Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)

Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO VÀ KHẢO SÁT

DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2017

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: ………

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự bùng nổ của các thiết bị di động, nhu cầu về dịch vụ ngày càng đa dạng của con người là những động lực phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực thông tin di động Các nhu cầu của con người ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, độ ổn định để tối

đa hóa trải nghiệm của người dùng Trong thông tin di động tài nguyên vô tuyến là hữu hạn

và đắt đỏ, trong khi đó nhu cầu của con người không ngừng tăng lên, do đó đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà nghiên cứu

Khi mà các hệ thống thông tin di động 3G và 4G đã được chuẩn hóa và hiện nay đã và đang được đưa vào khai thác thương mại hóa với các yêu cầu về tốc độ dữ liệu và dung lượng lớn đặt ra cho các hệ thống này thì một trong những giải pháp kỹ thuật được sử dụng để giúp cho các hệ thống thông tin di động này đạt được các yêu cầu thiết kế đặt ra là công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và nhiều anten ở máy thu (Multiple Input Multiple Output hay MIMO) Kênh vô tuyến di động vốn chịu tác động khá lớn bởi môi trường truyền đặc biệt hiện tượng fading, kỹ thuật MIMO cho phép cải thiện được các nhược điểm của kênh vô tuyến di động và giải quyết được các vấn đề hết sức quan trọng của các hệ thống thông tin di động hiện nay đó là các vấn đề về dung lượng, tốc độ dữ liệu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ Nhận thấy được tầm quan trọng của kỹ thuật MIMO trong thông tin vô tuyến nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và khảo sát dung lượng kênh MIMO” cho luận văn cao học của mình

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

Chương 1: Tổng quan về kênh vô tuyến di động

Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO

Chương 3: Khảo sát dung lượng kênh MIMO bằng mô phỏng

Trong quá trình làm luận văn, do hạn chế về mặt kiến thức nên không thế tránh khỏi thiếu sót Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thày giáo PGS.TS Bùi Trung Hiếu - người đã giúp em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương

Trong thông tin vô tuyến di động tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu thông qua kênh vô tuyến Môi trường truyền kênh vô tuyến vốn chịu tác động của các yếu tố đặc trưng của kênh vô tuyến, do đó trong chương này của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề của kênh vô tuyến như: mô hình kênh cơ bản, tổn hao đường truyền, các hiện tượng các hiệu ứng tác động tới truyền sóng vô tuyến như Fading, trải trễ, hiệu ứng Doppler, các phân bố Rayleigh và Rice và dung lượng kênh vô tuyến

1.2 Giới thiệu về kênh vô tuyến

Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán trước, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được truyền từ đầu thu qua kênh truyền chịu tác động của các yếu tố trên kênh vô tuyến

Hình 1.2.1 T ruyền sóng trong thông tin vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến kênh truyền được phân loại theo một số tiêu chí khác nhau

a, Phân loại theo độ rộng băng tín hiệu

b, Phân loại theo môi trường truyền sóng

c, Phân loại theo đặc tính fading nhanh

1.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến do đặc điểm khoảng cách từ máy phát tới máy thu là xa nhau

và môi trường truyền là vô tuyến nên tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu có thể bị các tác động từ môi trường truyền bên ngoài gây ra các hiện tượng như: phản xạ sóng, tán xạ sóng, nhiễu xạ sóng

a, Phản xạ sóng

Hình 1.3.1 Phản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến

b, Tán xạ sóng

Hình 1.3.2 Tán xạ sóng trong thông tin vô tuyến

c, Nhiễu xạ sóng

Hình 1.3.3 Nhiễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến

1.4 Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến

Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến được đánh giá trong phạm vi rộng thông qua các mô hình tổn hao đường truyền Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu như là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác

Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n < 2 cho các môi trường trong nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy phát đến máy thu

Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau

di động đo bằng m, a h( )m và K là các hệ số hiệu chỉnh theo môi trường tính theo dB

1.5 Hiệu ứng đa đường của kênh vô tuyến

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường

Hình 1.5.1 Truyền đa đường trong truyền sóng vô tuyến

1.5.1 Hiện tượng fading

Fading trong thông tin vô tuyến là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên cường độ trường của tín hiệu tại đầu thu Các yếu tố gây ra fading đối với hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm một số yếu tố sau: sự thăng giáng của tầng điện ly, sự hấp thụ gây bởi các phần tử khí, mưa, sương mù, sự khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ…

0 á ườ ợ ò ạ

Hình 1.6.1 Phổ tín hiệu tại đầu thu

1.7 Các phân bố Rayleigh và Rice

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất

) 0

( 2

exp )

2 2

r

r r

r r

Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Trong trường hợp với phân bố Ricean, sẽ có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu

mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

) 0 , 0 ( )

) ( 2 2 2 2

r

r A

Ar I e

r r p

A r



Hình 1.7.2 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean

Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice

1.8 Dung lượng kênh vô tuyến

Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi là lý thuyết dung lượng cực đại mà thông tin có thể đạt được truyền trên một kênh thông tin cho trước Khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm Gauss trắng cộng tính, dung lượng kênh C được xác định bởi một biểu thức đơn giản như sau:

1.9 Tổng kết chương

Kênh truyền sóng trong thông tin vô tuyến luôn chịu các tác động mang tính chất đặc thù và cố hữu của môi trường truyền sóng vô tuyến các tác động này ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng tín hiệu ở tại đầu thu nếu không có biện pháp kỹ thuật xử lý Trong chương một của luận văn cũng nêu rõ các đặc trưng cơ bản của truyền sóng vô tuyến cũng như các yếu tố tác động của kênh truyền vô tuyến và đồng thời cũng chỉ ra các hệ quả của các tác động của các vấn đề như tổn hao truyền sóng, các tác động của truyền sóng đa đường… và cũng chỉ rõ các giới hạn về dung lượng của các hệ thống thông tin hiện tại Trong xu hướng hướng tới thông tin tốc độ cao thì các vấn đề nêu trên của kênh vô tuyến cần được khắc phục và một trong những công nghệ đang được nghiên cứu, triển khai áp dụng trong thực tế là công nghệ truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao MIMO sẽ được trình bày trong chương 2 của luận văn

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN MIMO 2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO bao gồm các nội dung như lịch sử hình thành kỹ thuật truyền dẫn MIMO, mô hình hệ thống, các kỹ thuật quan trọng được sử dụng và các vấn đề đặc biệt được quan tâm trong MIMO là dung lượng và hiệu năng hệ thống cũng được trình bày Bên cạnh đó các ưu nhược điểm của hệ thống MIMO và các ứng dụng của MIMO trong các hệ thống thông tin di động cũng sẽ được trình bày trong chương này của luận văn

2.2 Tổng quan về kỹ thuật MIMO

MIMO là kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu Năm 1984 Jack Wintes (Bell Laboatries) là người đi tiên phong trong lĩnh vực MIMO khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng trên cùng kênh tần số hoặc thời gian khi sử dụng nhiều anten tại cả máy phát lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh Vào năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại học stanford, Greg Raleigh đã khám phá ra hiện tượng phản

xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong

hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã viết một bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAS (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến trong môi trường fading khi sử dụng đa anten (MIMO) Năm 1998, P.W.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng băng thông lần đầu tiên lên tới 20-40 bps/Hz, Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này có thể mở rộng ra M anten thu để cung cấp độ lợi phân tập 2M Năm 2003, Airgo đã tung chip MIMO đầu tiên Năm 2004, IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp với kĩ thuật OFDM Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu thiên của 802.11n để thảo luận nhằm đưa ra các thay đổi sửa lỗi và cải tiến Nhận thấy được các ưu điểm của kỹ thuật MIMO kể từ đó cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật này

Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau:

a, Cải thiện được công suất tại nơi thu

b, Tăng dung lượng hệ thống

c, Phân tập không gian

d, Hệ số phân tập

e, Hệ số hợp kênh

2.3 Mô hình hệ thống MIMO tổng quát

Mô hình hệ thống MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa như hình 2.3.1

Hình 2.3.1 Mô hình hệ thống MIMO với N t anten phát và N r anten thu

Trong đó hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m Giả sử

Tx,,x

,

x

x

t N 2

2 1

t N

2 1

r N t N 2

r N 1 r N

2 t N 22

21

1 t N 12

11

r N

2

1

η

ηη

x

xx

hh

h

hh

h

hh

Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận NrxNt trong phương trình (2.1) như sau:

2.4 Kỹ thuật phân tập phát

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang

sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về fading thống kê là rất nhỏ Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu

đó bị ảnh hưởng của fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu

bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn Cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti

1 2

1 jθ e β

1 η 2 η

1 ˆ

2

~ 2

1

1

Hình 2.4.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu

2.5 Kỹ thuật phân tập thu

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường Trong đó tại đầu thu kỹ thuật phân tập không gian (phân tập anten) đang rất được quan tâm và ứng dụng vào

hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến

nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thời gian và tần

số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông của hệ thống Đây là đặc tính rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao hiện tại và trong tương lai

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu thu được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa đường

Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu

Trong phân tập thu sử dụng một số kỹ thuật như: phân tập thu lựa chọn kết hợp SC, phân tập thu TC, phân tập thu kết hợp tỉ lệ cực đại MRC, phân tập thu kết hợp cân bằng độ lợi EGC

2.6 Các kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng

kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian

2.6.1 Ghép kênh không gian

Ghép kênh không gian là một công nghệ sử dụng tính năng của các hệ thống MIMO

để đạt được giới hạn dung lượng lý thuyết trong thực tế Việc sử dụng nhiều anten ở cả phía thu và phía phát được coi như là một cách để cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm/nhiễu và phân tập chống lại fading so với việc chỉ sử dụng nhiều anten ở phía phát hoặc phía thu Đó có thể

được gọi là ghép kênh không gian, cho phép tận dụng hiệu quả hơn tỷ số tín hiệu trên tạp

âm/nhiễu và tốc độ dữ liệu tăng lên đáng kể qua giao diện vô tuyến

2.6.2 Mã hóa không gian thời gian

Mã hóa không gian-thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tập phát

Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan trong cả hai miền không

gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu ở máy thu nhằm

đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa Mã không gian – thời gian có thể được

phân loại thành hai loại: mã khối không gian thời gian STBC và mã lưới không gian thời gian

STTC

a, Mã khối không gian thời gian

Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã không gian thời gian trên băng

gốc với NT anten phát và NR antenna thu

ánh xạ khối dữ liệu vào nhị phân m với NT ký hiệu điều chế từ một tập tín hiệu của M = 2m

điểm Dữ liệu được mã hóa sẽ được đưa tới bộ biến đổi nối tiếp / song song (S/P) sinh ra một

chuỗi NT ký hiệu song song, được sắp xếp vào vectơ cột

1 2

x  x x x (2.4)

Ở đây T biểu thị sự chuyển vị của ma trận, các đầu ra song song NT đồng thời được

phát bởi NT antenna khác nhau, ở đây ký hiệu i

t

x , 1 ≤ i ≤ NT được phát đi bởi anten i và tất