tóm tắt luận văn thạc sỹ kĩ thuật viễn thông mimo trong lte và lte advanced

Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về MIMO Chương 2: MIMO trong LTE, giới thiệu SU-MIMO trong LTE, ghép kênh không gian cho SU-MIMO trong LTE, tiền mã hóa

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN CÔNG DOANH

MIMO TRONG LTE VÀ LTE ADVANCED

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện này, xu thế của mạng thông tin di dộng là tăng tốc độ người dùng và đa dạng hóa các ứng dụng Sự gia tăng về nhu cầu của các ứng dụng của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập Internet Người dùng luôn luôn mong muốn công nghệ di động mới ra đời vẫn sẽ cung cấp các dịch vụ và tiện ích theo cách tương tự như mạng hữu tuyến Và tất nhiên, nhu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp được tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống các tài nguyên mạng nhanh hơn là đích hướng tới của công nghệ di động 4G

Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về MIMO

Chương 2: MIMO trong LTE, giới thiệu SU-MIMO trong LTE, ghép kênh không gian cho SU-MIMO trong LTE, tiền mã hóa dựa vào phân tập vòng trễ, ghép kênh không gian vòng hở trong LTE, phân tập, MIMO đa người dùng, báo hiệu phản hồi đường lên trong LTE, cấu hình anten, đánh giá hiệu năng của các sơ đồ MIMO

Chương 3: MIMO trong LTE-Advanced, điểm khác nhau của MIMO trong LTE và MIMO trong LTE-Advanced, MU-MIMO trong LTE Advanced, So sánh SU-MIMO trong LTE và SU-MIMO trong LTE Advanced, CoMP

Em xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ việc hoàn thiện luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MIMO

1.1Giới thiệu chương

Nhằm mục đích không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ trên mạng

di động dữ liệu băng rộng, cụ thể ở đây là tốc độ truyền dữ liệu đường xuống từ nhà mạng đến người dùng, và đường lên từ người dùng lên nhà mạng, các nhà nghiên cứu viễn thông và hãng viễn thông lớn trên thế giới

đã đưa ra mô hình truyền dẫn dành cho LTE và LTE Advanced: Đa anten phát, đa anten thu

Công nghệ MIMO trong LTE giống như ghép kênh không gian, phân tập truyền dẫn và beamforming là các thành phần quan trọng cho việc cung cấp tỉ số đỉnh cao hơn, và hiệu năng của hệ thống sẽ tốt hơn, đây là các yêu tố cơ bản để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu băng rộng trong tương lai qua môi trường mạng không dây Mở rộng trong tương lại của công nghệ LTE MIMO được nghiên cứu trong 3GPP, mục “ LTE Advanced”, chúng ta sẽ thấy các yêu cầu cần thiết của IMT-Advanced

1.2 Cấu hình đa anten

Các kĩ thuật đa anten được dùng để cải thiện hiệu năng của hệ thống như:

- Cải thiện dung lượng của hệ thống

- Cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn đến người dùng bằng cách cải thiện tốc độ truyền dữ liệu

Kỹ thuật đa anten có thể được phân loại như sau:

- Nhiều đầu vào, một đầu ra: MISO- Multi Input Single Output

- Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra: MIMO – Multi Input Multi Output

Tuy nhiên, nhiều khi người ta sử dụng MIMO để nói về vấn đề chung, trong đó SIMO và MISO là các trường hợp đặt biệt của MIMO

Một liên kết MIMO điểm tới điểm giữa một BTS và một UE gọi là SU-MIMO, hay MINO đơn người dùng, khi nhiều MS thông tin đồng thời trên một BTS chung trên cơ sở sử dụng cùng một tài nguyên trong miền tần số và miền thời gian

Mở rộng ra, nếu xét một ngữ cảnh nhiều ô, khi các BTS lân cận chia sẻ các anten của mình theo cách MIMO ảo để thông tin với cùng một tập UE trong các ô khác nhau, ta có thuật ngữ MIMO đa người sử dụng đa ô

1.3 Các lợi ích của việc sử dụng đa anten và các vấn đề thực tiễn của các sơ đồ MIMO

1.3.1 Các lợi ích của việc sử dụng các kỹ thuật đa anten

Đảm bảo phân tập chống pha đinh trên kênh vô tuyến

Trường hợp này sử dụng nhiều anten ở máy phát và(hoặc) nhiều anten ở máy thu Các kênh truyền do anten này tạo ra phải có tương quan pha đinh tương hỗ thấp, do đó cần khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn, hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau

Tạo dạng búp sóng tổng hợp

Nếu sử dụng nhiều anten ở máy phát và ( hoặc) nhiều anten ở máy thu, hệ thống sẽ tạo dạng búp sóng tổng hợp ( búp phát và búp thu) để đạt được tăng ích cực đại trong quá trình truyền đến máy phát hoặc máy thu, hoặc để triệt tiêu các tín hiệu nhiễu chính

Giải pháp ghép kênh không gian

Sự có mặt đồng thời nhiều anten tại máy phát và máy thu có thể được

sử dụng để tạo nhiều kênh thông tin song song trên giao diện vô tuyến Điều này đảm bảo khả năng sử băng thông cao mà không gây giảm hiệu suất sử dụng công suất hay nói một cách khác cho phép tốc độ truyền dẫn cao mà không ảnh hưởng đến phủ sóng

Mặc dù MIMO rất đa dạng và phức tạp, các kĩ thuật SU-MIMO và MIMO đều dựa trên một số nguyên lý căn bản với mục đích tăng cường một số thuộc tính kênh truyền sóng đa anten quan trọng Tồn tại 2 ưu điểm liên quan đến kênh này ( so với SISO) là:

MU- Độ lợi phân tập

 Độ lợi dàn và độ lợi ghép kênh không gian

không gian

1.3.2 Các vấn đề thực tiện của mô hình MIMO

Các hạn chế thực tiễn quan trọng ảnh hưởng lên hiệu năng thực tế của hệ thống MIMO lý thuyết và các hạn chế này thường mang tính quyết định khi lựa chọn một chiếm lược truyền dẫn cụ thể trong một môi trường truyền sóng cho trước và trong quá trình thiết lập hệ thống

Các lợi ích đầy đủ của MIMO ( độ lợi dàn, độ lợi phân tập, độ lợi ghép kênh) chỉ đạt được với giả thiết các anten phải không tương quan và các ma trận MIMO phải là ma trận có hạng đầy đủ Một lý do dẫn đến sự khác nhau giữa các độ lợi MIMO lý thuyết và độ lợi đạt được thực tế là khả năng máy thu ước tính chính xác các hệ số kênh mỗi khi máy phát cần

1.4 Mô hình MIMO tổng quát

Hình sau mô tả mô hình MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu

Hình 1.1: Mô hình MIMO tổng quát

1.5 Mô hình hệ thống MIMO tối ưu

Ta xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát, và Nr anten thu như hình vẽ trên, ta có phương trình

= ̅+ƞ

Trong đó ƞ là vec tơ AWGN phức với ƞ = (0, ) và E[ƞ ƞ ] =

H là ma trận kênh x , khi khoảng cách giữa các anten > /2 và môi

trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cột độc lập với

nhau Lúc này, phân chia giá trị đơn, ta có:

H=UD

Trong đó U và là các ma trận nhất phân ( unitary) có kích thước

Sơ đồ máy thu, máy phát trong mô hình hệ thống MIMO tối ưu như sau

Det ( Q- ) = 0

Trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau:

Q= với Nr <

ớ ≥

Các cột ma trận U là vec tơ Eigen của , còn các cột của ma trận V là

vec tơ Eigen của ma trận

Số các giá trị eigen khác không của ma trận chính bằng hạng của

ma trận này

Nếu Nt=Nr thì D là một ma trận đường chéo Nếu Nt>Nr thì gồm một

thì D gồm một ma trận đường chéo NtxNr và sau đó Nt-Nr dòng bằng không Dưới đây ta sẽ minh họa ma trận đường chéo D cho các trường hợp

Nt ≠Nr

Trong trường hợp mà số anten phát lớn hơn số anten thu (Nt>Nr) U sẽ

là ma trận NtxNr và V sẽ là ma trận NtxNt và D sẽ được tạo ra từ ma trận

vuông bậc Nt tiếp theo sau là Nt-Nr cột bằng không như nhau

Trong trường hợp này ma trận V chỉ có Nt hàng sử dụng được, còn Nt-Nr hàng còn lại không sử dụng được Khi này Nt phần tử đầu của ma trận ̅ được sử dụng và Nt-Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không Trường hợp đặc biệt ta có Nt anten phát nhưng chỉ có một anten thu (Nt=1) Khi

này ma trận U có kích thước 1x1 và chỉ sử dụng được một hàng của ma

trận V

Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhỏ hơn số anten

phát (Nt<Nr) Trong trường hợp này vẫn như trước ta có V là ma trận NtxNt và U là ma trận NtxNr nhưng ma trận D là ma trận NtxNt được tạo

thành từ ma trận đường chéo NtxNr theo sau là Nt-Nr hàng bằng không Trường hợp đặc biệt khi chỉ có một anten phát và Nt anten thu

Mô hình hệ thống SVD MIMO

Giả sử ̅được nhân trước với ma trận V và được nhân với ma trận

ta được các biểu thức sau:

̅ = = (H ̅V + ̅)

= UD V ̅ + ̅

= D ̅ + ̅ ( 1.5)

Vì ma trận D là ma trận được chéo hóa, nên ta có thể phân tích quan hệ

giữa z và x vào dạng:

= / xi+ i (1.6)

Trong đó i=0,1,…., -1 với xác định theo phương trình (1.4)

Biểu thức (1.4) và (1.5) cho phép ta xây dựng hệ thống SVD MIMO tối

ưu gồm kênh phadinh phẳng song song như trên hình 1.7 và 1.8

a) Máy phát SVD MIMO

Hình 1.2:Mô hình máy phát SVD MIMO

Từ hình 1.7 ta thấy tại máy phát SVD MIMO (hình 1.7) trước hết luồng ký hiệu số liệu được bộ chia luồng không gian chia thành luồng không gian Sau đó các lường này được nhân với các cột của ma trận V để nhận được các ký hiệu phát vào không gian

b) Máy thu SVD MIMO

c) Tại máy thu SVD MIMO (hình 1.3) các tín hiệu thu được nhân với

ma trận để tách ra các luồng không gian Sau đó các ký hiệu số liệu được kết hợp bởi bộ kết hợp Sau khi phân tích SVD ta sẽ được

kênh không gian song song xác định theo được thể hiện trên hình 1.9

Hình 1.3: Mô hình máy thu SVD MIMO

Dung lượng truyền dẫn trong hệ thống SVD MIMO tối ưu

Dung lượng kênh quyết định giới hạn hiệu suất phổ tần Nói chung dung lượng này phụ thuộc vào các sơ đồ điều chế và mã hóa Dựa trên các tính toán lý thuyết thong tin trong các nhà bác học đã chứng minh tính ưu việt của điều chế MIMO Dưới đây ta sẽ xét các biểu thức dung lượng trong trường hợp máy phát biết trước trạng thái kênh Các trường hợp này cũng còn được gọi là “dung lượng vòng kín” là dung lượng đạt được trong trường hợp máy phát biết rõ kênh Dung lượng vòng kín đã được rút ra trong rất nhiều công bố và các tài liệu lý thuyết thông tin kinh

Hình 1.4:Phân chia kênh phadinh phẳng MIMO thành các kênhphadinh

phẳng song song tương đương dựa trên SVD

điển, các kết quả tương tự cũng liên quan đến các kênh Gauss song song ( tương quan) Dung lượng giới hạn lý thuyết tính theo bit/s/Hz được xác định như sau:

sử dụng kênh này, tổng dung lượng cũng hầu như không giảm

Phương trình được rút ra ở trên cho ta cách đánh giá hiệu năng của các kênh Nếu thừa số nhỏ hơn một ngưỡng cho trước ra có thể loại bỏ kên này Khi này số các luồng không gian được sử dụng nhỏ số kênh khả dụng cực đại, nhưng không được sử dụng sẽ có xi tương ứng được đặt vào không

Từ các phân tích trên ta có thể đưa ra kết luận sau:

- Dung lượng MIMO tăng tuyến tính với min( ; ) và ma trận

kênh phân chia thành min(Nt;Nr) kênh song song độc lập

- Nếu giữ Nr cố định và tăng Nt thì dung lượng sẽ bão hòa tại một giá

trị cố định

- Nếu giữ nguyên Nt và tăng Nr thì dung lượng sẽ tăng theo

cùng với tăng Nr

Truyền dẫn tối ưu trên kênh SU-MIMO

Để đạt được truyền dẫn tối ưu trên kênh MIMO cần có bộ tiền mã hóa phụ

thuộc kênh đóng vai trò tạo búp phát và ấn định công suất trên các luồng

và một cấu trúc tạo búp phía thu phối hợp Vì thế phía phát cần hiểu rõ

kênh truyền Ta xét luồng (hay lớp) với mỗi luồng gồm Ns kí hiệu

Luồng l gồm { , , , ,…, , , l=0,1,…, -1 Lưu ý rằng trong thiết

lập luồng lý tưởng, mỗi luồng có thể nhận được mã hóa kênh và điều chế

khác nhau Ta có thể trình bày tín hiệu phát như sau:

Trong đó ma trận V kích thước là ma trận tạo búp, ma trận P là ma

trận đường chéo ấn định công suất kích thước với là phần tử

đường chéo thứ l, trong đó là công suất được ấn định cho luồng thứ l

Tất nhiên công suất phải được chọn để không thể vượt quá công suất khả

dụng Để tiện lợi công suất này được biểu diễn là giới hạn của tổng công suất phát chuẩn hóa

1.6.1 Tạo búp sóng phía phát

Trong trường hợp tạo búp sóng phía phát, Nt>1 và Nr=1 Nếu có một

số hiểu biết và các kênh đường xuống của các anten phát khác nhau và nhất là một số hiểu biết về pha kênh tương đối tại phía phát, các anten phát ngoài phân tập còn có thể đảm bảo tạp búp, nghĩa là tạo dạng cho toàn bộ búp anten theo phương đến máy thu đích Tạo búp có thể tăng cường tín hiệu tại anten thu lên đến thừa số Nt, nghĩa là tỷ lệ với anten phát Khi nói

Hình 1.6: Tạo búp điển hình với tương quan anten tương hỗ cao – Cấu

trúc búp

Phương pháp tạo bước sóng phía phát bằng cách sử dụng các dịch pha khác nhau cho các anten tương quan cao đôi khi còn được gọi là tạo búp sóng điển hình Do khoảng cách giữa các anten nhỏ, búp sóng phát tổng khá rộng và các điều chỉnh phương búp sóng ( trong thực tế là điều chỉnh các dịch pha anten) thông thườngđược thực hiện khá chậm Điều chỉnh có thể được thực hiện trên cơ sở đánh giá phương đến đầu cuối di động đích, được rút ra từ đo đạc trên đường truyền Ngoài ra do giả thuyết tương quan cao giữa các anten phát khá khác nhau, tạo búp sóng điển hình không thể đảm bảo phân tập chống pha đinh kênh vô tuyến ngoài việc chỉ tăng cường độ tín hiệu thu

Trong tạo búp sóng phát Nt>1, Nr=1 Mỗi lần phát, một kí tự được đưa tới anten Khi sử dụng các trọng số phức khác nhau cho các tín hiệu cần phát trên các anten khác nhau

1.6.2 Tạo búp sóng phía thu

Trong trường hợp tạo búp sóng phía thu, Nt=1 và Nr>1, giả thiết có một luồng Trong trường hợp này tại một thời điểm chỉ có một kí tự được phát Vec tơ tín hiệu thu được xác định như sau:

Sau khi máy thu nhận được đánh giá kênh, nó sẽ đặt vec tơ tạo búp W vào

giá trị tối ưu để đạt được SNR thu cực đại Để đạt được điều này cần đồng

bộ vec tơ tạo búp với kênh của MS thông qua việc kết hợp tỷ lệ cực đại

(MRC) : W= ( Có thể coi đây là không gian của bộ lọc phối hợp) Lưu

ý rằng cũng có thể loại bỏ tín hiệu nhiễu bằng cách chọn vec tơ tạo búp trực giao với kênh của nguồn đến

Bộ kết hợp tỉ lệ cực đại cung cấp thừa số cải thiện Nr trong SNR thu so với trường hợp SISO, nghĩa là độ lợi dàn 10 (Nr) dB trong quỹ đường truyền

 Bộ tạo búp N anten có thể khuếch đại một nguồn phát ( không nhiễu) với hệ số N tại giá trị SNR trung bình: Tạo búp

 Bộ tạo búp N anten có thể lấy ra một nguồn phát và loại bỏ N-1 các nguồn khác: triệt nhiễu

 Tạo búp phát thực hiện cùng độ lợi như tạo búp phía thu nên có CSIT: tạo búp phát và xóa không nhiễu

 N nguồn phát có thể được đồng thời lấy ra ( với giả thiết coi rằng N-1 nguồn còn lại là nhiễu) bởi bộ tạo búp: ghép kênh không gian

 N nguồn có thể ấn định cho N người sử dụng khác nhau: MIMO SDMA

MU- Một số trong số N nguồn có thể thuộc các ô khác đa ô cộng tác

1.7 Ghép kênh không gian

Sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu cho php cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp âm Nó tỷ lệ với số lượng anten khi áp dụng tạo búp tại cả máy thu và máy phát Trường hợp tổng quát với Nt anten phát, và Nr anten thu, hệ thống đa anten có thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm lên Nt x Nr lần Việc có thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm này trong máy thu cho phép tăng tốc độ số liệu trong trường hợp tốc độ số liệu bị giới hạn bởi công suất chứ không bị giới hạn bởi băng thông Tuy nhiêu tốc độ sẽ không thể tăng được khi đã đến vùng hoạt động bị giới hạn bởi băng thông

băng thông Tuy nhiên khi đạt được đến vùng hoạt động bị giới hạn bởi băng thông các tốc độ số liệu sẽ bắt đầu bão hòa nếu không thể tăng băng thông

1.7.1 Nguyên lý cơ bản

Việc tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhiễu này trong máy thu cho phép tăng tốc độ số liệu trong trường hợp tốc độ số liệu bị giới hạn bởi công suất chứ không giới hạn bởi băng thông Tốc độ số liệu sẽ bão hòa khi đạt đến vùng hoạt động bị giới hạn bởi băng thông nếu không thể tăng băng thông Trong một số điều kiện nhất định, có thể làm cho dung lượng kênh tăng gần như tuyến tính với số lượng anten và tránh được bão hòa tốc độ số liệu Phương pháp này được gọi là phương pháp ghép kênh không gian

CHƯƠNG 2: MIMO TRONG LTE

2.1 Giới thiệu chương

Như chung ta đã biết, để đạt được các yêu cầu về tốc độ, chất lượng dịch vụ trong LTE, chúng ta phải sử dụng công nghệ MIMO Chương này tập trung vào nghiên cứu MIMO đơn người dùng bao gồm mô hình truyền dẫn SU – MIMO, xử lý các tín hiệu số đường xuống , ghép kênh không gian vòng hở, vòng kín Và trình bày MIMO đa người dùng trong LTE, như MU – MIMO đương xuống, đường lên, báo hiệu phản hồi CSI, và phân tập trong MIMO LTE

2.2 SU-MIMO trong LTE

Có 2 chế độ trong ghép kênh không gian SU-MIMO đó là:

- Ghép kênh không gian vòng kín

- Ghép kênh không gian vòng hở

2.2.1 Mô hình truyền dẫn SU-MIMO

Mô hình truyền SU-MIMO tổng quát cho trường hợp truyền dẫn vòng kín được mô tả như hình vẽ