá LXVIII 4.3 Các giá trị hiệu LTE sử dụng sóng mang 5MHz FDDLXX 4.4 Đánh giá LTE 3GPP dựa mô động LXXII 4.4.1 Các yêu cầu hiệu LTE LXXII 4.4.2 Đánh giá hiệu LTE LXXII 4.4.3 Hiệu LTE với sóng mang FDD băng thơng 20 MHz LXXIII 4.5 Đánh giá lợi ích kỹ thuật MIMO WiMAX .LXXIV 4.6 Kết luận .LXXVII CHƯƠNG V LXXVIII KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO LXXVIII TÀI LIỆU THAM KHẢO LXXX PHỤ LỤC LXXXI TÓM TẮT LUẬN VĂN .XCVI -I- THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 3G 3GPP 3GPP2 4G ACI AMPS ARQ AWGN BER BLAST BPSK CCI CSI CDF CDMA D-BLAST DOA E-GPRS E-RAN E- UTRAN FEC FDMA GERAN GPRS HARQ HSDPA HSPA HSUPA Inter AS Third Generation Mobile Communications System 3rd Generation Partnership Project 3rd Generation Partnership Project Fourth Generation Mobile Communication System Adjacent - Chanel Interference Advanced Mobile Phone System Automatic Repeat reQuest Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bell Labs Layered Space-time architecture Binary Phase Shift Keying Modulation Co channel Interference Channel State Information Cumulative Distribution Function Code Division Multiple Access Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time Direction Of Arrival Enhanced General Packet Radio Service Evolved Radio Access Network Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network Forward Error Correction Frequency Division Multiple Access GSM EDGE Radio Access Network General Packet Radio Service Hybrid Automatic Repeat reQuest High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access Inter Access System mobility Hệ thống thông tin di động hệ ba Đề án đối tác hệ ba Đề án thứ đối tác hệ ba Hệ thống thông tin di động hệ bốn Nhiễu kênh liền kề Hệ thống điện thoại DĐ tiên tiến Yêu cầu phát lặp tự động Tạp âm Gauss trắng cộng Tỷ số bit lỗi Kiến trúc khơng gian thời gian phân lớp phịng thí nghiệm Bell Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái Nhiễu đồng kênh Thông tin trạng thái kênh Hàm phân bố tích lũy Đa truy nhập phân chia theo mã Mã khơng gian thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo đường chéo Tạo búp dựa phương tới Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp cải tiến Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất phát triển Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất tồn cầu tăng cường Hiệu chỉnh lỗi trước Đa truy nhập phân chia theo tần số Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Yêu cầu phát lại tự động lai ghép Truy cập gói đường xuống tốc độ cao Truy cập gói tốc độ cao Truy cập gói đường lên tốc độ cao Ký hiệu cho quản lý di động -II- MM IMS IMT ISI LTE MIMO MBMS ML MISO MME MMSE MRC MRRC MS NACK OFDM PCRF PSK QAM QPSK QoS RX SAE SE SER SIR SINR SM SNR SISO STBC STC SVD SSDT Management IP Multimedia Subsystem International Mobile Telecommunication Inter Symbol Interference Long Term Evolution Multiple Input Multiple Output Multimedia Broadcast Multicast Service Maximum Likelihood Multiple Input Single Output Mobility Management Entity Minimum Mean Square Error Maximum Ratio Combiner Maximum Ratio Receive Combiner Mobile Station Not Acknowledge Orthogonal Frequency Division Multiplexing Polcy and Charging Rules Function Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Modulation Quality of Service Receiver System Architecture Evolution Spectrum Efficiency Symbol Error Rate Signal to Interference Ratio Signal to Interference plus Noise Ratio Spatial Multiplexing Signal to Noise Ratio Single Input Single Output Space Time Block Code Space Time Coding Singular Value Decomposition Site Selection Diversity Transmission hệ thống truy nhập Hệ thống đa phương tiện IP Thông tin di động quốc tế Nhiễu ký hiệu Phát triển dài hạn Nhiều đầu nhiều đầu Dịch vụ quảng bá đa phương tiện Khả giống cực đại Nhiều đầu vào đầu Thực thể quản lý di động Sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu Kết hợp tỉ lệ cực đại Kết hợp thu tỉ lệ cực đại Trạm gốc Không công nhận nhận Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Chức qui tắc tính cước sách Điều chế dịch phase Điều chế biên cầu phương Điều chế khóa dịch pha cầu phương Chất lượng dịch vụ Máy thu Phát triển kiến trúc hệ thống Hiệu suất phổ tần Tỷ lệ lỗi ký hiệu Tỷ số tín hiệu nhiễu Tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tạp âm Ghép kênh khơng gian Tỷ số tín hiêu tạp âm Một đầu vào đầu Mã khối khơng gian thời gian Mã hố thời gian khơng gian Phân chia giá trị đơn Truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm -III- TD-SDMA TX UE ULA UMTS URA UPE UTRA UTRAN V-BLAST WCDMA WiMAX W-STC ZF Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access Transmitter User Equipment Uniform Linear Array Universal Mobile Telecommunications System Uniform Rectangular Array User Plan Entity UMTS Teresstrial Radio Access UMTS Teresstrial Radio Access Vertical-Bell-Labs Layered SpaceTime Wideband Code Division Multiple Access Worldwide Interoperability for Microwave Access Wrapped STC Zero Forcing Đa truy nhập phân chia theo mã đồng - phân chia theo thời gian Máy phát Thiết bị người sử dụng Mảng anten tuyến tính đồng Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Mảng anten chữ nhật đồng Thực thể mặt phẳng người sử dụng Truy nhập vô tuyến UMTS Mạng truy nhập vô tuyến UMTS Mã không gian thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo chiều đứng Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Khả tương hợp toàn cầu truy nhập vi ba Mã không gian thời gian quấn Ép buộc không -IV- KÝ HIỆU A b B BC Bd C ES ƒc h hnm H Gx+ Nr Nt Ni Nb Nu N0 P Prn Paverage R1, R2, R3 Rb rc Rtb RS RSource SE Tb TC T Tr{} X Y Wx+ σ σ2 β ∆f Biên độ đỉnh tín hiệu vượt trội Các bít thơng tin phát nguồn phát Băng thông tổng Băng thông quán Độ rộng băng tần số liệu hay thông tin Dung lượng Năng lượng ký hiệu Tần số trung tâm Vector kênh Độ lợi kênh anten phát thứ n anten thu thứ m Ma trận kênh Ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng Số anten thu Số anten phát Độ sâu đan xen mạch mã hóa đan xen Số búp phát Số người sử dụng Mật độ phổ công suất AWGN (W/Hz) Cơng suất Xác suất lỗi bít Xác suất lỗi trung bình Tên điểm tham khảo mơ hình E-UTRAN Tốc độ bit Tỷ lệ mã Tốc độ bit tổng hệ thống Tốc độ ký hiệu Tốc độ nguồn phát Dung lượng tức thời Thời gian bit Thời gian quán Chu kỳ ký hiệu Vết ma trận Ma trận điều chế không gian thời gian Ma trận Nb×L tín hiệu thu Ký hiệu Wx có thêm hỗ trợ di động hệ thống Giá trị trung bình qn phương tín hiệu thu thành phần Gauss Cơng suất trung bình theo thời gian tín hiệu thu thành phần Gauss Biến ngẫu nhiên điện áp đường bao tín hiệu thu Băng thơng sóng mang hệ thống OFDM -V- η Tạp âm Gauss phức -VI- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát Nr anten thu XIV Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách .XVII Hình 1.3 -Dẫy truyền dẫn đa anten .XVII Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước chất tải bit XVIII Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) 2x2 .XXI Hình 2.1 -Mơ hình phát triển mạng TTDĐ từ 2G trở .XXIII Hình 2.2 -Thí dụ chuyển đổi trạng thái kiến trúc E- UTRAN XXV Hình 2.3 -Trễ mặt phẳng U XXVI Hình 2.4 -Kiến trúc mơ hình B1 E-UTRAN cho trường hợp khơng chuyển mạng XXIX Hình 2.5 -Kiến trúc mơ hình B2 E-UTRAN Rh đảm bảo chức chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt .XXIX Hình 2.6 -Kiến trúc mơ hình E-UTRAN theo TR 23.822 XXX Hình 2.7 -Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN .XXXI Hình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP XXXI Hình 2.9 -Lộ trình phát triển cơng nghệ TT di động lên 4G .XXXI Hình 3.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát Nr anten thu .XXXIII Hình 3.2 -Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành kênh phađinh phẳng song song tương đương dưạ SVD XXXVIII Hình 3.3 -BER cho kênh khơng gian phađinh phẳng điều chế BPSK AWGN .XL Hình 3.4 -Mơ hình SVD MIMO tối ưu XLI Hình 3.5 -Mơ hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc XLV Hình 3.6 -Mơ hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại XLVI Hình 3.7 -MRRC hai nhánh XLVIII Hình 3.8 -Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với máy thu Alamouti .L Hình 3.9 -Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti LIII Hình 3.10 -Cấu trúc mã STBC LVI Hình 3.11 -Hệ thống phân tập chọn lọc anten LX Hình 3.12 -Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát ba anten thu LXIII Hình 3.13 -Thí dụ cấu trúc mã không gian thời gian phân lớp dử dụng cho phép kênh không gian a) D-BLAST, b) V-BLAST c)W-STC LXV Hình 3.14 -Tách lớp hai số bốn lớp D-BLAST B) Mã hóa V-BLAST LXV Hình 4.1 -Thơng lượng người sử dụng đường xuống trung bình biên ô phụ thuộc vào lưu lượng phục vụ Truyền sóng thành phố điển hình LXX Hình 4.2 -Thơng lượng người sử dụng đường xuống trung bình biên phụ thuộc lưu lượng phục vụ T ruyền sóng người A .LXXI Hình 4.3 -Thơng lượng người sử dụng đường lên trung bình biên phụ thuộc lưu lượng phục vụ Truyền sóng thành phố điển hình LXXII -LXXXII- - Tại node nguồn có Mb anten truyền Tại node chuyển tiếp có Mr anten Kí hiệu H1 ma trận kênh node nguồn hệ truyền chuyển tiếp Tín hiệu truyền anten node nguồn kí hiệu u ( u mảng có kích thước Mb x1) - Tổng lượng node nguồn Pt ràng buộc công thức Pt >> E(||u||2) (6.1) với E kỳ vọng tiêu chuẩn Giả sử hệ thống truyền chuyển tiếp ( gọi hệ node chuyển tiếp) sử dụng hết tất Mr anten để thu phát tín hiệu; xử lý tuyến tính tín hiệu ký hiệu W có kích thước Mr x Mr dùng để xử lý tín hiệu nhận node chuyển tiếp - Ký hiệu n1 nhiễu thu node chuyển tiếp - Nu số người sử dụng Giả thiết : Hệ node chuyển tiếp nhận tín hiệu từ node nguồn phát sau chuyển tới User thông qua anten theo nguyên tắc anten hệ node chuyển tiếp truyền số liệu cho user - Ký hiệu vector hi,2 kích thước Mr x1 độ lợi kênh hệ node chuyển tiếp user thứ i - Ký hiệu xi tín hiệu vơ hướng mà user thứ i thu - n2,i nhiễu vô hướng user thứ i - n1 nhiễu vector hệ thống node chuyển tiếp Các thành phần vector nhiễu n1, n2 tuân theo phân bố Gaussian có giá trị trung bình với phương sai σ 12 , σ 22 ta có xi tính sau: Χ i = hiT, W ( H 1u + n1 ) + n 2,i = hiT, WW1u + hiT, WW1 ) + n2,i (6.2) Tín hiệu thu hệ thống node chuyển tiếp xử lý ma trận chuyển tiếp W - Ký hiệu ~ S = WH 1u + Wn1 (6.3) - Năng lượng tổng truyền tới user hệ node chuyển tiếp ràng buộc công thức E~ s ≤ Pr hay Tr{ ( H E (uu H ) H 1H + Iσ 12 )W H } ≤ Pr (6.4) (6.5) -LXXXIII- Với Tr {} – vết ma trận - Nhiễu lượng user thứ i ký hiệu là: ν i = hiT, W H hi*, 2σ 12 + σ 22 (6.6) Mơ hình đa người dùng sử dụng hệ truyền chuyển tiếp tương tự kênh phát quảng bá MIMO có điểm khác biệt chúng tồn thêm lượng Pr hệ node chuyển tiếp có ràng buộc với ma trận W mơ hình 6.1.2 Khảo sát tốc độ tổng đạt mơ hình MIMO đa người dùng sử dụng hệ thống truyền chuyển tiếp Như biết kênh phát quảng bá kiểu MIMO đạt dung lượng tổng dung lượng cao sử dụng chiến lược loại nhiễu tối ưu BS gọi là: “mã hóa giấy bẩn” (Dirty Paper Coding) Do mơ hình MIMO đa người dùng sử dụng hệ thống truyền chuyển tiếp có ràng buộc cơng suất phát hệ truyền chuyển tiếp nên phải vào sơ đồ cụ thể khảo sát tốc độ tổng Ở ta áp dụng cho hai sơ đồ SVD Water- filling - Ký hiệu vector tín hiệu truyền cho nhiều user s - Ma trận giải mã tuyến tính node nguồn F - Vector tín hiệu đầu vào độc lập ngãu nhiên với giá trị trung bình phương sai đơn vị, tín hiệu thu sau giải mã tuyến tính F ràng buộc sau: Tr{FF H } ≤ Pt (6.7) 6.2 Hệ thống truyền chuyển tiếp sử dụng SVD Khi sử dụng sơ đồ SVD thực chất thiết kế ma trận chuyển tiếp dạng eigen-space dùng phép biến đổi nhằm tối ưu thuật toán đưa ra, cụ thể sau: - Ký hiệu vector kênh user hệ node chuyển tiếp ma trận H = [ h1, , , hNu , ]T - Ký hiệu H2 = ∏ H2 (6.8) (6.9) phép hoán vị ma trận kênh - Đặt M u = min{M r , M b , N u } - Các thành phần ( M u + 1) th , , M bth đường đường chéo có giá trị Ứng dụng lý thuyết sơ đồ SVD ta có: H = G2 Q2 H = U ∑1 V1H (6.10) (6.11) Với G2 ma trận nửa đường chéo, U1,V1 ma trận phân -LXXXIV- Các phần tử khác đường chéo ma trận ∑1 có giá trị giảm dần theo thứ v1 ≥ ≥ v {M b , M r } tự (6.12) H Cấu trúc ma trận đường chéo K là: KK = diag{k1 , , k M } (6.13) r - Ma trận xử lý tuyến tính xác định sau: W = Q2H KU 1H - Ký hiệu vector (6.14) k = [k1 , , k M r ]T tiền mã hóa FF H = V1ΘV1H (6.15) với Θ = diag{ p1 , , p M ,0, ,0} lượng phát node phát u - Ký hiệu i p = [ p1 , , p M u ]T , nhiễu thành phần : υ i = ∑ G2 (i, j ) k j σ 12 + σ 22 (6.16) j =1 - Đặt d i = ν i k i G2 (i, j ) SNR user thứ i là: η i = d i pi υi (6.17) Do lượng tổng đạt sơ đồ SVD là: R ( p, k ) = Mu 2∑ i =1 log (1 + η i ) Mu ≥ − log ∏υ i d i−1 pi−1 i =1 = Rb ( p, k ) (6.18) Từ công thức (6.18) ta thấy Rb ( p, k ) mức lượng giới hạn lượng tổng R ( p, k ) Người ta chứng minh lượng tổng node chuyển tiếp ràng buộc công thức sau : Mu Tr{( H FF H H 1H + Iσ 12 )W H } = ∑ k i (ν i p i + σ 12 ) (6.19) i =1 tốc độ tổng cực đại hàm p k sau: Mu max p ,k Rb ( p, k )∑ k i (ν i pi + σ 12 ) ≤ Pr ; i =1 Mu ∑p i =1 i ≤ Pt ; pi ≥ ; k i ≥ ∀i (6.20) 6.3 Hệ thống truyền chuyển tiếp sử dụng Water- filling Như nói user xếp hoán vị theo phép hoán vị ta chọn T user với T ≤ M u M u = min{M r , M b , N u } ∏ , người -LXXXV- Điều tương đương với việc lấy T hàng ma trận kênh H (6.10), node phát luồng số liệu phát có lượng cỡ Pt T Người ta chứng minh giới hạn tốc độ tổng hệ node chuyển tiếp ( hay lượng tổng luồng số liệu) là: Rl (k ) = T 2∑ i =1 log (1 + η i( l ) ) (6.21) Với η i(l ) giới hạn SNR user thứ i: η i(l ) = ci k i (6.22) vi G2 (i, i ) Pt / T ci = hi , 2 Pr σ 12 + σ 22 vi Pt / T + σ 12 (6.23) Ở (6.23) xảy dấu “=” giới hạn tổng dung lượng hệ thống tỉ số SNR user thứ i là: ηi = vi k i G2 (i, i ) Pt / T vi ≥ vi k i G2 (i, i ) Pt / T hi , 2 Pr σ 12 + σ 22 vi Pt / T + σ (6.24) 6.3.1 Thuật tốn tìm kiếm user có độ lợi kênh tốt nhất: Khi số lượng người sử dụng Nu lớn hay Mu lớn thời gian phải trả giá cho việc tìm kiếm, hốn vị user phải tăng, việc tính tốn c i (6.23) gặp khó khăn người ta đưa thuật toán sau nhằm sửa lại (6.23) việc lựa chọn user dựa vào giới hạn SNR user thứ i (6.22) tối ưu hơn: + Ký hiệu u = {1,2, , N } tập hợp thuật tốn sau: • Khởi tạo: + Gán n=1 + tính u user, từ ta xác định -LXXXVI- hu , r1,u = hu , 2 Pr σ 12 + σ 22 vi Pt / M u + σ s1 = arg max tìm user thứ si thỏa mãn u∈U r1,u + Gán S1 = {s1 } Chừng n ≤ M u làm việc sau: + Tăng n lên 1: n = n+1 + Chiếu vector kênh lại lên tọa độ trực giao ta ma trận hình chiếu Pn⊥ = I M − H ( S ) H ( H (S ) H (S ) H ) −1 H ( S ) n − n − n − n−1 r (6.25) I M ma trận nhận dạng vector kênh có kích thước M r x Mr kí r hiệu H2(Sn-1) ma trận hàng rút gọn vector kênh user sau n-1 bước lựa chọn đầu tiên: H ( S n−1 ) = [hs ,2 , , hs ,2 ]T n−1 + Gán τ (6.26) = hT P ⊥ n, u u n + Tìm user Sn thỏa mãn: τ s n = arg max u∈U \ Sn−1 hu , n, u Pr σ 12 v n Pt / M u + σ + σ 22 (6.27) + Gán S n = S n −1 ∪ {s n } Đây thuật toán dùng để lựa chọn nhóm số M u người sử dụng có độ lợi kênh tốt Như vây nói thuật tốn nhằm (có ý nghĩa ) tính tốn tốc độ tổng gần dần tới tổng dung lượng kênh mơ hình MIMO 6.3.2 Tốc độ tổng sơ đồ Water- filling áp dụng thuật tốn tìm kiếm user có độ lợi kênh tốt nhất: Trong sơ đồ đổ đầy nước chất tải bit, node chuyển tiếp sau lựa chọn nhóm user có độ lợi kênh tốt thơng qua thuật tốn tìm kiếm -LXXXVII- user có độ lợi kênh tốt ta xây dựng tiếp thuật toán cho node chuyển tiếp điều kiện công suất phát node chuyển tiếp - Ký hiệu Rl (k ) hàm cực tiểu hóa lõm k - Giả sử hệ thống có M u luồng số liệu với M b anten phát ta có tốn tối ưu hóa xác định lượng node chuyển vector k sau: k − Mu Mu i =1 i =1 ∑ log (1 + ci k i )∑ k i (vi Pt / M u + σ 12 ) ≤ Pr (6.28) d i = vi Pt / M u + σ 12 - Ký hiệu Khi k=0 số luồng, muốn chia sẻ phân bố lượng cho Mu kênh số luồng cần phải có T = ∑ I {k i > 0} i =1 với I{ki > 0} hàm số Nhóm user lựa chọn từ Mu user S = {t1, ,tT} với t i ∈ {1, 2, , M u } Sau chọn S người ta tính ma trận tam giác nửa G 2, H2(S)=G2Q2 thông qua phép biến đổi ma trận trực giao (Q – ma trận đơn vị), tốn tối ưu hóa trở thành: k − T T i =1 i =1 ∑ log (1 + ci k i )∑ k i (vi Pt / M u + σ 12 ) ≤ Pr , k i ≥ ∀i (6.29) Từ ta có hệ số chuyển tiếp k - Giới hạn tốc độ tổng: Đối với mơ hình MIMO đa người dùng có sử dụng hệ thống node chuyển tiếp dung lượng kênh C1(H1) nhận cách giải toán tối ưu sau: max Q log I + H 1QH 1H Q ≥ , Tr{Q} ≤ Pt σ1 (6.30) Bài toán giải dựa vào sơ đồ đổ đầy nước chất tải bit Tốc độ tổng có giới hạn C1 H - tốc độ tổng luồng số liệu qua, ma trận ghép kênh tuyến tính W chuyển tới user Thơng thường người ta cho hệ số ½ hệ truyền chuyển tiếp có nhận số liều sau truyền tới user Dung lượng kênh thứ hai C2(H2) nhận cách giải toán tối ưu sau: max D∈Α log I + H 2H DH σ2 (6.31) -LXXXVIII- Với Α tập hợp ma trận đường chéo D có kích thước Nu x Nu thỏa mãn: Tr{D} ≤ Pr (6.32) Để so sánh ta tính tốn tốc độ đạt giải mã truyền hệ node chuyển tiếp Gọi thời gian thực t (0 =< t 16dB) hiệu suất phân tập lại thấp Như dùng ghép kênh không gian thời gian có độ lợi phân tập phụ thuộc số lượng anten thu, dùng phân tập độ lợi phân tập phụ thuộc vào số lượng anten phát thu -XCVI- Như SNR < 16 dB dùng ghép kênh khơng gian thời gian lợi hơn, SNR > 16 dB dùng phân tập có lợi TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn: “Nghiên cứu số mơ hình MIMO áp dụng cho 4G” trình bày: Lý chọn đề tài, mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Trong phần tổng quan luận văn trình bày: Tóm tắt, phân tích, đánh giá cơng trình nghiên cứu có tác giả liên quan mật thiết đến đề tài luận văn; luận văn nêu ưu, nhược điểm hệ thống MIMO Luận văn nghiên cứu xu hướng phát triển lộ trình tiến tới 3G 4G mạng thơng tin vơ tuyến giới, để từ kết luận: “Tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G xu hướng phát triển tất yếu khoa học công nghệ thời đại” Trong luận văn rõ đường tiến tới 4G mạng thông tin vô tuyến LTE với tiêu chuẩn E-UTRAN theo TR 23.822 đề án 3GPP Luận văn nêu rõ WiMAX đường tiến tới 4G với LTE Luận văn nghiên cứu lý thuyết sở nghiên cứu số mơ hình MIMO đề xuất áp dụng việc xây dựng mạng thơng tin hệ 4G, luận văn trình bày sở lý thuyết, lý luận, cơng thức tốn học mơ mơ hình này, từ nhận xét cho số mơ hình Cuối luận văn đã: Phân tích, đánh giá, hiệu số mơ hình MIMO khả dụng cho 4G dựa tiêu chuẩn, kết mô mang tính thực tiễn Từ thấy tiềm cao phát triển HSPA LTE việc cải thiện chất lượng người sử dụng Sau đưa bàn luận kết từ khoá : MIMO, 4G, WiMAX, LTE, HSPA