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 hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: …………………………………………………………… (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, bùng nổ thiết bị di động, nhu cầu dịch vụ ngày đa dạng người động lực phát triển mạnh mẽ lĩnh vực thông tin di động Các nhu cầu người ngày có đòi hỏi khắt khe chất lượng, độ ổn định để tối đa hóa trải nghiệm người dùng Trong thông tin di động tài nguyên vô tuyến hữu hạn đắt đỏ, nhu cầu người không ngừng tăng lên, đặt nhiều thách thức cho nhà cung cấp dịch vụ nhà nghiên cứu Khi mà hệ thống thông tin di động 3G 4G chuẩn hóa và đưa vào khai thác thương mại hóa với yêu cầu tốc độ liệu dung lượng lớn đặt cho hệ thống giải pháp kỹ thuật sử dụng để giúp cho hệ thống thông tin di động đạt yêu cầu thiết kế đặt công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten máy phát nhiều anten máy thu (Multiple Input Multiple Output hay MIMO) Kênh vô tuyến di động vốn chịu tác động lớn môi trường truyền đặc biệt tượng fading, kỹ thuật MIMO cho phép cải thiện nhược điểm kênh vô tuyến di động giải vấn đề quan trọng hệ thống thông tin di động vấn đề dung lượng, tốc độ liệu, hiệu sử dụng phổ vùng phủ Nhận thấy tầm quan trọng kỹ thuật MIMO thông tin vô tuyến nên em chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO khảo sát dung lượng kênh MIMO” cho luận văn cao học Về nội dung, luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan kênh vô tuyến di động Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO Chương 3: Khảo sát dung lượng kênh MIMO mô Trong trình làm luận văn, hạn chế mặt kiến thức nên không tránh khỏi thiếu sót Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thày giáo PGS.TS Bùi Trung Hiếu - người giúp em hoàn thành luận văn CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương Trong thông tin vô tuyến di động tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu thông qua kênh vô tuyến Môi trường truyền kênh vô tuyến vốn chịu tác động yếu tố đặc trưng kênh vô tuyến, chương luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề kênh vô tuyến như: mô hình kênh bản, tổn hao đường truyền, tượng hiệu ứng tác động tới truyền sóng vô tuyến Fading, trải trễ, hiệu ứng Doppler, phân bố Rayleigh Rice dung lượng kênh vô tuyến 1.2 Giới thiệu kênh vô tuyến Không giống kênh truyền hữu tuyến ổn định dự đoán trước, kênh truyền vô tuyến hoàn toàn ngẫu nhiên không dễ dàng việc phân tích Tín hiệu truyền từ đầu thu qua kênh truyền chịu tác động yếu tố kênh vô tuyến Hình 1.2.1 Truyền sóng thông tin vô tuyến Trong thông tin vô tuyến kênh truyền phân loại theo số tiêu chí khác 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 kênh vô tuyến Trong thông tin vô tuyến đặc điểm khoảng cách từ máy phát tới máy thu xa môi trường truyền vô tuyến nên tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu bị tác động từ môi trường truyền bên gây tượng như: phản xạ sóng, tán xạ sóng, nhiễu xạ sóng a, Phản xạ sóng Hình 1.3.1 Phản xạ sóng truyền sóng vô tuyến b, Tán xạ sóng Hình 1.3.2 Tán xạ sóng thông tin vô tuyến c, Nhiễu xạ sóng Hình 1.3.3 Nhiễu xạ sóng truyền sóng vô tuyến 1.4 Tổn hao đường truyền kênh vô tuyến Tổn hao đường truyền kênh vô tuyến đánh giá phạm vi rộng thông qua mô hình tổn hao đường truyền Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu anten phát anten thu hàm phụ thuộc vào khoảng cách thông số khác PL ~ dn (1.1) Trong n mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n < cho môi trường nhà, n > cho vùng thành phố trời), d khoảng cách từ máy phát đến máy thu Nếu xét thay đổi theo vị trí, ta biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) khoảng cách d sau PL ( d )[ dB ]  PL ( d )  X   PL ( d )  10n lg( d )  X d0 (1.2) Trong PL( d ) tổn hao đường truyền trung bình phạm vi rộng d0 khoảng cách tham chuẩn thu phát, X  biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình, d khoảng cách máy phát máy thu, n mũ tổn hao đường truyền Mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata thường áp dụng tính toán cự ly phủ sóng ô Tồn mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata: Hở, ngoại ô, thành phố nhỏ thành phố lớn Mô hình sử dụng dải tần từ 500 MHz đến 2000 MHz với công thức sở sau PLHata  69,55  26,16 lg f  13,82lg hb  a(hm )  (44,9  6,55lg hb ) lg d  K [dB] (1.3) Trong PLHata tổn hao đường truyền tính theo dB, f tần số tính theo Hz, hb độ cao anten trạm gốc tính theo m, d khoảng cách từ trạm gốc tính theo km, hm độ cao anten di động đo m, a(hm ) K hệ số hiệu chỉnh theo môi trường tính theo dB 1.5 Hiệu ứng đa đường kênh vô tuyến Trong hệ thống thông tin vô tuyến, sóng xạ điện từ thường không truyền trực tiếp đến anten thu Điều xẩy nơi phát nơi thu tồn vật thể cản trở truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận chồng chập sóng đến từ hướng khác phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ nhà, cối vật thể khác Hiện tượng gọi truyền sóng đa đường Hình 1.5.1 Truyền đa đường truyền sóng vô tuyến 1.5.1 Hiện tượng fading Fading thông tin vô tuyến thăng giáng cách ngẫu nhiên cường độ trường tín hiệu đầu thu Các yếu tố gây fading hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm số yếu tố sau: thăng giáng tầng điện ly, hấp thụ gây phần tử khí, mưa, sương mù, khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ… 1.5.2 Trải trễ Đối với hệ thống thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia sóng môi trường di động dẫn đến trả trễ Hình 1.5.2 Trải trễ truyền sóng vô tuyến 1.6 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây chuyển động tương đối máy phát máy thu trình bày hình Bản chất tượng phổ tín hiệu thu bị xê lệch so với tần số trung tâm khoảng gọi tần số Doppler Phổ tín hiệu tương ứng với tần số Doppler biểu diễn sau: ế , , | | ườ ợ ò Hình 1.6.1 Phổ tín hiệu đầu thu 1.7 Các phân bố Rayleigh Rice Trong kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường dùng để mô tả chất thay đổi theo thời gian đường bao tín hiệu fading phẳng thu đường bao thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết đường bao tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất  r  r2  exp  p ( r )    2     (0  r  )  ( r  0) (1.4) Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh Trong trường hợp với phân bố Ricean, 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 phân bố Ricean:  r  ( r  A2 )  Ar  2  I   ( A  0, r  0) p ( r )   e    r0  2 Hình 1.7.2 mô tả hàm mật độ xác suất phân bố Ricean (1.5) Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất phân bố Rice 1.8 Dung lượng kênh vô tuyến Shannon đưa công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại gọi lý thuyết dung lượng cực đại mà thông tin đạt truyền kênh thông tin cho trước Khi thông tin truyền kênh (hay đường truyền vô tuyến) bị ảnh hưởng tạp âm Gauss trắng cộng tính, dung lượng kênh C xác định biểu thức đơn giản sau: C  Bw log (1  S ) N (1.6) Trong Bw băng thông khả dụng cho truyền tin, S kí hiệu cho công suất tín hiệu thu N công suất tạp âm trắng ảnh hưởng xấu lên tín hiệu thu Từ công thức (1.6) ta thấy yếu tố hạn chế tốc độ số liệu khả dụng công suất thu khả dụng, hay tổng quát tỷ số tín hiệu tạp âm S/N khả dụng băng thông khả dụng Bw Một giải pháp nghiên cứu áp dụng thông tin di động để khắc phục khó khăn sử dụng nhiều anten phía thu (phân tập anten thu) 1.9 Tổng kết chương Kênh truyền sóng thông tin vô tuyến chịu tác động mang tính chất đặc thù cố hữu môi trường truyền sóng vô tuyến tác động ảnh hưởng lớn tới chất lượng tín hiệu đầu thu biện pháp kỹ thuật xử lý Trong chương luận văn nêu rõ đặc trưng truyền sóng vô tuyến yếu tố tác động kênh truyền vô tuyến đồng thời hệ tác động vấn đề tổn hao truyền sóng, tác động truyền sóng đa đường… rõ giới hạn dung lượng hệ thống thông tin Trong xu hướng hướng tới thông tin tốc độ cao vấn đề nêu kênh vô tuyến cần khắc phục công nghệ nghiên cứu, triển khai áp dụng thực tế công nghệ truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao MIMO trình bày chương luận văn CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN MIMO 2.1 Giới thiệu chương Chương trình bày tổng quan kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO bao gồm nội dung lịch sử hình thành kỹ thuật truyền dẫn MIMO, mô hình hệ thống, kỹ thuật quan trọng sử dụng vấn đề đặc biệt quan tâm MIMO dung lượng hiệu hệ thống trình bày Bên cạnh ưu nhược điểm hệ thống MIMO ứng dụng MIMO hệ thống thông tin di động trình bày chương luận văn 2.2 Tổng quan kỹ thuật MIMO MIMO kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều anten phát nhiều anten thu để truyền liệu Năm 1984 Jack Wintes (Bell Laboatries) người tiên phong lĩnh vực MIMO mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng kênh tần số thời gian sử dụng nhiều anten máy phát lẫn máy thu lĩnh vực phát Vào năm 1996, nghiên cứu đại học stanford, Greg Raleigh khám phá tượng phản xạ đa đường sóng vô tuyến va chạm vật cản tạo kênh truyền ảo riêng rẻ hệ thống MIMO, từ Greg Raleigh viết báo tượng đa đường yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền Cũng năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đưa kiến trúc D-BLAS (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến môi trường fading sử dụng đa anten (MIMO) Năm 1998, P.W.Wolniansky đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đưa kỹ thuật VBLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng băng thông lần lên tới 20-40 bps/Hz, Siavash M.Alamouti đưa sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng anten phát anten thu, sơ đồ mở rộng M anten thu để cung cấp độ lợi phân tập 2M Năm 2003, Airgo tung chip MIMO Năm 2004, IEEE lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa hệ thống MIMO kết hợp với kĩ thuật OFDM Năm 2006, TGn đưa nháp đầu thiên 802.11n để thảo luận nhằm đưa thay đổi sửa lỗi cải tiến Nhận thấy ưu điểm kỹ thuật MIMO kể từ có nhiều nghiên cứu kỹ thuật Những ưu điểm hệ thống MIMO tóm tắt sau: 10 Có thể viết lại quan hệ vào kênh ma trận NrxNt phương trình (2.1) sau: y = Hx + η (2.2) 2.4 Kỹ thuật phân tập phát Trong hệ thống thông tin vô tuyến di động, kỹ thuật phân tập sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng fading đa đường cải thiện độ tin cậy truyền dẫn mà tăng công suất phát mở rộng băng thông Kỹ thuật phân tập dựa mô hình mà thu nhận chép tín hiệu phát, tất sóng mang có thông tin tương quan fading thống kê nhỏ Ý tưởng phân tập chỗ, hai nhiều mẫu độc lập tín hiệu đưa tới mẫu bị ảnh hưởng fading độc lập với nhau, có nghĩa số chúng, có tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, mẫu khác bị ảnh hưởng Cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti x x - x* h1  β1e x* jθ1 h  β 2e jθ η1 η2 h1 h1 h2 h2 ˆ1 x ~ x ˆ x ~ x2 Hình 2.4.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát anten thu 2.5 Kỹ thuật phân tập thu Trong phân tập anten thu, nhiều anten sử dụng nơi thu để nhận phiên tín hiệu phát cách độc lập Các phiên tín hiệu phát kết hợp cách hoàn hảo để tăng SNR tín hiệu thu làm giảm bớt fading đa đường Trong đầu thu kỹ thuật phân tập không gian (phân tập anten) quan tâm ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả khai thác hiệu thành phần không gian nâng cao chất lượng dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng fading, đồng thời tránh hao phí băng thông tần số – yếu tố quan tâm hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày khan Trong phân tập không gian, phiên tín hiệu phát truyền đến 11 nơi thu tạo nên dư thừa miền không gian Không giống phân tập thời gian tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông hệ thống Đây đặc tính quan trọng hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao tương lai Trong phân tập anten thu, nhiều anten sử dụng nơi thu để nhận phiên tín hiệu phát cách độc lập Các phiên tín hiệu thu kết hợp cách hoàn hảo để tăng SNR tín hiệu thu làm giảm bớt ảnh hưởng hiệu ứng fading đa đường Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu Trong phân tập thu sử dụng 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 độ lợi EGC 2.6 Các kỹ thuật quan trọng sử dụng MIMO Hệ thống MIMO hệ thống sử dụng đa anten nơi phát nơi thu Hệ thống 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 thực Beamforming nơi phát nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian 2.6.1 Ghép kênh không gian Ghép kênh không gian công nghệ sử dụng tính hệ thống MIMO để đạt giới hạn dung lượng lý thuyết thực tế Việc sử dụng nhiều anten phía thu phía phát coi cách để cải thiện tỷ số tín hiệu tạp âm/nhiễu phân tập chống lại fading so với việc sử dụng nhiều anten phía phát phía thu Đó 12 gọi ghép kênh không gian, cho phép tận dụng hiệu tỷ số tín hiệu tạp âm/nhiễu tốc độ 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 phương pháp mã hóa cho hệ thống phân tập phát Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan hai miền không gian thời gian vào tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu máy thu nhằm đạt độ lợi phân tập độ lợi mã hóa Mã không gian – thời gian phân loại thành hai loại: mã khối không gian thời gian STBC mã lưới không gian thời gian STTC a, Mã khối không gian thời gian Chúng ta xem xét hệ thống thông tin sử dụng mã không gian thời gian băng gốc với NT anten phát NR antenna thu Nguồn thông tin Bộ mã hóa KG‐TG S/P Bộ thu Hình 2.6.1 Mô hình hệ thống băng gốc Tại khoảng thời gian t, khối gồm m ký hiệu thông tin nhị phân biểu diễn bởi: Ct  (ct1 , ct2 ctm ) (2.3) Được đưa vào mã hóa không gian - thời gian Bộ mã hóa không gian thời gian ánh xạ khối liệu vào nhị phân m với NT ký hiệu điều chế từ tập tín hiệu M = 2m điểm Dữ liệu mã hóa đưa tới biến đổi nối tiếp / song song (S/P) sinh chuỗi NT ký hiệu song song, xếp vào vectơ cột xt  ( xt1 , xt2 xtm )T (2.4) Ở T biểu thị chuyển vị ma trận, đầu song song NT đồng thời phát NT antenna khác nhau, ký hiệu xti , ≤ i ≤ NT phát anten i tất 13 ký hiệu phát khoảng thời gian T giây Vectơ ký hiệu điều chế mã gọi ký hiệu không gian-thời gian STBC kỹ thuật mã hóa tín hiệu theo không gian thời gian nhằm khai thác độ lợi phân tập không gian phân tập thời gian kênh truyền vô tuyến Mã STBC đưa dạng ma trân Mỗi cột tượng trưng cho khe thời gian, hàng tượng trưng cho trình phát anten toàn miền thời gian Anten truyền  x1    x  T1 Khe thời gian    x1 N T     x T N T  Trong đó, sij ký hiệu điều chế phát từ anten thứ j vào khe thời gian thứ i Ở có T khe thời gian NT anten phát NR anten thu b, Mã lưới không gian thời gian STTC cho phép phân tập đầy đủ độ lợi mã cao, STTC loại mã chập mở rộng cho trường hợp MIMO Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông vũ trụ vệ tinh, sử dụng mã hóa đơn giản đạt hiệu cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp n bit k bit Tầng k n k Tầng 2 k Tầng K Hình 2.6.2 Sơ đồ mã lưới STTC cung cấp độ lợi mã tốt nhiều STBC độ lợi mã STTC tăng lên tăng số trạng thái lưới mã Tuy nhiên độ phức tạp STBC thấp nhiều độ phức tạp STTC, STBC mã hoá giải mã đơn giản nhờ vào giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với ứng dụng thực tế hệ thống MIMO STTC 14 2.6.3 Tạo dạng búp sóng Tạo búp sóng giúp hệ thống tập trung lượng xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu công suất, giảm can nhiễu tránh can nhiễu tới từ hướng không mong muốn, từ giúp cải thiện chất lượng kênh truyền tăng độ bao phủ hệ thống Để thực tạo búp sóng, khoảng cách anten hệ thống MIMO thường nhỏ bước sóng  (thông thường  / ) Hình 2.6.3 Kỹ thuật tạo búp sóng 2.7 Dung lượng hệ thống MIMO Dung lượng kênh truyền định nghĩa tốc độ truyền dẫn tối đa với xác suất lỗi tương đối nhỏ Đối với kênh truyền không sử dụng phân tập, có độ lợi h, chịu ảnh hưởng tạp âm cộng trắng Gauss dung lượng kênh truyền tính theo định lý Shannon sau: C  Bw log (1   | h |2 ) (2.5) Trong Bw băng tần kênh truyền tính Hz  | h |2 tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) đầu vào máy thu MIMO đề suất để khắc phục hạn chế dung lượng kênh truyền hệ thống SISO Với Nt anten phát Nr anten thu, môi trường fading Rayleigh giàu tán xạ biến đổi chậm, kênh MIMO Nt xNr , cho phép đạt dung lượng kênh sau: log log ế ế (2.6) Từ công thức thấy dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số anten phát thu đạt đến r = min(Nt,Nr) lần dung lượng kênh truyền SISO 15 2.8 Hiệu hệ thống MIMO Hình 2.8.3 cho thấy hệ thống MIMO 2×2 x1 y1 x2 y2 Hình 2.8.1 Hệ thống MIMO 2×2 Biểu diễn vectơ y đầu sau:  y   h1,1 h2,1   x1  y 1    y2   h1,2 h2,2   x2  (2.7) Từ quan hệ ta rút biểu thức SNR đầu cho trường hợp MIMO 2×2 sau: SNR  PT 2  h n 1 m 1 2 n, m 2 Trong hn,m hệ số đáp ứng xung kim kênh (n,m) Đối với hệ thống MIMO nt×nr, SNR đầu biểu diễn sau: SNR  PT nt nt nr  h n 1 m 1 r n n,m  PT nt nr  nt nr  h n 1 m 1 n,m Công thức phức tạp Độ lợi SNR (dương hay âm) phụ thuộc vào sơ đồ MIMO vào điều kiện kênh cụ thể Đối với hiệu suất phổ, ta viết sau cho hệ thống MIMO nt ×nr:    P SE  log  det  I N  T HH h   [b/s/Hz] nt    (2.8) I N ma trận đơn vị có kích thước N=min(nt,nr), (.)h biểu thị chuyển vị Hermitian (chuyển vị liên hợp phức) H ma trận nt×nr: 16  h1,1 h2,1 hnt ,1      H      h hnt , nr   1,nr (2.9) 2.9 Ứng dụng MIMO hệ thống thông tin di động MIMO phương thức truyền dẫn liệu cho phép tăng dung lượng kênh truyền vô tuyến Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến triển khai ứng dụng đề xuất cho hệ thống 3G 4G Sử dụng đa anten phát đa anten thu, hệ thống MIMO cho phép truyền dẫn liệu lên tới gigabit môi trường truyền sóng tia truyền thẳng NLOS Theo 3GPP, lý thuyết LTE với MIMO dải phổ rộng cho phép nhà khai thác đạt tốc độ đỉnh đường xuống lên tới 326 Mbps đường lên 86 Mbps kênh 20 Mhz với anten 4x4 MIMO Trong hệ thống thông tin di động tương lai (5G) sử dụng cấu hình MIMO cỡ lớn kỹ thuật thông tin đột phá mới, hứa hẹn phát huy hết khả công nghệ MIMO thông qua việc triển khai hàng trăm anten trạm gốc sử dụng kỹ thuật MU-MIMO để phục vụ đồng thời nhiều người dùng 2.10 Tổng kết chương Chương luận văn trình bày tổng thể công nghệ MIMO, kỹ thuật sở quan trọng MIMO kỹ thuật phân tập thực đầu phát đầu thu, kỹ thuật ghép kênh không gian, kỹ thuật tạo búp sóng vấn đề quan tâm truyền dẫn MIMO dung lượng hiệu hệ thống Qua nội dung nghiên cứu chương thấy việc áp dụng kỹ thuật cho phép khắc phục vấn đề kênh vô tuyến truyền dẫn đa đường, cho phép cải thiện tỷ số tín hiệu tạp âm, cải thiện chất lượng tín hiệu đầu thu quan trọng cho phép tăng dung lượng hệ thống, tăng tốc độ liệu, mở rộng vùng phủ sử dụng hiệu phổ tần 17 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO BẰNG MÔ PHỎNG 3.1 Giới thiệu chương MIMO khắc phục hạn chế dung lượng kênh truyền SISO Với N anten phát M anten thu, môi trường fading giàu tán xạ biến đổi chậm, kênh MIMO NtxNr có dung lượng thể tăng tuyến tính theo số anten phát thu đạt đến r = Min(Nt,Nr) lần dung lượng kênh SISO Trên sở lý thuyết nghiên cứu chương luận văn, chương khảo sát dung lượng kênh hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO với trường hợp số lượng anten thay đổi tỷ số SNR thay đổi 3.2 Sơ đồ hệ thống a, Hệ thống sử dụng anten phát anten thu Hình 3.2.1 Hệ thống đơn anten phát thu Dung lượng hệ thống cho công thức CSISO  log 1  SNR h    (3.1) bit/s/Hz b, Hệ thống SIMO Hình 3.2.2 Hệ thống SIMO Dung lượng hệ thống cho công thức   CMISO  log 1   Nt NT | h n 1 n  |2   bit/s/Hz (3.2) 18 Trong Nr số anten đầu thu, hm đáp ứng xung anten phát anten thu thứ m,  tỷ số tín hiệu tạp âm máy thu c, Hệ thống MISO Hình 3.2.3 Hệ thống MISO   CMISO  log 1   NT NT | h n 1 n  |2   (3.3) bit/s/Hz Trong NT số anten phát, hn đáp ứng xung anten phát thứ n anten thu d, Hệ thống MIMO Hình 3.2.4 Hệ thống MIMO Dung lượng hệ thống cho công thức   SNR  CMIMO  log det  I n  HH H    ,  m    bit/s/Hz (3.4) 3.3 Xây dựng chương trình 3.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ 3.3.2 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với số lượng anten thay đổi Lưu đồ thuật toán chương trình 19 Begin Input: (Nmax,It) If (Nmax > 0 && It > 0) N Y Process Plot End Hình 3.3.1 Lưu đồ thuật toán trường hợp số anten thay đổi 3.3.3 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với tỷ số SNR thay đổi Hình 3.2.2 lưu đồ thuật toán chương trình khảo sát dung lượng kênh MIMO thay đổi tỷ số SNR Begin Input: (It) If (Nmax > 0 && It > 0) N Y Process Plot End Hình 3.3.2 Lưu đồ thuật toán trường hợp tỷ số SNR thay đổi 3.4 Kết khảo sát mô thảo luận Trên sở lý thuyết nghiên cứu hệ thống MIMO dung lượng MIMO, tiến hành xây dựng code chương trình phụ lục thực chạy mô matlab ta kết mô cho trường hợp sau a, Trường hợp số anten thay đổi cho hệ thống SIMO 1xM, MISO Mx1, MIMO MxM SISO 20 Hình 3.4.1 Dung hệ thống với số anten thay đổi Quan hình ta thấy dung lượng hệ thống MIMO tăng cách tuyến tính theo số lượng anten lớn xấp xỉ M lần lần dung lượng SISO (với M số lượng anten) Với MISO dung lượng tăng số lượng anten phát tăng Với hệ thống SIMO hiệu so với SISO MISO giới hạn từ tới 3.4 bps/Hz Với hệ thống SIMO dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten thu tăng hệ thống MIMO tăng tuyến tính tăng số anten phát số anten thu Lợi hệ thống MIMO chủ yếu khai thác từ truyền sóng đa đường Tại máy thu cho phép tách biệt tín hiệu phát từ anten khác có nhiều ký hiệu phát đồng thời, tín hiệu phát đường truyền tín hiệu phát tín hiệu có ích nên đầu thu kết hợp tín hiệu tạo thành tập tín hiệu có chất lượng tốt Tuy nhiên với hệ thống MIMO số lượng anten thu tăng hệ thống trở nên phức tạp hơn, lực tính toán hệ thống yêu cầu phải lớn công suất tiêu thụ lớn b, Trường hợp thay đổi tỉ số SNR cho hệ thống MIMO MxM, SIMO 1xM, MISO Mx1 hệ thống SISO 21 Hình 3.4.2 Dung lượng hệ thống thay đổi theo SNR Dung lượng hệ thống SISO với giá trị SNR thay đổi từ [-15 30] dB, dung lượng hệ thống giới hạn từ tới bps/Hz Dung lượng SISO duy trì mức thấp tăng chậm so với tăng SNR, hình 3.3.2 minh họa giới hạn truyền dẫn SISO Với hệ thống MISO tương ứng với trường hợp số anten thay đổi trường hợp số SNR thay đổi dung lượng đạt MISO thấp so với SIMO, cụ thể giới hạn dung lượng tương ứng với tỷ số SNR thay đổi từ tới 10 bps/Hz Với hệ thống SIMO từ giá trị SNR ban đầu hệ thống SIMO đạt dung lượng cao hẳn so với SISO MISO cụ thể đường dung lượng SIMO nằm đường dung lượng SISO MISO Hệ thống đa anten phát đa anten thu với cấu hình cụ thể 4x4 đạt dung lượng tương ứng với tỷ số SNR thay đổi với dung lượng nằm giới hạn từ tới 35 bps/Hz Có thể thấy so với hệ thống truyền dẫn SISO hệ thống MIMO đạt dung lượng xấp xỉ lần hệ thống SISO Kết mô tương ứng với nghiên cứu lý thuyết Sở dĩ hệ thống MIMO đạt dung lượng lớn nhờ có kỹ thuật áp dụng phía thu giúp kết hợp tín hiệu phát đa đường tạo phía thu để kết hợp lại tạo tập tín hiệu thu tốt hệ thống khác 3.5 Tổng kết chương Hệ thống truyền dẫn MIMO qua nghiên cứu lý thuyết kết mô cho thấy ưu điểm trội mặt dung lượng so với hệ thống khác SISO, SIMO 22 MISO Với việc sử dụng N anten phát M anten thu cho phát tạo NxM kênh truyền sóng song song, tín hiệu phát độc lập đồng thời anten phát, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát Dung lượng hệ thống tăng tuyến tính theo số kênh truyền song song hệ thống, đầu thu sử dụng phân tập cho phép thu tín hiệu giống kết hợp tín hiệu để giảm tốc độ lỗi bit BER cho phép hệ thống MIMO đạt dung lương lý tưởng so với hệ thống khác 23 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận Hệ thống truyền vô tuyến tốc độ cao MIMO triển vọng hấp dẫn cho mạng viễn thông vô tuyến tương lai Về mặt lý thuyết, dung lượng hệ thống tăng lên với việc tăng thêm anten, tức hệ hệ thống MIMO mang lại hiệu suất sử dụng phổ tần vô tuyến cao Bên cạnh đó, hệ thống MIMO giúp giảm công suất phát anten trạm gốc đầu cuối, điều có ý nghĩa mặt kinh tế, thân thiện với môi trường giảm ảnh hưởng xạ điện từ sức khỏe người dùng Tạo búp sóng giúp hệ thống tập trung lượng xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu công suất, giảm can nhiễu tránh can nhiễu tới từ hướng không mong muốn, từ giúp cải thiện chất lượng kênh truyền tăng độ bao phủ hệ thống Để thực tạo búp sóng, khoảng cách anten hệ thống MIMO thường nhỏ bước sóng  (thông thường  / ), tạo búp sóng thường thực môi trường tán xạ Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO cung cấp độ lợi ghép kênh không gian độ lợi phân tập Việc sử dụng nhiều anten đầu phát đầu thu tạo kênh truyền song song có từ đa anten phía phát phía thu hệ thống MIMO, tín hiệu phát độc lập đồng thời anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống Dung lượng hệ thống tăng tuyến tính theo số kênh truyền song song hệ thống Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu thay đổi, bị fading liên tục theo không gian, thời gian tần số, khiến cho tín hiệu nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho thu tín hiệu giống qua kênh truyền fading khác nhau, thu lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp tín hiệu để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống fading qua tăng độ tin cậy hệ thống Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER chống lại fading, thuật toán STBC áp dụng Những lợi ích hệ thống thông tin sử dụng MIMO nhìn thấy cách trực quan phân tích chương luận văn thông qua kết mô hệ thống chương luận văn Hiện giới Việt Nam hướng nghiên cứu 24 công nghệ MIMO hướng nghiên cứu quan tâm nhà nghiên cứu viễn thông Khuyến nghị Như trình bày trên, luận văn đề cập đến vấn đề bản, hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao MIMO Trên sở nội dung thực luận văn, học viên xin đưa số khuyến nghị hướng nghiên cứu Để giải toán tài nguyên thông tin vô tuyến hữu hạn đắt đỏ nhu cầu sử dụng ngày cao trải nghiệm người dùng cần tối ưu giải pháp để nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên vô tuyến công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đa anten, hay gọi công nghệ truyền thông đa đầu vào đa đầu Như phân tích luận văn hệ thống MIMO cho phép tăng dung lượng hệ thống, tốc độ truyền liệu, cài thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, tiết kiệm công suất phát, mở rộng vùng phủ yếu tố đạt nhờ sử dụng nhiều anten đầu phát thu kỹ thuật quan trọng khác Với hệ thống 4G để đạt tốc độ liệu cao MIMO sử dụng với kỹ thuật phân tập, sơ đồ truyền dẫn SU-MIMO MU-MIMO, kỹ thuật ghép kênh không gian, tạo búp sóng… cho phép đạt dung lượng tốc độ lớn Trong tương lai khai mạng di động 5G đời cần triển khai hệ thống MIMO với số lượng anten lớn để đáp ứng đòi hỏi mặt tốc độ đồng thời khai thác hết tiềm vốn có hệ thống truyền dẫn vô tuyến Trên sở nội dung nghiên cứu đạt luận văn em xin chọn hướng nghiên cứu tiếp nghiên cứu công nghệ MIMO cỡ lớn áp dụng cho mạng viễn thông vô tuyến 5G ... vấn đề dung lượng, tốc độ liệu, hiệu sử dụng phổ vùng phủ Nhận thấy tầm quan trọng kỹ thuật MIMO thông tin vô tuyến nên em chọn đề tài Nghiên cứu kỹ thuật MIMO khảo sát dung lượng kênh MIMO ... phát đầu thu, kỹ thuật ghép kênh không gian, kỹ thuật tạo búp sóng vấn đề quan tâm truyền dẫn MIMO dung lượng hiệu hệ thống Qua nội dung nghiên cứu chương thấy việc áp dụng kỹ thuật cho phép... chậm, kênh MIMO NtxNr có dung lượng thể tăng tuyến tính theo số anten phát thu đạt đến r = Min(Nt,Nr) lần dung lượng kênh SISO Trên sở lý thuyết nghiên cứu chương luận văn, chương khảo sát dung lượng