Tìm hiểu hệ thống mimo antenna

Báo cáo thực tập LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ viễn thông trở thành phần quan trọng sống, hệ thống thông tin vô tuyến mở chiều hướng phương tiện liên lạc Con người liên lạc với nơi, lúc Các hệ thống di động hệ thứ 2, thứ cung cấp tốc độ liệu từ 9,6 kbps đến Mbps Gần đây, mạng LAN vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11 truyền thơng tốc độ khoảng 54 Mbps Trong mười năm tới, dung lượng cơng nghệ đạt tới 100 Mbps -1 Gbps số lượng thuê bao khoảng tỷ người Hiện tại, 4G (thế hệ di động thứ tư) nghiên cứu để chuẩn hoá Một số giải pháp triển vọng để cải tiến hiệu suất hệ thống cách đáng kể đưa Một công nghệ truyền thông vô tuyến di động tương lai có triển vọng sử dụng nhiều phần tử anten máy phát máy thu Vì hệ thống MIMO tăng dung lượng nhiều nên gây nhiều quan tâm nghiên cứu thông tin di động Dung lượng hệ thống tỷ lệ tuyến tính số lượng anten sử dụng hai đầu cuối Tuy nhiên, dung lượng thu cách sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp hai đầu cuối Hơn nữa, nhiều anten yêu cầu nhiều luồng RF (rất đắt) Vì vậy, giá thành độ phức tạp hai nhân tố hạn chế sử dụng nhiều anten hệ thống truyền thông tương lai Mặt khác, thực kênh, số anten (hoặc máy phát, máy thu) bị fading sâu Khi tăng số lượng anten, xác suất tối thiểu số anten bị fading tăng lên Do đó, giải pháp thực tế là: lựa chọn tập anten cho (a) kích thước hiệu dụng ma trận độ lợi kênh giảm, theo yêu cầu xử lý đơn giản hoá, (b) số luồng RF giảm Việc tìm tập anten tối ưu u cầu tìm kiếm tồn mà thường khơng thể tính Vấn đề đặt cố gắng tìm thuật tốn gần tối ưu để lựa chọn anten Xuất phát từ vấn đề trên, em lựa chọn đề tài “Tìm hiểu hệ thống MIMO-antenna” Đề tài nghiên cứu kiến thức tổng quan MIMO thuật tốn lựa chọn anten thích ứng Được quan tâm, giúp đỡ bảo tận tình nghiên cứu thầy Đặng Hải Đăng ý kiến đóng góp thầy giáo mơn,cùng với nỗ lực thân, luận văn hoàn thành với nội dung giao mức độ phạm vi định Tuy nhiên trình độ thời gian có hạn, luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót Rất mong dẫn thầy cô giáo… Một lần em xin chân thành cám ơn tất thầy cô, gia đình bạn bè giúp em hồn thành luận văn GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập Hà Nội, Ngày 16 tháng năm 2013 Sinh Viên Bùi Gia Tấn GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập MỤC LỤC…………………………………………………….5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN…………………… 1.1 Sơ lược anten………………………………………………… 1.1.1: Khái niệm………………………………………………… 1.1.2: Phân loại…………………………………………………….8 1.2: Các thông số đặc trưng anten………………………………….8 1.2.1: Kiểu xạ……………………………………………….9 1.2.2: Hệ số hướng tính………………………………………….10 1.2.3: Độ lợi anten(hệ số tăng ích)……………………………10 1.2.4: Trở kháng gõ vào………………………………………… 10 1.2.5: Hệ số sóng đứng VSWR……………………………………10 1.3: Anten dãy…………………………………………………………… 11 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO………………………………….12 2.1: Mơ hình mimo………………………………………………… 12 2.1.1: Tổng quan………………………………………………12 2.1.2: Ưu điểm nhược điểm…………………………………………13 2.1.3: Các loại máy thu sử dụng……………………………….14 2.2: Hệ thống mimo lựa chọn anten……………………………………16 2.2.1: Giới thiệu………………………………………………… 16 2.2.2: Mô tả hệ thống……………………………………………17 2.3: Dung lượng kênh mimo với lựa chọn anten………………… 18 2.3.1: Lựa chọn anten phát…………………………………… 19 2.3.2: Lựa chọn anten phát( trường hợp SNR thấp)…………… 23 2.3.3: Lựa chọn anten thu……………………………………….24 GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập 2.3.4: Lựa chọn kết hợp thu-phát…………………………………26 CHƯƠNGIII : TỔNG KẾT………………………………………………….27 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………28 GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập Danh mục hình vẽ Hình 1: Các lợi ích MIMO……………………………………………………12 Hình 2:Kênh vơ tuyến MIMO…………………………………………………… 13 Hình 1: Hệ thống MIMO lựa chọn anten……………………………………………17 Hình 2: Độ lợi dung lượng lựa chọn anten: NT=8, NR=LT=2………………….22 Hình 3: Lựa chọn anten thu hệ thống x 8…………………………………….25 Danh mục từ viết tắt BLAST Bell-Labs Layered Space Time Hệ thống khơng gian thời gian phân lớp phịng thí nghiệm Bell CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh FDD Frequency division duplex Song công phân chia theo tần số LMS Least mean-squares Bình phương nhỏ MIMO Multi-input Multi-output Đa ngõ vào đa ngõ MISO Multi-input Single-output Đa ngõ vào ngõ ML Maximum Likelihood Gần giống cực đại MS Mobile station Máy di động MMSE Minimum Mean-squares Lỗi bình phương trung bình nhỏ error Pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SIMO Single-input Multi-output Một ngõ vào, đa ngõ SISO Single-input Single-output Một ngõ vào ngõ SM Spatial Multiplexing Đa hợp không gian GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập STC Space-Time Coding SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn IEEE  Điện Điện tử Mã hóa không gian thời gian Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kĩ nghệ GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Sơ lược anten 1.1.1 Khái niệm Trong hệ thống vơ tuyến sóng điện từ lan truyền từ máy phát sang máy thu qua không gian.Và thiết bị để xạ hay thu nhận sóng điện từ vào khơng gian anten 1.1.2 Phân loại anten Tùy theo mục đích sử dụng,băng sóng hay chức năng,cấu trúc mà ta có loại anten sau: - Theo mục đích sử dụng:Anten thơng tin,Anten truyền hình,Anten phát thanh,Anten thiên văn ,Anten rada… - Theo băng sóng:anten sóng cực ngắn,sóng ngắn,sóng trung,sóng dài … - Theo chức năng: anten thu,phát - Theo cấu trúc:dipole,vịng ngun tố,… Anten có nhiều hình dạng nhiều cấu trúc khác nhau.Nhưng chúng thuộc loại sau: anten có hướng anten vơ hướng Anten vô hướng anten xạ công suất tất hướng Anten có hướng loại anten xạ công suất theo hướng định 1.2 Các thông số đặc trưng anten 1.2.1 Kiểu xạ Kiểu xạ anten phần tính chất xạ miền xa anten , hàm tọa độ khơng gian đặc trưng góc ngẩng θ góc phương vị φ Chính xác phần cơng suất từ anten đơn vị góc khối Trong trường hợp anten đẳng hướng, loại anten xạ hướng Một anten đẳng hướng không phù hợp thực tế hữu ích cho mục đích so sánh Một loại thực tế anten có hướng, loại anten xạ công suất lớn số hướng công suất nhỏ hướng khác Trường hợp đặc biệt anten có hướng anten omni, loại anten có kiểu xạ khơng đổi mặt phẳng (ví dụ mặt phẳng E) biến đổi mặt phẳng trực giao (mặt phẳng H) Kiểu xạ anten có hướng chung Hệ số hướng tính GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập Hệ số hướng tính tỉ số mật độ công suất xạ anten điểm hướng ấy, mật độ cơng suất xạ anten chuẩn hướng khoảng cách (khi công suất xạ anten nhau) Anten chuẩn coi nguồn xạ vơ hướng Khi hệ số hướng tính hệ số biểu thị mật độ công suất xạ anten hướng khoảng cách cho lớn lần so với mật độ công suất xạ anten vô hướng khoảng cách nói D(1 , 1 )  S (1 , 1 ) S0 (1.1) S (1 , 1 ) mật độ công suất xạ anten hướng (1 , 1 ) cho Trong khoảng cách R S0 mật độ công suất hướng khoảng cách với giả thiết anten xạ đồng hướng S (1 , 1 ) xác định sau: S (1 , 1 )  E (1 , 1 ) 2W S0 xác định tỉ số công suất xạ tổng cộng diện tích mặt cầu bán kính R bao quanh anten S0  P 4 R Thay giá trị vào ta có D E (1 , 1 ) 2 R 2WP Biên độ trường xạ hướng có quan hệ sau: E (1 , 1 )  Emax Fm (1 , 1 ) Từ ta có D(1 , 1 ) Dmax F m (1 , 1 ) Dmax hệ số hướng tính xạ cực đại Mật độ cơng suất xạ theo mặt kín u quanh anten P S ( ,  )du u Trong S ( ,  )  E ( ,  ) 2W Tại hướng cực đại hàm phương hướng chuẩn hóa có giá trị nên hệ số hướng tính hướng cực đại GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập Dmax  2  4 F m ( ,  ) sin  d d (1.2) 0 1.2.2 Độ lợi anten(hệ số tăng ích) Là thơng số biểu thị đầy đủ cho đặc tính xạ anten so với hệ số hướng tính khơng biểu thị đơn đặc tính định hướng anten mà biểu thị tổn hao anten  S ( ,  ) G ( ,  )  A  A D( ,  ) S0 (1.3) Với  A hiệu suất anten,được xác định tỉ số công suất xạ công suất đặt vào anten A  P P0 1.2.3 Trở kháng ngõ vào Trở kháng ngõ vào anten tỉ số điện áp dòng điện đầu cuối hay tỉ số thành phần thích hợp trường điện sang trường từ Do đó, trở kháng anten viết sau: Z in Rin  jX in Với Zin trở kháng anten đầu cuối Rin điện trở anten đầu cuối Xin điện kháng anten đầu cuối Phần ảo, Xin trở kháng ngõ vào tượng trưng cho công suất gần anten Phần thực, Rin bao gồm thành phần, điện trở xạ R r điện trở suy hao R L Công suất kết hợp với điện trở xạ công suất xạ thực tế anten, công suất bị phóng điện trở suy hao bị dạng nhiệt anten suy hao truyền dẫn suy hao điện môi 1.2.4 Hệ số sóng đứng VSWR Để anten hoạt động có hiệu quả, cơng suất truyền từ máy phát sang anten phải cực đại Cơng suất đạt cực đại trở kháng ngõ vào anten Z in phối hợp với trở kháng ZS Công suất cực đại truyền trở kháng máy phát liên hợp phức với trở kháng anten ngược lại Do đó, điều kiện để phối hợp là: Zin=Zs* Trong Zin=Rin+jXin ZS=RS+jXS GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập Do sử dụng nhiều anten đầu phát đầu thu nên truyền tín hiệu ta truyền nhiều đường liệu song song, mà dung lượng hệ thống cải thiện Chất lượng: Với kĩ thuật xử lý khơng gian nhiễu đầu thu giảm mạnh so với trường hợp hệ thống có anten thu Với kĩ thuật tạo búp, tín hiệu truyền theo hướng mong muốn cơng suất phát tập trung vào hướng mong muốn, giảm cơng suất phát thiết bị Một phương pháp hiệu để chống fading phân tập Các kĩ thuật phân tập gồm phân tập không gian, tần số thời gian Phân tập không gian phổ biến truyền thông vi ba, vô tuyến chia làm loại: phân tập phát phân tập thu Phân tập thu: Được sử dụng kênh có nhiều anten máy thu Giả thiết tín hiệu thu yếu dần độc lập kết hợp máy thu cho tín hiệu thu có fading giảm đáng kể Phân tập thu đặc trưng hoá số nhánh fading độc lập số anten thu Phân tập phát: Phân tập phát áp dụng cho kênh có nhiều anten phát hệ số phân tập số anten phát, đặc biệt anten phát đặt đủ cách xa Thông tin xử lý máy phát sau truyền nhiều anten phát Trong trường hợp nhiều anten đầu phát đầu thu việc sử dụng phân tập yêu cầu kết hợp phân tập phát phân tập thu Hệ số phân tập bị giới hạn tích số anten phát thu 2.1.2.b Nhược điểm MIMO Nhược điểm lớn MIMO có nhiều anten dẫn đến độ phức tạp lớn, thể tích giá thành phần cứng lớn so với hệ thống SISO Sử dụng nhiều anten ta thu độ lợi tạo búp phân tập lớn Tuy nhiên sử dụng nhiều anten thể tích thiết bị lớn (vì số lượng anten vừa nhiều vừa phải đảm bảo khoảng cách anten để kênh không tương quan nhau) yêu cầu điện thoại di động ngày nhỏ 2.1.3 Các loại máy thu sử dụng Để truyền thơng tin có nhiều phương pháp truyền dẫn khác nhiều loại máy thu áp dụng Chúng sử dụng phụ thuộc vào việc biết tham số kênh MIMO tức thời máy phát Nếu thông tin trạng thái kênh (CSI) GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập máy phát, đa hợp khơng gian (spatial Multiplexing-SM) mã hố thời giankhơng gian (space-time coding-STC) sử dụng cho truyền dẫn Nếu máy phát có CSI, tạo búp sử dụng để phát luồng liệu đơn qua liên kết vô tuyến Theo đó, hiệu phổ tính linh hoạt hệ thống cải tiến Thật khó để định phương pháp truyền dẫn tốt Có thể kết luận việc lựa chọn mơ hình truyền dẫn phụ thuộc vào: tốc độ bit, độ phức tạp hệ thống, độ tin cậy STC có độ phức tạp thấp phân tập cao tốc độ bit bị hạn chế SM cung cấp tốc độ bit cao, độ tin cậy thấp Tạo búp khai thác độ lợi dàn lớn, yêu cầu có CSI Trong hầu hết trường hợp, độ phức tạp xử lý tín hiệu máy phát thấp phần xử lý tín hiệu thực máy thu Máy thu phải lấy lại symbol phát từ symbol thu hỗn tạp Một số thu áp dụng là:  Máy thu khả giống cực đại (ML): ML đạt hiệu suất hệ thống tốt (đạt phân tập tối đa tỷ số lỗi bít (BER) thấp nhất), u cầu thuật tốn tách sóng phức tạp Máy thu ML tính tín hiệu thu khơng có nhiễu cách truyền tín hiệu phát ma trận truyền đạt kênh MIMO biết Sau tìm tín hiệu tính theo ưu điểm tối thiểu hố khoảng cách Ơclit cho tín hiệu thu thực tế Chú ý q trình tách sóng mơ tả  Các máy thu lý tưởng: Các máy thu ZF MMSE thuộc vào nhóm máy thu lý tưởng + Máy thu ZF: vơ hiệu hố hồn tồn ảnh hưởng tín hiệu đến từ anten phát khác tách sóng riêng rẽ luồng liệu Nhược điểm máy thu loại bỏ ảnh hưởng tín hiệu đến từ anten phát khác, nhiễu cộng tăng mạnh hiệu suất giảm mạnh Vì xử lý riêng rẽ luồng liệu, nên độ phức tạp thuật toán thấp nhiều máy thu ML + Máy thu MMSE: thoả hiệp làm tăng thêm nhiễu nhiễu tín hiệu, tối thiểu hố lỗi bình phương trung bình symbol phát symbol tách sóng Do kết cân MMSE luồng liệu phát cộng với nhiễu dư nhiễu Sau cân MMSE luồng liệu tách sóng (lượng tử hố) riêng rẽ giống với trường hợp máy thu ZF Trong thực tế khó để thu giá trị tham số xác nhiễu cần cho tách sóng tín hiệu tối ưu Do máy thu sử dụng thực tế  Máy thu BLAST xóa đưa khơng: Các máy thu thực thuật tốn xố đưa khơng dựa vào chiến lược hồi tiếp định Máy thu hoạt động tương tự phương pháp xố đưa khơng sử dụng cho tách sóng đa người sử dụng cân hồi tiếp định kênh fading SISO GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập lựa chọn tần số Về nguyên lý, tất tín hiệu thu cân theo phương pháp ZF (đưa khơng) sau tín hiệu có SNR cao (có thể dễ dàng tính có thơng tin kênh MIMO) tách sóng định lưới Symbol tách sóng giả thiết xác ảnh hưởng vectơ symbol thu bỏ (xóa) Hiệu suất máy thu xố đưa khơng nhỏ hiệu suất máy thu ML lớn hiệu suất máy thu tuyến tính (ZF, MMSE) 2.2 Hệ thống MIMO lựa chọn anten 2.2.1 Giới thiệu Ta biết, dung lượng kênh vô tuyến fading phẳng tăng theo số anten sử dụng hai đầu cuối Đó lý người ta đặc biệt quan tâm đến hệ thống MIMO Dung lượng kênh MIMO cao kênh SISO (một đầu vào đầu ra) hai lý do: độ lợi tạo búp độ lợi phân tập Độ lợi tạo búp định nghĩa khả máy phát (máy thu) có nhiều anten phát (thu) lượng theo (từ) hướng mong muốn Độ lợi phân tập định nghĩa phạm vi mà dàn anten tránh hiệu ứng che chắn (shadowing) Khi mà anten thu tín hiệu yếu che chắn có khả anten khác thu tín hiệu tốt Do vậy, xác suất để tất dàn anten bị che chắn nhỏ xác xuất anten bị che chắn (trường hợp SISO) Đặc biệt, độ phức tạp thuật toán mã hoá giải mã tăng đáng kể theo số lượng anten Trong thực tế công suất xử lý máy thu xác định dựa vào số anten tích cực mà hệ thống hỗ trợ Một máy thu phát chọn số anten số tất anten để thu phát, ta gọi anten anten tích cực Quy trình lựa chọn gọi lựa chọn anten 2.2.2 Mô tả hệ thống Xét hệ thống MIMO minh hoạ hình có n T luồng RF phát nR luồng RF thu giả sử có số anten phát NT nT số anten thu N R nR Kênh biểu diễn ma trận H ( N R ´ NT ) có phần tử hij biểu diễn độ lợi phức kênh anten phát j anten thu i Ta giả sử kênh fading phẳng không đổi qua số cụm Với H[] ma trận kênh tương ứng với tập anten thu , có nghĩa hàng H tương ứng với số anten chọn Khi tín hiệu thu tương ứng (2.1) GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn biểu diễn vectơ thu nR 1 , s  s1 , s2 , , sn  T SVTT:Bùi Gia T Báo cáo thực tập biểu diễn vectơ phát nT 1 , n vector nhiễu thu nR 1 ,  tổng tỉ số tín hiệu nhiễu, độc lập với số anten phát Các phần tử n có phân bố Gauss phức trịn có phương sai 1, ni  N c (0,1) Ta giả sử symbol truyền có cơng   1 nT NT Lựa chọn Tx NR Chuyển mạch RF nR … … Chuyển mạch RF Luồng RF H … Luồng RF … Luồng RF … Ðầu vào Mã hố xử lý tín hiệu … suất đơn vị, có nghĩa E si Luồng RF Giải mã xử lý tín hiệu Ðầu Lựa chọn Rx Hình 4: Hệ thống MIMO lựa chọn anten Việc lựa chọn số anten máy thu, máy phát dựa vào nhiều tiêu chuẩn Một số tiêu chuẩn quan trọng tiêu chuẩn lựa chọn tối ưu, tiêu chuẩn SNR 2.2.2.a Tiêu chuẩn lựa chọn tối ưu Tiêu chuẩn lựa chọn tối ưu, mặt dung lượng, gồm có lựa chọn tập anten cực đại hố dung lượng kênh kết H% Dung lượng kênh chọn H% dùng cấp phát công suất là: * ưư ỉ ỉ r ÷ C ( H%, r ) = log ỗ det ỗ I LR + H%( H%) ữ ữ ữ ỗ ỗ ố è ø ø LT (2.2) det(.) định thức ma trận (.) * chuyển vị liên hợp ma trận, LT, LR số anten phát thu chọn, H% ma trận kênh bao gồm tỉ số SNR Dung lượng H% sử dụng cấp phát công suất phương pháp water filling dễ dàng thu từ SVD của H% Tiêu chuẩn lựa chọn khó để thực u cầu biết ma trận kênh H Để thu thông tin trạng thái kênh (CSI), hệ thống phải ước lượng NT ´ N R kênh SISO, độ phức tạp NT N R lớn Hơn nữa, tiêu chuẩn lựa chọn yêu cầu tính dung lượng tất tập anten hoạt động Tuy nhiên, lựa chọn tối ưu đạt hiệu suất cao so với hiệu suất tiêu chuẩn lựa chọn thiết thực 2.2.2.b, Tiêu chuẩn SNR Lựa chọn anten có SNR cao tiêu chuẩn thiết thực Về lý thuyết, quy trình gồm có lựa chọn cột H có LT chuẩn Ơclit cao tạo thành ma GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập trận H%T Sau hàng H%T có LR chuẩn Ơclit cao chọn để hình thành ma trận H% Trong suốt trình, thu dễ dàng giám sát SNR anten thu Phần cứng đơn giản thị cường độ tín hiệu, cung cấp thơng tin cho thu mà không yêu cầu xử lý băng tần gốc Nếu cường độ tín hiệu tính trung bình qua số lượng lớn symbol MIMO symbol anten phát độc lập nhau, quy trình tương đương với lựa chọn LR hàng H%T có chuẩn Ơclit cao Máy phát yêu cầu số thông tin kênh để chọn tập anten phát Để máy phát có thông tin CSI đầy đủ nhiệm vụ phức tạp, bao gồm: ước lượng kênh máy thu hồi tiếp CSI từ máy thu tới máy phát Do đó, hệ thống song cơng phân chia theo tần số (FDD), tiêu chuẩn SNR khó để thực LT < NT Các hệ thống FDD áp dụng tiêu chuẩn SNR cách chọn LT = NT , nghĩa sử dụng tất anten tai máy phát Điều có nghĩa NT bị giới hạn công suất xử lý hệ thống Trong hệ thống song công phân chia theo thời gian (TDD), kênh mang tính thuận nghịch Máy phát thu thơng tin kênh qua truyền dẫn cụm hoa tiêu ngược chiều trước truyền dẫn khung quan trọng Máy phát không yêu cầu biết đầy đủ CSI SNR tương ứng với anten phát xác định cách dùng quy trình ước lượng cho máy thu Trong hệ thống thực tế, độ xác việc ước lượng bị giới hạn chiều dài cụm hoa tiêu Trong phần lại, ước lượng SNR anten phát thu giả thiết xác 2.3 Dung lượng kênh MIMO với lựa chọn anten Tại phía thu, lựa chọn tập anten làm giảm độ phức tạp Tại phía phát, lựa chọn tập anten khơng giảm độ phức tạp, mà cải tiến dung lượng hệ thống MIMO với giá trị lượng tối thiểu thơng tin hồi tiếp Các thuật tốn hiệu nhanh phát minh để xác định tập anten lựa chọn Ở đây, luận văn phân tích dung lượng kênh lựa chọn anten chế độ SNR thấp SNR cao Dung lượng hệ thống MIMO với cấp phát công suất theo waterfilling (C wf) tăng tuyến tính với dung lượng máy phát khơng biết CSI (C), nhiên Cwf>C có chênh lệch SNR cao (giả sử có nhiều anten phát anten thu) Độ chênh lệch tỷ lệ vượt giới hạn hồi tiếp trạng thái kênh Tỷ lệ vượt không giới hạn water-filling; phần CSI biết máy phát tỷ lệ vượt giới hạn GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập nhỏ Ví dụ, phần CSI bao gồm lựa chọn anten phát hồi tiếp hiệp biến kênh Sự tăng tỷ lệ vượt giới hạn với số lượng anten phát phép đo tính hiệu CSI sử dụng phương pháp cho Ta sử dụng ký hiệu sau E[] giá trị kỳ vọng biến ngẫu nhiên, ma trận đơn vị , (x)+=max{x,0}, Ta sử dụng để biểu thị tính tương đương tiệm cận an bn định nghĩa là: số Euler-Mascheroni Ở ta sử dụng thơng lượng logarit tự nhiên đơn vị dung lượng Nats/Sec/Hz Phân bố chi-square có 2p bậc tự biểu diễn cực đại n phân bố độc lập ký hiệu , Với việc sử dụng ký hiệu, ta biểu diễn biến ngẫu nhiên theo phân bố sau với 2.3.1 Lựa chọn anten phát Ta xét sơ đồ lựa chọn anten phát mà tập anten phát sử dụng cho truyền dẫn với công suất Lựa chọn anten phát tối ưu qua tìm kiếm tất tổ hợp có độ phức tạp , điều không thực tế với số lượng lớn anten phát Ta giảm tính phức tạp cách dùng sơ đồ lựa chọn liên tục, tức thuật toán greedy mà bước tối đa hoá dung lượng kênh lựa chọn Gharavi-Alkhansari Greshman lựa chọn liên tục tăng lên dẫn đến độ phức tạp tính tốn Các kết lựa chọn liên tục đạt hầu hết tất dung lượng lựa chọn anten tối ưu dải rộng SNR Đầu vào thuật toán gồm (SNR cho trước), LT (số lượng anten phát mong muốn lựa chọn) H (ma trận kênh gốc) Đầu thuật toán (ma trận kênh kết hợp với anten phát chọn) Thuật toán biểu diễn sau: 1) Đặt ={tất cột H} 2) Chọn 3) for i = : LT a) b) c) d) 4) GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn (2.3) SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập a Các phân tích cho trường hợp SNR lớn Sử dụng cơng thức Sherman-Morisson cho định thức, cuả kênh chọn ta có: lựa (2.4) Khi , ma trận chiếu có hạng NR-i+1 Khi NT lớn, bước lựa chọn, phân bố vectơ kênh lại xấp xỉ với phân bố Gauss đối xứng theo chu kỳ Khi N T lớn giả thiết Gauss cung cấp phép xấp xỉ tin cậy cho phân bố cột lại Sử dụng giả thiết ta tính xấp xỉ số liệu thống kê vế phải phương trình (3.2) Ta biết với vectơ Gauss phức không tương quan x ma trận chiếu (projection matrix) P, xHPx có phân bố với rank(P) bậc tự Vì với , NT lớn, ta có: (2.5) biến ngẫu nhiên cực đại n biến ngẫu nhiên độc lập Pdf biến ngẫu nhiên tính sau: (2.6) b Độ lợi dung lượng hệ thống MIMO Độ lợi dung lượng đơn vị đo tính hiệu CSI máy phát Với giả thiết fading phẳng, cho trước ma trận kênh tổng quát, dung lượng theo trình ergodic kênh MIMO tổng qt tính sau: (2.7) Q=E[xxH] hiệp biến (covariance) vectơ phát x Ta xét trường hợp: máy phát khơng có CSI; máy phát có CSI; truyền dẫn sử dụng tập tối ưu anten phát chọn máy thu Thông tin có máy phát số anten phát chọn Hình 2.4 biểu diễn dung lượng kênh MIMO qua trình ergodic độ lợi dung lượng trường hợp GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia ... lượng hệ thống, gọi fading Một phương pháp hiệu để cải thiện độ tin cậy sử dụng nhiều anten đầu thu đầu phát Một hệ thống gồm nhiều anten gọi hệ thống MIMO (multi-input multi-output) Hệ thống. .. cứu thông qua mô máy tính năm 80, sau hệ thống nhiều người quan tâm phân tích rõ MIMO sử dụng hệ thống 3G chuẩn hoá thành tiêu chuẩn IEEE 802.11 Hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten với mục đích... gian Hệ thống anten dãy có khả thích ứng cách tích cực dựa kết hợp tín hiệu có anten để cải thiện chất lượng hệ thống GVHD:Đặng Hải Đăng Tấn SVTT:Bùi Gia Báo cáo thực tập CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO