Nghiên cứu Công nghệ MIMO

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MIMO 1.1 MỞ ĐẦU Đa anten tên chung cho cho tập hợp kỹ thuật dựa việc sử dụng nhiều anten phía thu/phía phát, nhiều kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu, thường gọi MIMO Kỹ thuật đa anten sử dụng để nâng cao hiệu hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng ô tăng) tăng vùng phủ (mở rộng ô) làm tăng khả cung cấp dịch vụ, ví dụ, tốc độ liệu người dùng cao 1.1.1 Cấu hình đa anten Một đặc tính quan trọng cấu hình đa anten khoảng cách hai phần tử anten khoảng cách anten có mối quan hệ với độ tương quan fading kênh vô tuyến (được xác định tín hiệu anten khác nhau) Các anten đặt xa để độ tương quan fading thấp Ngược lại, anten đặt gần để độ tương quan fading cao, chất anten khác có fading tức thời tương tự Khoảng cách thực tế cần thiết anten để độ tương quan cao/ thấp phụ thuộc vào bước sóng, tương ứng tần số sóng mang sử dụng Tuy nhiên, phụ thuộc vào kịch triển khai Trường hợp anten trạm gốc, môi trường macro-cell (tức ô lớn vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng cách anten vào khoảng 10 bước sóng đảm bảo độ tương quan thấp, khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng Lý khác trạm gốc với máy đầu cuối di động kịch macro, phản xạ đa đường gây fading chủ yếu xuất vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động Do đó, nhìn từ vị trí máy đầu cuối ta thấy đường khác đến góc lớn, độ tương quan thấp với khoảng cách anten tương ứng nhỏ Còn nhìn vị trí trạm gốc, đường khác đến góc nhỏ nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp Trong kịch triển khai khác, ví dụ triển khai kịch micro-cell với anten trạm gốc thấp nhà triển khai nhà Môi trường trạm gốc lúc giống với môi trường máy đầu cuối hơn, khoảng cách anten trạm gốc nhỏ đảm bảo độ tương quan thấp Các anten giả thiết có phân cực Một cách khác để đạt độ tương quan fading thấp áp dụng phân cực khác anten khác Khi anten đặt gần 1.1.2 Lợi ích kỹ thuật đa anten Kỹ thuật đa anten mang lại lợi ích khác phụ thuộc vào mục đích khác nhau: Nhiều anten phát/ thu sử dụng để phân tập, chống lại fading kênh vô tuyến Trong trường hợp này, kênh khác anten khác có độ tương quan thấp Để đạt điều khoảng cách anten phải đủ lớn (phân tập không gian) sử dụng anten có phân cực khác (phân tập phân cực) 1 Nhiều anten phát/thu sử dụng để “định hình” cho búp sóng anten tổng (búp sóng phía phát búp sóng phía thu) theo cách Ví dụ, tối đa hóa độ lợi anten theo hướng thu/phát định để triệt nhiễu lấn át tín hiệu Kỹ thuật tạo búp sóng dựa độ tương quan cao thấp anten Độ khả dụng đa anten phát thu sử dụng để tạo nhiều kênh truyền song song thông qua giao diên vô tuyến Điều mang lại khả tận dụng băng thông mà không cần giảm thông tin với công suất Nói cách khác khả cho tốc độ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ Ta gọi kỹ thuật ghép kênh không gian 1.1.2 Giới thiệu MIMO Hệ thống thông tin MIMO viết tắt cụm từ Multiple Input – Multiple Output: hệ thống thông tin đa đầu vào – đa đầu Trong lĩnh vực vô tuyến, MIMO hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten máy phát máy thu nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện chất lượng truyền thông tin.Ý tưởng MIMO sử dụng nhiều ăngten phát máy thu, hai nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện chất lượng truyền tin 1.2 ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG MIMO 1.2.1 Ưu điểm Dung lượng: 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 không 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 công suất phát tập trung vào hướng mong muốn, giảm công suất phát thiết bị 1.2.2 Nhược điểm 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 1.3 MÔ HÌNH KÊNH KÊNH TRUYỀN SÓNG MIMO 1.3.1 Mô hình kênh MIMO 2.3.3.1 Mô hình kênh AWGN song song Giả sử ta có N kênh song song chiều bị tác động tạp âm Gauss phức có trung bình không, phương sai (i=1,2,…,N): N0/2 Ta có mô hình kênh cho hình 1.1 ; (đối với AWGN ta có = Hình 1.1 Mô hình kênh AWGN song song Tổng lượng kênh đầu vào xác định tổng lượng kênh đầu vào sau: (1.1) Dung lượng tập kênh song song xác định sau: • • • • 2.3.3.2 Mô hình kênh SVD MIMO MIMO hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten máy phát máy thu.Để hệ thống MIMO đạt hiệu quả, yêu cầu tương quan tín hiệu qua ăngten phải thấp, dẫn đến môi trường truyền sóng phải đủ ngẫu nhiên khoảng cách ăngten thiết bị phải đủ lớn (khoảng cách tối thiểu anten lamda/2) Các sơ đồ MIMO xây dựng dựa hai kỹ thuật Phân tập thời gian, không gian Ghép kênh không gian Phân tập kỹ thuật truyền dẫn thông tin truyền đồng thời nhiều đường độc lập để đạt độ tin cậy truyền dẫn cao Các kỹ thuật phân tập: Phân tập thời gian: Bằng cách mã hóa đan xen, thông tin mã hóa truyền phân tán khoảng thời gian quán khác cho phần từ mã bị ảnh hưởng phađinh độc lập Phân tập không gian: Dùng nhiều anten phát và/hoặc anten thu đặt đủ cách xa cho đảm bảo tính độc lập đường truyền dẫn Ghép kênh không gian: Dùng nhiều anten phát/thu cho phép tăng dung lượng nhờ truyền đồng thời nhiều luồng song song anten khác Ta xét hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm nt anten phát nr anten thu hình 1.2 3 Hình 1.2 Sơ đồ kênh MIMO Ta ký hiệu hn,m độ lợi kênh anten phát thứ n anten thu thứ m Giả sử x=[x1, x2,… , xnt]T số liệu phát y=[y 1, y2,… , ynr]T số liệu thu, T ký hiệu phép toán chuyển vị Quan hệ x y xác định sau: (1.2) hay y=Hx+η Trong η (1.3) vectơ AWGN phức với H ma trận kênh nr×nt; khoảng cách anten >λ/2 môi trường nhiều tan xạ ta coi H có hàng cột độc lập với Khi phân chia giá trị đơn (SVD) cho ta: H=UDVh (1.4) h U V ma trận phân (unitary) có kích thứơc n r×nr nt×nt, Vh chuyển vị Hermitian; ma trận phân ta có: UUh=Inr VVh=Int D ma trận nr×nt gồm (1.5) giá trị đơn không âm ký hiệu đường chéo nó, λI với i=1,2,…, N giá trị riêng ma trận HHh Các giá trị eigen HHh xác định sau: hay Q ma trận Wirshart xác định sau: 4 Các cột ma trận U vectơ riêng HHh cột ma trận V vectơ riêng ma trận HhH Số giá trị riêng λi khác không ma trận HHh hạng ma trận Nếu nt=nr D ma trận đường chéo Nếu nt>nr gồm ma trận đường chéo nr×nr sau nt-nr cột không Nếu n tnr): U ma trận nr× nr V ma trận nt× nt D tạo từ ma trận vuông bậc n r tiếp sau nt-nr cột không sau: (1.6) trường hợp ma trận V có nr hàng sử dụng được, n t-nr hàng lại không sử dụng dược Khi nr phần tử đầu ma trận x sử dụng nt-nr phần tử lại đặt vào không Trường hợp số anten thu nhiều số anten phát (n t[...]... thu 1.6.2 Hệ thống MIMO đa người dùng (MU -MIMO) Công nghệ MIMO đa người dùng (MU -MIMO) , về cơ bản khác với SU -MIMO bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau cùng lúc, bằng cách tác động sâu hơn vào giao thức đa truy nhập MU -MIMO có thể được chia thành hai loại: kênh MIMO quảng bá (MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC) cho đường xuống; và kênh MIMO đa truy nhập (MIMO Multiple Access... lượng MIMO so với dung lượng SIMO Độ lợi dung lượng 11 11 12 Sơ đồ phân tập Sơ đồ SM nt: số anten phát; nr: số anten thu; MIMO; : dung lượng trung bình của hệ thống n t×nr : dung lượng trung bình của hệ thống 1×nr SIMO; SNRi: SISO SNR đầu vào 1.6 MIMO ĐƠN NGƯỜI DÙNG (SU -MIMO) VÀ MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG (MU -MIMO) 1.6.1 Hệ thống MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm - điểm hay MIMO. .. lượng của MIMO Độ lợi SNR và dung lượng của MIMO đã được nghiên cứu trong nhiều công trình Các bảng 1.1 và 1.2 dưới đây sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu này Bảng 1.1 Ảnh hưởng của số anten phát và anten thu lên độ lợi MIMO SNR so với SIMO SNR Độ lợi SNR Sơ đồ phân tập Sơ đồ SM : SNR đầu ra của hệ thống nt×nr nt: số anten phát; nr: số anten thu; MIMO; : SNR đầu ra của hệ thống 1×nr SIMO; SNRi: SISO SNR... xuống; và kênh MIMO đa truy nhập (MIMO Multiple Access Channel hay MIMO MAC) cho đường lên CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MASSIVE MIMO 2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG MASSIVE MIMO Massive MIMO là những hệ thống mà dùng các mảng với số ăngten lên tới hàng trăm awngten MIMO cỡ rất lớn là những hệ thống mà dùng các mảng với số ăngtenlên tới hàng trăm MIMO cỡ rất lớn sẽ dùng các ăngten để phục vụ cho một số nhỏ hơn nhiều... TIỀM NĂNG MASSIVE MIMO 2.4.1 Thách thức Propagation Models TDD và FDD Modes Modulation – Điều chế Pilot Contamination Hardware Impairments Antenna Arrays 2.4.2 Tiềm năng Heterogeneous Networks: Việc sử dụng Massive MIMO phối hợp với HetNets để cải thiện cho việc quản lý và nâng cao hiệu quả năng lượng là một hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai Millimeter Waves: Là một công nghệ là truyền sóng... thác hết hiệu năng cao mà MIMO cỡ rất lớn mang lại Trong hệ thống MIMO cỡ rất lớn, thông tin trạng thái kênh (CSI: Channel state information) là một yếu tố then chốt MIMO cỡ rất lớn sử dụng MU -MIMO, do đó trạm gốc cần thông tin về CSI đểtiền mã hóa ở đường xuống và lọc thu ở đường lên Để thu được CSI một cách thuận lợi, hệ thống sử dụng hoa tiêu ở đường lên cùng với chế độ song công phân chia theo thời... (1.27) Công thức này khá phức tạp Độ lợi SNR (dương hay âm) phụ thuộc vào sơ đồ MIMO và vào các điều kiện kênh cụ thể Đối với hiệu suất phổ, ta có thể viết như sau cho hệ thống MIMO nt ×nr: (1.28) trong đó là ma trận đơn vị có kích thước N=min(n t,nr), (.)h biểu thị chuyển vị Hermitian (chuyển vị liên hợp phức) và H là ma trận nt×nr: (1.29) 1.5.2 SNR và dung lượng của MIMO Độ lợi SNR và dung lượng của MIMO. .. hệ thống lại chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiễu hoa tiêu, do việc tái sử dụng tập hoa tiêu tại các cell lân cận 2.2 HỆ THỐNG MASSIVE MIMO ĐƠN CELL 2.2.1 Mô hình kênh truyền Mô hình kênh truyền MIMO cỡ rất lớn đơn cell được mô tả như Hình 2.1.Hệ thống hoạt động ở chế độ song công phân chia theo thời gian TDD Do đó ma trận kênh của đường xuống là chuyển vị liên hợp của ma trận kênh đường lên Hình 2.1 Mô... 1.6 MIMO ĐƠN NGƯỜI DÙNG (SU -MIMO) VÀ MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG (MU -MIMO) 1.6.1 Hệ thống MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm - điểm hay MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) .Tốc độ đạt được của hệ thống MIMO đơn người dùng là: Giới hạn dưới đạt được trong trường hợp ma trận kênh là hạng 1, hay đường truyền là đường truyền thẳng (LOS) Giới hạn trên đạt được trong trường hợp thuận lợi... lợi, hệ thống sử dụng hoa tiêu ở đường lên cùng với chế độ song công phân chia theo thời gian TDD Quá trình xử lý trong MIMO cỡ rất lớn có thể sử dụng các bộ mã hóa và lọc thu tuyến tính đơn giản mà vẫn cho phép đạt được hiệu suất cao như MRC/MRT,ZF… Với mô hình đơn cell, hệ thống MIMO cấu hình cỡ rất lớn làm trung bình hóa fading nhanh và hiệu ứng tạp âm nhiệt Trong trường hợp đa cell, hệ thống lại ... 1.5.2 SNR dung lượng MIMO Độ lợi SNR dung lượng MIMO nghiên cứu nhiều công trình Các bảng 1.1 1.2 tổng kết kết nghiên cứu Bảng 1.1 Ảnh hưởng số anten phát anten thu lên độ lợi MIMO SNR so với SIMO... thống MIMO đa người dùng (MU -MIMO) Công nghệ MIMO đa người dùng (MU -MIMO) , khác với SU -MIMO cách chia sẻ không gian kênh cho người dùng khác lúc, cách tác động sâu vào giao thức đa truy nhập MU -MIMO. .. NGƯỜI DÙNG (MU -MIMO) 1.6.1 Hệ thống MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) Hệ thống MIMO truyền thống MIMO điểm - điểm hay MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) .Tốc độ đạt hệ thống MIMO đơn người dùng là: Giới hạn