Báo cáo hệ thống mimo

Mục lục Chương 1: Tổng quan hệ thống MIMO MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều ăng ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau. 1.1. Mô hình kênh Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và thu với N antenna phát và M antenna thu như hình vẽ 2.1: 1 Hình 2.1: Mô hình kênh MIMO Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) và anten máy thu (Rx) như mô tả trong hình vẽ trên được gọi là một kênh Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO). Một hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi là hệ thống truyền dẫn MIMO. 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 phát MISO. Mô hình tương đương của kênh truyền SISO: Hình 2.2: Mô hình kênh truyền SISO Mô hình tương đương của kênh truyền MISO: 2 Hình 2.3: Mô hình kênh truyền MISO Mô hình tương đương của kênh truyền SIMO: Hình 2.4: Mô hình kênh truyền SIMO 1.2. Mô hình toán học Kênh truyền đơn giữa anten máy thu thứ m và anten phát thứ n được kí hiệu là h mn . Tương tự như các hệ thống phân tập phát hoặc thu. Để tránh ảnh hưởng giữa các anten phát hoặc thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử anten ở các mảng anten phát hoặc thu là λ/2. Kênh MIMO trong trường hợp này là kênh MIMO không tương quan. Trong trường hợp pha-dinh Releigh bằng phẳng không có tương quan, h mn được mô hình hóa bằng một biến số Gauss phức có giá trị trung bình 0 và phương sai 1. Một kênh MIMO gồm N anten phát và M aten thu thường biểu diễn bởi một ma trận số phức gồm M hàng và N cột như sau: 3 Định nghĩa các vetor phát, thu và tạp âm tương ứng là: S=[s 1 , s 2 , ,s N ] T Y=[y 1 , y 2 , , y M ] T Z=[z 1 , z 2 , , z M ] T Chúng ta có mối quan hệ giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát biểu diễn qua phương trình hệ thống sau: Trong đó P T =trace{R ss } là tổng công suất phát từ N anten phát và R ss =E{ss H } ma trận liên hợp phương sai của tín hiệu s; z là vector tạp âm với các phần tử z m được mô phỏng bởi các biến cố Gaus phức độc lập có phân bố như nhau và có cũng công suất trung bình ϭ 2 , tức là E{zz H } = ϭ 2 I M , trong đó I M biểu diễn một ma trận đơn vị với M hàng và M cột. Chương 2: Kỹ thuật ghép kênh không gian (SDM) 2.1. Sơ đồ hệ thống Nguyên lý chung của phương pháp phân kênh theo không gian rất đơn giản: ở máy phát (T x ) luồng tín hiệu phát được chia thành N luồng nhỏ s n (t) và truyền đồng thời qua N anten phát. Tại máy thu, các luồng tín hiệu sẽ được tách riêng ra rồi ghép lại (MUX) với nhau. Phương pháp phân kênh theo không gian này được mô tả như hình dưới đây: 4 Hình 2.5: Mô hình hệ thống MIMO-SDM Do tín hiệu phát tại các anten khác nhau nên việc tách tín hiệu của mỗi luồng phát ở máy thu sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh từ các luồng còn lại. Vì vậy, máy thu cần sử dụng một bộ tách tín hiệu tốt có khả năng cung cấp tỷ số lỗi bit (BER) thấp, đồng thời lại không yêu cầu quá cao về độ phức tạp tính toán. Do máy phát sử dụng ở phương pháp phân kênh theo không gian này chỉ đơn thuần là một bộ phân kênh, các kênh nghiên cứu về MIMO-SDM đều tập trung vào việc thiết kế bộ tách tín hiệu ở máy thu. 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 đó là các bộ tách tín hiệu tuyến tính và các bộ tách tín hiệu phi tuyến. Hình 2.6: Phân loại các bộ tách tín hiệu Các bộ tách tuyến tính bao gồm: bộ tách tín hiệu ZF (Zero-Forcing) và bộ tách tín hiệu MMSE (Minium Mean-Square Eror). Ưu điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính là 5 có độ phức tạp tính toán thấp và dễ thực hiện nhờ các thuật toán thích nghi phổ biến như LMS (Least Mean Square: bình phương trung bình nhỏ nhất), Nhược điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính là phẩm chất tách tín hiệu (tỷ số lỗi bit) đạt được tương đối thấp, đặc biệt là khi sử dụng số lượng anten lớn. Gần đây, nhờ việc áp dụng kết hợp với thuật toán lattice-reduction các bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE có thể đạt được tỷ số lỗi bit (BER) gần tối ưu, trong khi độ phức tạp tính toán hầu như không thay đổi. Xét một cách tổng quát thì vào thời điểm mà yêu cầu về độ tính toán phức tạp thấp vẫn là quan trọng nhưu hiện nay thì các bộ tách tín hiệu tuyến tính có ưu điểm hơn và vì vậy thường được áp dụng trong thực tế nhiều hơn. Ngược lại, so với các bộ tách tín hiệu tuyến tính, các bộ tách tín hiệu phi tuyến có ưu điểm là có phẩm chất BER tốt hơn, nhưng lại chịu phải nhược điểm về độ phức tạp tính toán lớn. Trong các bộ tách tín hiệu phi tuyến, bộ tách tín hiệu ML (Maximum Likelihood) là bộ tách tín hiệu tối ưu, tức là có phẩm chất BER tốt nhất. Tuy nhiên, yêu cầu về độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu lại lớn nhất, vì vậy bộ tách tín hiệu này ít dược sử dụng trong thực tế. Ngoài bộ tách tín hiệu ML, các bộ tách tín hiệu phi tuyến khác nhưu SIC (Successive Interference Cancellation: triệt nhiễu nối tiếp) hay PIC (Parallel Interference Cancellation: triệt nhiễu song song) đều sử dụng phương pháp kết hợp một bộ tách tuyến tính với các phương pháp triệt nhiễu song song hoặc nối tiếp nhằm cải thiện phẩm chất BER trong khi vẫn tận dụng được bộ tính toán thấp của các bộ tách tín hiệu tuyến tính. 2.2. Các bộ tách tuyến tính Sơ đồ cấu hình một bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM được mô tả như hình dưới đây: Hình 2.7: Cấu hình bộ tách tín hiệu tuyến tính 6 Phần cốt lõi của bộ tách tín hiệu là một bộ kết hợp tuyến tính biểu diễn bởi ma trận trọng số W. Dựa trên ma trận trọng số này, vetor tín hiệu ước lượng được ŝ là kết quả của phép kết hợp (nhân) tuyến tính giữa vector tín hiệu thu y và ma trận trọng số W: Ŝ=W H y Các giá trị ước lượng được ŝ này sau đó được đưa qua bộ quyết định để lựa chọn đầu ra của bộ tách tín hiệu. Trong đó Q{•} biểu diễn toán tử quyết định. Trong trường hợp tín hiệu phát đều được điều chế bằng phương pháp BPSK thì toán tử quyết định tương đương với phép lấy dấu phần thực của ŝ, tức là: Trong đó sign{•} và R{•} biểu diễn tương ứng các toán tử lấy dấu và lấy phần thực của số phức. Tùy thuộc vào phương pháp tìm ma trận trọng số W chúng ta có các bộ tách tín hiệu tương ứng là ZF hay MMSE. 2.2.1. Bộ tách tín hiệu ZF Bộ tách tín hiệu ZF còn có tên gọi là bộ tách tín hiệu LS (Least Square: bình phương nhỏ nhất). Bản chất của bộ tách tín hiệu LS là giả sử tạp âm bằng không rồi sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tìm các tín hiệu phát s n . Việc này tương đương với giải một hệ M phương trình với N ẩn số. Ma trận trọng số: Hàm chi phí để tìm s được định nghĩa như sau: ŝ = arg s ˆ min {||y – Hŝ| 2 2 | } Trong đó ||.| 2 2 | biểu diễn phép lấy chuẩn (norm) của vector ma trận. Tức là chúng ta cần tìm ŝ sao cho tối giản hóa giá trị bình phương sai số sau: 2 2 |||| y ∆ = ||y – Hŝ| 2 2 | Khai triển || y ∆ | 2 2 | chúng ta có: 7 2 2 |||| y ∆ = [y-Hŝ] H [y-Hŝ] = y H y – ŝ H H H y – y H Hŝ + ŝ H H H Hŝ Lấy đạo hàm theo ŝ ta có: = ∂ ∆∂ s y ˆ |||| 2 2 – y H H + ŝ H H H H Đặt giá trị đạo hàm này bằng không, tức là = ∂ ∆∂ s y ˆ |||| 2 2 0, chúng ta được ŝ = (H H H) -1 H H y Trong đó: H † = (H H H) -1 H H được gọi là phép đảo ma trận giả bên trái (left pseudo- inverse) của H. Để ý rằng điều kiện để chúng ta có thể thực hiện phép đảo ma trận giả bên trái là rank (H) = N. Hay nói cách khác N cột của ma trận H cần phải độc lập tuyến tính với nhau. Điều kiện đủ là số hang M của ma trận H phải lớn hơn số cột N, tức là M ≥ N. Trong trường hợp đặc biệt khi M=N, phép đảo ma trận giả bên trái trùng với phép đảo ma trận thông thường. Điều này có nghĩa bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF chỉ có thể áp dụng được cho các hệ thống MIMO-SDM, trong đó số anten thu nhiều hơn số anten phát. Bỏ qua thành phần tạp âm z chúng ta có thể biểu diễn lại ŝ như sau: ŝ = (H H H) -1 H H s Do (H H H) -1 H H H = I N là một ma trận đơn vị N hàng và N cột nên chúng ta thấy rằng bộ tách tín hiệu ZF đã tách riêng ra từng tín hiệu phát s n và loại bỏ hoàn toàn can nhiễu của tín hiệu từ các anten khác. Hay nói cách khác, can nhiễu từ các anten bên cạnh đã bị cưỡng bức bằng không (triệt tiêu). Vì vậy, ngoài LS bộ tách song này còn có tên gọi là ZF, hay cưỡng bức bằng không. Ta có thể suy ra tín được ma trận trọng số cho bộ tách tín hiệu ZF như sau: ( ) 1 † 1 H )( ˆ ˆ − − ==⇒ = = HHHW yHHHs yWs HHH HH H , M ≥ N 8 Do giá trị W chỉ phụ thuộc vào ma trận kênh truyền H nên máy thu chỉ cần ước lượng ma trận H và sử dụng nó để tách các tín hiệu phát s n ở phía thu. Mặc dù bộ tách tín hiệu ZF chỉ áp dụng được cho các kênh truyền có số hang M lớn hơn số cột N, trong một số trường hợp chúng ta vẫn mong muốn sử dụng một bộ tách tín hiệu tương tự cho kênh truyền có N>M. Trong trường hợp đó chúng ta gặp phải bài toán giải một hệ phương trình có số phương trình ít hơn số ẩn số. Khi đó sẽ không áp dụng được kết quả ŝ = (H H H) -1 H H y do ma trận H H H trở nên gần đơn điệu (singular) và vì vậy không lấy nghịch đảo được. Tuy nhiên, sử dụng phương pháp SVD kết hợp với số nhân Lagrange chúng ta có thể tìm được ŝ dạng tương tự. ŝ =H H (H H H) -1 y Trong đó H †† = H H (H H H) -1 được gọi là phép đảo ma trận bên phải (right pseudo- inverse) của H. Và có kết quả tương đương như sau: ( ) HHH HH H HHHW yHHHs yWs 1 †† 1 H )( ˆ ˆ − − ==⇒ = = , M < N Trong Matlab, hàm pinv có thể áp dụng cho cả hai phép đảo ma trận giả bên phải và bên trái. Sai số bình phương trung bình (MSE): Phương pháp thông thường để tính MSE là tính ma trận tương quan (covariance matrix) lỗi để tìm ra các giá trị MSE n gắn với tách các dấu phát s n trên đường chéo. Ma trận tương quan lỗi của bộ tách tín hiệu ZF được cho bởi: [ ][ ] { } H ssssEssER s ˆˆˆ 2 ˆ −−=       −= ∆ ( ) 1 2 − = HH H z σ Giá trị MSE n gắn với tách dấu s n là phần tử thứ n trên đường chéo của s R ˆ ∆ và bằng: n H nz WW 2 n MSE σ = ( ) 1 2 − = n H nz hh σ 9 Trong đó W n và h n biểu thị các vector cột thứ n của mà trận tương ứng W và H. Như vậy, giá trị MSE trung bình của phương pháp ZF là: { } s Rtrace N MSE ˆ 1 ∆ = ( ) { } 1 2 1 − = HHtrace N H z σ Để ý rằng phần lớn độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu tập trung vào phép lấy nghịch đảo ma trận (H H H) -1 hoặc (HH H ) -1 . Vì vậy, độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu ZF tỷ lệ với hàm bậc ba của min (M,N), tức là C ZF ~ 0(min[M 3 ,N 3 ]). Ưu điểm nổi bật của bộ tách tín hiệu ZF hay LS là đơn giản và có yêu cầu độ phức tạp tính toàn thấp. Tuy nhiên, do tạp âm bị bỏ qua khi thiết kế ma trận trọng số W nên bộ tách tín hiệu này chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm (noise amplification). Vì vậy, bộ tách tín hiệu ZF thường thích hợp với các kênh truyền có tỷ số SNR cao. 2.2.2. Bộ tách tín hiệu MMSE Khác với bộ tách tín hiệu ZF, ngoài đặc tính thống kê của tín hiệu từ các anten phát, bộ tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean Square Error: sai số trung bình bình phương tối thiểu) còn xem xét đến cả đặc tính tạp âm tại các nhánh anten thu. Ma trận trọng số: Hàm chi phi để tìm ma trận trọng số của bộ tách tín hiệu MMSE được định nghĩa như sau:       −= 2 minarg yWsEW H w Tức là chúng ta cần tìm ma trận trọng số W để tối giản hóa giá trị trung bình sai số bình phương giữa vector phát và vector ước lượng được: { } { } 2 2 yWsEE H s −=∆ Để tìm W một cách dễ dàng, để ý rằng: { } { ( )} s RtraceEE s ∆ =∆ 2 10 [...]... thành hạ Chẳng hạn khi xét hệ thống trong miền không gian như hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênh truyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh không gian, hay nói cách khác khi kịch bản kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng về việc chọn phân tập (nhận được ưu điểm của phân tập là cải thiện hiệu năng BER) ngược lại khi kịch bản kênh tốt hệ thống hướng về lựa chọn... phức tạp tính toán thấp hơn bộ tách tín hiêu ZF tách tín hiệu có khả năng được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống MIMISDM Chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm Chất lượng không cao lắm Có phẩm chất tương đối kém Yêu cầu độ phức tạp trong tính toán Chương 3: Ứng dụng của hệ thống MIMO- SDM MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử (Institute of Electrical... chất BER của bộ tách tín hiệu QR cho hệ thống 4x4 MIMO_ SDM được so sánh với các bộ tách tín hiệu khác như hình dưới So với các bộ tách tín hiệu khác, bộ tách tín hiệu QR có chất lượng tương đối kém, chỉ hơn được bộ tách tín hiệu ZF Tuy nhiên, bộ tách tín hiệu QR có ưu điểm đơn giản và không yêu cầu độ tính toán cao Hình 2.8 BER của các bộ tách tín hiệu cho hệ thống 4x4 MIMO- SDM 15 2.3.2 Bộ tách tín hiệu... tín hiệu V-BLAST (Vertical Bell-Labs Layered Space-Time) được phòng thí nghiệm Bell-Labs đề xuất cho các hệ thống MIMO- SDM năm 1998 Về bản chất bộ tách tín hiệu V-BLAST tương tự như các bộ tách tín hiệu sử dụng phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC:Successive Interference Cancellation) ở các hệ thống CDMA (Code Division Multiple Access) Nguyên lý của bộ tách tín hiệu V-BLAST cũng tương tự như bộ tách... Multiplexing – OFDM) Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông hiện đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng 3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Ưu điểm của MIMO là gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu mạnh nhất từ một... ten có khả năng phối hợp với nhau để cho ra 127 kiểu ăng ten phát và thu tín hiệu kỹ thuật số Các sản phẩm Wi-Fi sử dụng công nghệ MIMO cũng được nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy So với mạng LAN có hệ thống cáp hiện đại cho tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến hàng gigabit trong một giây thì Wi-Fi vẫn còn thua kém xa Tuy vậy, các... như sau: Còn Q E C MxN là một ma trận đơn nhất (unitary matrix) có tính chất Q H Q = Q- 1 Q = 1 Từ phương trình hệ thống y = Hs + z, sử dụng phương pháp QR và tính chất ma trận đơn nhất, nhân 2 vế của phương trình với Q H chúng ta có: QHy=Rs+QHz Đặt QHy và z’QHz chúng ta có phương trình hệ thống mới y' = Rs + z' Trong đó z' là vector chứa các thành phần tạp âm Gauss độc lập Để ý rằng do R là một ma... so với các bộ tách tín hiệu khác Ưu điểm về phẩm chất BER tốt kết hợp với độ phức tạp tính toán thấp làm cho bộ tách tín hiệu V-BLAST trở thành một ứng cử viên sáng giá để tách tín hiệu trong các hệ thống MIMO- SDM 2.4 Tổng kết Sau khi nghiên cứu 4 bộ tách tín hiệu trên, ta có thể rút ra bảng so sánh tóm tắt như sau: Đặc điểm Bản chất Bộ tách tín hiệu ZF Bộ tách tín hiệu MMSE Là bộ tách tuyến tính Giả... liệu Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng ten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập 20 hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định Điều này cũng tương tự như đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ thế giới bên ngoài, nhưng sau đó não bộ sẽ lọc lựa và phân loại những âm thanh đó MIMO- SDM để phân... phương Sử dụng pháp phân tích phương pháp thừa số QR của triệt nhiễu nối ma trận kênh H tiếp, tức là tách tín hiệu vòng lặp, tại mỗi vòng chỉ có tín hiệu của 1 lớp được tách Tính toán sai Phương trình hệ số MSE thống: tương ứng y' = Rs + z' với tín hiệu phát: Hŝ| } Ưu điểm Đơn giản, yêu cầu độ phức tạp tính toán thấp Thích hợp với {MSEj} = diag {H + (H+)H } , j = 1,2, , N -1+i Đơn giản, dễ triển Đơn giản, . vào-nhiều đầu ra (MIMO) . Một hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi là hệ thống truyền dẫn MIMO. Trong các trường hợp đặc biệt khi N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thống phân tập. hiệu cho hệ thống 4x4 MIMO- SDM 15 2.3.2. Bộ tách tín hiệu V-BLAST Bộ tách tín hiệu V-BLAST (Vertical Bell-Labs Layered Space-Time) được phòng thí nghiệm Bell-Labs đề xuất cho các hệ thống MIMO- SDM. Mục lục Chương 1: Tổng quan hệ thống MIMO MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín