hệ thống mimo - sdm

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG o0o CHỦ ĐỀ HỆ THỐNG MIMO-SDM Giảng viên: TS. Nguyễn Anh Tuấn Thái nguyên, tháng 11 năm 2012 1 DANH SÁCH NHÓM THẢO LUẬN 1. Lê Đức Minh 2. Vũ Viết Dũng 3. Nguyễn Văn Thông 2 MỤC LỤC Contents Contents 3 LỜI MỞ ĐẦU 4 III.Ý tưởng và câu hỏi môn học 20 3.1.Ý tưởng 20 3.2.Câu hỏi 21 KẾT LUẬN 21 ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT CỦA THẦY GIÁO 23 3 LỜI MỞ ĐẦU Như ta đã biết MIMO (Multiple Input Multiple Output ) là hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và thu với N anten phát và M anten thu. 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. Ý tưởng và câu hỏi về môn học Phần 1: Tổng quan về hệ thống MIMO đưa ra cái nhìn tổng quan về mô hình kênh MIMO, dung năng kênh MIMO cũng như lịch sử phát triển của nó. Phần 2: Phân kênh theo không gian SDM giới thiệu về các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM tập trung vào việc thiết kế bộ tách tín hiệu tại máy thu. 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. 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. 5 Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO 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: 6 Hình 1.2: Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống MIMO Ma trận H có dạng: 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 7 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: 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 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). 8 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. Nguyên lý: Ở máy phát, dòng dữ liệu phát được bộ DEMUX chia nhỏ thành N luồng s n (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. 9 Hình 1.1. Phương pháp phân kênh theo không gian. Tuy nhiên, do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nên tăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh giữa các luồng tín hiệu, vì vậy làm 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. Hình 2.2. Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM 2.1. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính Một bộ tách tín hiệu tuyến tính là bộ kết hợp tuyến tính biểu diễn bởi ma trận trọng số W. Dựa trên ma trận trọng số W, vector ước lượng được là: 10 [...]... anten phát , 1 anten thu ) - Để tách tín hiệu trong các hệ thống MIMO- SDM ta nên dùng bộ tách tín hiệu V-BlAST vì bộ tách cho phẩm chất BER tốt hơn các bộ tách khác và độ tính toán thấp 20 - Trong thực tế ta nên ứng dụng hệ thống MIMO- SDM vào trong Wifi Sự ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatail Division Multiplexing) ghép nhiều luồng dữ liệu độc lập trong một kênh MIMO/ SDM có thể làm tăng đáng... người sử dụng MIMO (MU -MIMO) 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 tín hiệu nhiều hơn nhiều dây AC (giai đoạn, trung tính và mặt đất) MIMO vẫn đang còn phát triển kết hợp với những công nghệ khác để tạo... 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’ 16  y’1 = R1,1 S1 + R1,2 S2 + + R1,N SN + z’1 y’2 = R2,2 S2 + R2,3 S3 + + R2,N SN + z’2 y’N-1 = RN-1,N-1 SN-1 + RN-1,N SN + z’N-1 y’N... cả hai đầu cuối, chuẩn 802.11n có thể cho tốc độ lên tới 600Mbps - Có thể sử dụng MIMO- SDM vào trong hệ thống 3G, LTE vì ưu điểm của MIMO cho dung năng kênh lớn, tốc độ có thể lên tới gigabit 3.2.Câu hỏi - Tại sao trong thực tế điện thoại di động chỉ dùng 1 anten, trong khi dùng 2 anten là tốt hơn và kinh tế thì cũng không ảnh hưởng ? - Trong bộ tách MMSE tại sao lại cộng thêm tạp âm vào các nhánh... cáo chúng ta cũng đã nắm bắt được hệ thống MIMO (NxM) khác với SISO (1x1), cũng như để sử dụng bộ tách ZF thì số anten thu M phải lớn hơn số anten phát N… Như vậy với nội dung trên đã nêu ra một cái nhìn tổng quan cho MIMO cùng với ứng dụng của nó vào Wifi, 3G, LTE đã nói tới trong phần ý tưởng MIMO/ SDM đã tạo ra những ưu thế mới cho wifi, tạo thế mạnh cho công nghệ này phát triển mạnh mẽ phục vụ ngày... của MMSE Ưu điểm: - Khắc phục được nhược điểm của phương pháp ZF vì nó có tính đến thành phần tạp âm z ở phía phát nên không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm 15 - Đơn giản hơn và trong thực tế dễ triển khai nhờ các thuật toán thích nghi như LMS, RLS… - Độ tính toán phức tạp thấp - Có phẩm chất BER hay SNR tốt hơn so với bộ tách ZF Nhược điểm: - Số lượng anten sử dụng lớn - Đạt được tỉ số... tải đa phương tiện… MIMO cũng được lên kế hoạch sẽ được sử dụng trong điện thoại di động đài phát thanh tiêu chuẩn như gần đây 3GPP và 3GPP2 Tiêu chuẩn 3GPP, High-Speed Packet Access cộng (HSPA +) và Long Term Evolution (LTE) MIMO vào tài khoản Hơn nữa, để hỗ trợ đầy đủ các môi trường di động, MIMO nghiên cứu bao gồm các tập đoàn Mascot-IST đề 21 nghị để phát triển các kỹ thuật MIMO tiên tiến, ví dụ...^ 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 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 vô tuyến... kênh truyền có tỉ số SNR cao - Bộ tách tín hiệu MMSE có xét đến cả các thành phần tạp âm nên khắc phục được nhược điểm của phương pháp ZF - Bộ tách tín hiệu QR có phẩm chất kém hơn nhưng có ưu điểm đơn giản và không yêu cầu độ tính toán cao - Bộ tách tín hiệu V-Blast yêu cầu mức độ tính toán lớn hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được Với yêu cầu tính toán cao như vậy thì bộ tách V-Blast kết hợp MMSE hay VBlast... tách sau Đặc điểm V-Blast V-Blast được nói đến với kênh truyền MIMO đạt được tốc độ dữ liệu cao Luồng data được chia thành các luồng data nhỏ hơn độc lập nhau và gửi đi trên các anten khác nhau Khi nghiên cứu V-Blast ta thấy chưa đạt được sự trao đổi phân tập hợp kênh tối đa tại tốc độ thấp: khả năng phân tập lớn nhất của các luồng dữ liệu bị giới hạn bởi số anten thu Tuy nhiên, V-blast cũng không phải . ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG o0o CHỦ ĐỀ HỆ THỐNG MIMO-SDM Giảng viên: TS. Nguyễn Anh Tuấn Thái nguyên,. 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. hiểu gồm những nội dung: I. Tổng quan về hệ thống MIMO II. Phân kênh theo không gian SDM III. Ý tưởng và câu hỏi về môn học Phần 1: Tổng quan về hệ thống MIMO đưa ra cái nhìn tổng quan về mô