Đề tài: HỆ THỐNG MIMO-SDM ppt

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG o0o CHỦ ĐỀ THẢO LUẬN HỆ THỐNG MIMO-SDM Giảng viên: Ths. Hoàng Quang Trung Thái nguyên, tháng 11 năm 2012 1 DANH SÁCH NHÓM THẢO LUẬN Nguyễn Thị Thoa Bùi Thị Thanh Thủy Đào Thị Thảo Lê Thị Thu Hoàng Thị La Trương Quang Soát Nguyễn Trí Quyết Nguyễn Xuân Nam 2 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu sử dụng thông tin đơn giản như điện thoại, điện tín, điện báo…đến nay nhu cầu về truy cập và trao đổi thông tin ngày càng gia tăng và đòi hỏi những tính năng đa dịch vụ. Bên cạnh nhu cầu về tốc độ đa truy nhập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc mọi nơi cũng là một nhu cầu không thể thiếu. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng) kết hợp với giao thức truy nhập tốc độ cao 3 HSDPA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download dữ liệu tốc độ cao lên tới 14.4Mbps. Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ lên tới hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn là một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa. Để đáp ứng được nhu cầu truyền thông dữ liệu tốc độ cao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động thì các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là một trong những cử viên sáng giá nhất. Trong chủ đề thảo luận “Hệ thống MIMO/SDM” nhóm chúng em tìm hiểu gồm những nội dung: I. Tổng quan về hệ thống MIMO II. Phân kênh theo không gian SDM III. Ứng dụng của hệ thống MIMO SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu suất băng thông. Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân tập nhờ sử dụng các anten thu phát. Bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu xót về kiến thức chúng em rất mong thầy giáo đánh giá và bổ sung kiến thức giúp chúng em hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện! 4 I. Tổng quan về MIMO 1.1. Lịch sử phát triển - Năm 1994: Paulrai & Kaailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất, nêu ra khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng cho phát thanh quảng bá. - Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST nhằm hợp các luồng truyền trên kênh fading nhanh. - Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó. - Năm 1998, sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được làm bởi Bell labs. - Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Jospan Wireless Inc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. 5 SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu suất băng thông. Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân tập nhờ sử dụng các anten thu phát. 1.2. Hệ thống MIMO MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền. Chuỗi tín hiệu phát được 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 được mã hóa không gian - thời gian được phát đi nhờ N anten phát. Máy thu sử dụng phân tập thu với M anten 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. Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO 6 Để tránh ảnh hưởng giữa các anten phát và các anten thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử anten ở các mảng anten phát hoặc thu là . 1.3. Mô hình toán học Chúng ta 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 ước lượng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian. Một hệ thống gồm N anten phát và M anten thường được gọi là hệ thống MIMO MxN. Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ngõ vào - ngõ ra như sau: y = Hs + z trong đó: z là thành phần tạp âm; H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa N anetn phát và M anten thu. Mô hình toán học được diễn tả như sau: Hình 1.2: Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống MIMO Ma trận H có dạng: 7 H = Các vecto phát, thu và tạp âm tương ứng là: s = y = z = Phương trình tổng quát: = H + Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệ thống: y = Hs + z với P T là tổng công suất phát từ N anten phát. 1.4. Dung lượng kênh MIMO Dung lượng 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 cộng trắng Gauss: 8 C = W [bits/s] Trong đó: W : băng tần của kênh truyền (hz) : tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR) Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu điễn tổng quát như sau: C MIMO = Trong thực tế do các tác động của pha-đinh, 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 lượng kênh truyền được xác định: = II. Phân kênh theo không gian SDM 9 Chuẩn 802.11n đạt được cải tiến đáng kể về tốc độ dữ liệu thông qua việc sử dụng MIMO/SSM( nhiều đầu vào, nhiều đầu ra-ghép kênh phân chia theo không gian). Nếu trên đường truyền có sự biến động, anten thu sẽ nhận ra tín hiệu sai khác từ anten truyền. Anten phát sẽ phát tín hiệu trên một hình vòm rộng, trên đường truyền tín hiệu sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ, tán xạ…do tác động của những vật cản trong môi trường xung quanh. Hình 2.1. Phân kênh theo không gian SDM Hình trên thể hiện 3 đường tín hiệu đến anten thứ 2. Tín hiệu mạnh nhất là a và thông tin mang trên nó sẽ được giải mã. Hai đường khác đến với mức năng lượng thấp hơn và dịch đi một khoảng thời gian va pha so với tín hiệu a. Do vậy nó có thể làm suy giảm tỉ số SNR với a. Mỗi một anten nhận sẽ nhận được một tín hiệu chiếm ưu thế từ một anten phát khác. Vì vậy hệ thống có thể tận dụng bằng cách truyền những tín hiệu khác nhau trên một anten. Đây là một ưu điểm nổi bật của MIMO. Ưu điểm của SDM - Tăng dung lượng - Cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu. 10 [...]... tuyến Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến đã được triển khai ứng dụng và đề xuất cho các hệ thống 3G trở đi Các hệ thống vô tuyến đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: MultipleInput Multiple-Output), đang được biết đến như một nền tảng cho công nghệ truyền dẫn thế hệ thứ 4 (4G) Sử dụng đa anten phát và đa anten thu, các hệ thống MIMO cho phép truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lên tới gigabit trong các môi... các môi trường di động, MIMO nghiên cứu bao gồm các tập đoàn Mascot-IST đề nghị để phát triển các kỹ thuật MIMO tiên tiến, ví dụ như, nhiều người sử dụng MIMO (MUMIMO) Công nghệ MIMO có thể được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây Một ví dụ là các mạng gia đình tiêu chuẩn ITU-T G.9963 , trong đó xác định một hệ thống thông tin liên lạc đường dây điện sử dụng các kỹ thuật MIMO để truyền... tăng BER Để giảm nhỏ BER của hệ thống máy thu sử dụng M ≥ N anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả để thực hiện tách riêng từng luồng tín hiệu Dựa theo tính chất tuyến tính của phương pháp tách tín hiệu, các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM được phân loại thành hai nhóm lớn là các bộ tách tín hiệu tuyến tín và các bộ tách tín hiệu phi tuyến 11 Hình 2.2 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM 2.1 Các bộ tách tín... giác trên có dạng: Q Є C MxN là một ma trận đơn nhất có tính chất QH.Q= Q-1.Q =1 Nhân cả 2 vế của phương trình hệ thống y= H.s + z với QH ta có: QH.y = QH.H.s + QH.z Thay H= Q.R và phương trình trên   QH.y = QH.Q.R.s + QH.z y.QH = R.s + QH.z Đặt y’ = y.QH và z’ = QH.z , ta được phương trình hệ thống mới là: y’ = R.s + z’ 19  y’1 = R1,1 S1 + R1,2 S2 + + R1,N SN + z’1 y’2 = R2,2 S2 + R2,3 S3 + + R2,N... được là: ^ Các giá trị ước lượng được s này sau đó được đưa qua bộ quyết định để lựa chọn đầu ra bộ tách tín hiệu Hình 2.3 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM 12 2.1.1 Bộ tách tín hiệu ZF(zero forcing) Như ta đã biết, trong hệ thống MIMO, kênh truyền được biểu diễn là một ma trận mà các phần tử của nó là các kênh fading đa đường Giá trị kênh này không được biết trước tại bộ thu tín hiệu... qua các anten riêng rẽ đến các anten thu 26 Hình 3.3 Hệ thống MIMO NxM có N kênh phát và M kênh thu Các tín hiệu từ mỗi kênh phát có thể đến kênh thu thông qua một đường duy nhất, cho phép ghép kênh không gian-kỹ thuật gửi nhiều luồng dữ liệu trong cùng một kênh, nhờ vậy tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng theo cấp số nhân 3.2 Ứng dụng trong mạng thế hệ 3G, LTE MIMO là một phương thức truyền dẫn dữ liệu... kênh 40MHz không có nhiều không gian cho các thiết bị khác tham gia vào mạng hay truyền dữ liệu trên cùng khu vực với chúng Do đó việc chọn kênh 40MHz sẽ cải thiện hiệu năng cho toàn mạng WLAN Hình 3.2 Hệ thống cơ bản với hai ăng-ten MIMO có hai luồng SDM - MIMO tận dụng hiện tượng tự nhiên của sóng trung tần được gọi là đa đường: thông tin được phát xuyên qua tường, cửa sổ và các vật chắn khác, anten...Nguyên lý: Ở máy phát, dòng dữ liệu phát được bộ DEMUX chia nhỏ thành N luồng sn(t) song song và truyền đồng thời qua N anten phát Vì vậy, tốc độ truyền dẫn tăng N lần so với hệ thống sử dụng một anten phát, một anten thu (SISO) thông thường Tại máy thu các luồng tín hiệu sẽ được tách riêng ra rồi ghép lại bằng bộ ghép kênh MUX Hình 1.1 Phương pháp phân kênh theo không gian... + z’i j =i +1 Trong đó phần tử Ri,i si là tín hiệu mong muốn thu được, phần tử thứ 2 là tổng hợp nhiễu từ các anten khác ( tức là tín hiệu của các anten lân cận), còn phần tử z’i biểu diễn tạp âm của hệ thống Từ các phương trình trên ta dễ dàng tách được tín hiệu mong muốn từ thành phần y’N , do thành phần y’ của lớp cuối cùng N không chịu ảnh hưởng nhiễu từ các anten trước nên nó được tách dầu tiên... tốt hơn ( do sau mỗi vòng tách thì các nhiễu từ nhánh đó sẽ bị triệt tiêu nên không gây ảnh hưởng đến các nhánh còn lại, nhánh cuối cùng sẽ là độc lập và không bị ảnh hưởng của nhiễu) III Ứng dụng của hệ thống MIMO 3.1 Wi-Fi Một trong những điều mong đợi nhất của người dùng thiết bị đầu cuối Wi-Fi không gì khác ngoài tốc độ và tầm phủ sóng Tổ chức chuẩn hóa IEEE 802 đã chính thức thông qua chuẩn 802.11n . ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG o0o CHỦ ĐỀ THẢO LUẬN HỆ THỐNG MIMO-SDM Giảng viên: Ths. Hoàng Quang Trung Thái. nhất. Trong chủ đề thảo luận Hệ thống MIMO/SDM” nhóm chúng em tìm hiểu gồm những nội dung: I. Tổng quan về hệ thống MIMO II. Phân kênh theo không gian SDM III. Ứng dụng của hệ thống MIMO SDM là giải. gian. Một hệ thống gồm N anten phát và M anten thường được gọi là hệ thống MIMO MxN. Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ngõ vào - ngõ ra như sau: y = Hs + z trong đó: z là thành