Kỹ thuật mimo cho hệ thống thông tin di động 4g

bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - Trần quốc thuận Kỹ thuật mimo cho hệ thống thông tin di động 4g Chuyên ngành: điện tử -viễn thông luận văn thạc sĩ kỹ thuật Người hướng dẫn khoa học: pgs.ts đào ngọc chiến Hà nội 2012 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G LI CAM OAN Tụi xin cam oan s liu v kt qu nghiờn cu lun l kt qu nghiờn cu trung thc v cha tng c s dng bo v mt hc v no Tụi xin cam oan rng, mi s giỳp cho vic thc hin lun ny ó c cm n v thụng tin trớch dn lun ó c ghi rừ ngun gc Tỏc gi lun Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G THUT NG VIT TT V CC Kí HIU 3G Third Mobile H thng thụng tin di ng th h ba Generation Communications System 3GPP 3rd Generation Partnership Project ỏn ca cỏc i tỏc th h ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project ỏn th ca cỏc i tỏc th h ba 4G Fourth Mobile H thng thụng tin di ng th h Generation Communication System bn ACI Adjacent - Chanel Interference Nhiu kờnh lin k AMPS Advanced Mobile Phone System H thng in thoi D tiờn tin ARQ Automatic Repeat reQuest Yờu cu phỏt lp t ng AWGN Additive White Gaussian Noise Tp õm Gauss trng cng BER T s bit li Bit Error Rate BLAST Bell Labs Layered Space-time Kin trỳc khụng gian thi gian phõn lp ca phũng thớ nghim Bell architecture BPSK Binary Phase Shift Keying iu ch khúa dch pha hai trng Modulation thỏi CCI Co channel Interference Nhiu ng kờnh CSI Channel State Information Thụng tin trng thỏi kờnh CDF Cumulative Distribution Function Hm phõn b tớch ly CDMA Code Division Multiple Access D- Diagonal-Bell-Labs a truy nhp phõn chia theo mó Layered Mó khụng gian thi gian phõn lp phũng thớ nghiờm Bell theo ng BLAST Space-Time chộo To bỳp da trờn phng ti DOA Direction Of Arrival E- Enhanced General Packet Radio Dch v vụ tuyn gúi tng hp ci GPRS Service tin E-RAN Evolved Radio Access Network Mng truy nhp vụ tuyn mt t Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G phỏt trin Universal Terrestrial Mng truy nhp vụ tuyn mt t E- Enhanced UTRA Radio Access Network ton cu tng cng FEC Forward Error Correction Hiu chnh li trc FDMA Frequency N Division Multiple a truy nhp phõn chia theo tn s Access GERA GSM EDGE Radio Access Network Mng truy nhp vụ tuyn GSM N EDGE GPRS General Packet Radio Service Dch v vụ tuyn gúi tng hp HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yờu cu phỏt li t ng lai ghộp HSDP High A Access cao HSPA High Speed Packet Access Truy cp gúi tc cao HSUP High Speed Uplink Packet Access Truy cp gúi ng lờn tc cao Speed Packet Truy cp gúi ng xung tc Downlink A Access System mobility Ký hiu cho qun lý di ng gia Inter Inter AS Management cỏc h thng truy nhp IMS IP Multimedia Subsystem H thng a phng tin IP IMT International MM Mobile Thụng tin di ng quc t Telecommunication ISI Inter Symbol Interference Nhiu gia cỏc ký hiu LTE Long Term Evolution Phỏt trin di hn MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiu u v nhiu u MBMS Multimedia Broadcast Multicast Dch v qung bỏ a phng tin Service ML Maximum Likelihood Kh ging cc i MISO Multiple Input Single Output Nhiu u vo mt u MME Mobility Management Entity Thc th qun lý di ng Trn Quc Thun MMSE K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G Sai li bỡnh phng trung bỡnh cc Minimum Mean Square Error tiu MRC Maximum Ratio Combiner Kt hp t l cc i MRRC Maximum Ratio Receive Combiner Kt hp thu t l cc i MS Mobile Station Trm gc NACK Not Acknowledge Khụng cụng nhn nhn OFDM Orthogonal PCRF Division Ghộp kờnh phõn chia theo tn s Frequency Multiplexing trc giao Polcy and Charging Rules Function Chc nng cỏc qui tc tớnh cc v chớnh sỏch PSK Phase Shift Keying iu ch dch phase QAM Quadrature Amplitude Modulation iu ch biờn cu phng QPSK Quadrature Phase Shift Keying iu ch khúa dch pha cu phng Modulation QoS Quality of Service Cht lng dch v RX Receiver Mỏy thu SAE System Architecture Evolution Phỏt trin kin trỳc h thng SE Spectrum Efficiency Hiu sut ph tn SER Symbol Error Rate T l li ký hiu SIR Signal to Interference Ratio T s tớn hiu trờn nhiu SINR Signal to Interference plus Noise T s tớn hiu trờn nhiu cng Ratio õm SM Spatial Multiplexing Ghộp kờnh khụng gian SNR Signal to Noise Ratio T s tớn hiờu trờn õm SISO Single Input Single Output Mt u vo mt u STBC Space Time Block Code Mó khụng gian thi gian STC Space Time Coding Mó hoỏ thi gian khụng gian SVD Singular Value Decomposition Phõn chia giỏ tr n SSDT Site Selection Diversity Truyn dn phõn la chn trm Transmission Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G TD- Time Division-Synchronous Code a truy nhp phõn chia theo mó SDMA Division Multiple Access ng b - phõn chia theo thi gian TX Transmitter Mỏy phỏt UE User Equipment Thit b ngi s dng ULA Uniform Linear Array Mng anten tuyn tớnh ng nht UMTS Universal Mobile H thng thụng tin di ng ton cu Telecommunications System URA Uniform Rectangular Array Mng anten ch nht ng nht UPE User Plan Entity Thc th mt phng ngi s dng UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhp vụ tuyn UMTS UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Mng truy nhp vụ tuyn UMTS N V- Vertical-Bell-Labs Layered Space- Mó khụng gian thi gian phõn lp BLAST Time phũng thớ nghiờm Bell theo chiu ng WCD Wideband Code Division Multiple a truy nhp phõn chia theo mó MA Access WiMA Worldwide X Microwave Access bng rng for Kh nng tng hp ton cu i Interoperability vi truy nhp vi ba W-STC Wrapped STC Mó khụng gian thi gian qun ZF Zero Forcing ẫp buc v khụng A Biờn nh ca tớn hiu vt tri b Cỏc bớt thụng tin c phỏt bi ngun phỏt B Bng thụng tng BC Bng thụng nht quỏn Bd rng bng tn ca s liu hay thụng tin C Dung lng ES Nng lng ký hiu c Tn s trung tõm Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G h Vector kờnh hnm li kờnh gia anten phỏt th n v anten thu th m H Ma trn kờnh Gx+ Ký hiu cho Gx phỏt trin hay m rng Nr S anten thu Nt S anten phỏt Ni sõu ca b an xen mch mó húa v an xen Nb S bỳp s phỏt Nu S ngi s dng N0 Mt ph cụng sut AWGN (W/Hz) P Cụng sut Prn Paverage Xỏc sut li bớt Xỏc sut li trung bỡnh R1, R2, Tờn ca cỏc im tham kho mụ hỡnh E-UTRAN R3 Rb Tc bit rc T l mó Rtb Tc bit tng ca h thng RS Tc ký hiu RSource Tc ngun phỏt SE Dung lng tc thi Tb Thi gian bit TC Thi gian nht quỏn T Chu k ký hiu Tr{} Vt ca ma trn X Ma trn iu ch khụng gian thi gian Y Ma trn NbL ca cỏc tớn hiu thu Wx+ Ký hiu ca Wx cú thờm h tr di ng gia cỏc h thng Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G Giỏ tr trung bỡnh quõn phng ca tớn hiu thu ca tng thnh phn Gauss Cụng sut trung bỡnh theo thi gian ca tớn hiu thu ca tng thnh phn Gauss Bin ngu nhiờn ca in ỏp ng bao tớn hiu thu f Bng thụng súng mang ca h thng OFDM Tp õm Gauss phc Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G DANH MC CC BNG BIU Bng 2.1 -So sỏnh thụng s v hiu sut s dng bng tn gia E- UTRAN trờn ng xung v HSDPA 34 Bng 2.2 -So sỏnh thụng s bv hiu sut s dng bng tn gia E- UTRAN trờn ng lờn v HSDPA .34 Bng 3.1 -Mó húa v chui ký hiu phỏt cho s phõn phỏt hai anten 60 Bng 3.2 -nh ngha cỏc kờnh gia anten phỏt v anten thu 63 Bng 3.3 -Ký hiu cỏc tớn hiu thu ti hai anten thu .63 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G DANH MC CC HèNH V Hỡnh 1.1 -Mụ hỡnh kờnh MIMO vi Nt anten phỏt v Nr anten thu .20 Hỡnh 1.2 - Mng tuyn tớnh ng dng cú nt phn t cỏch .23 Hỡnh 1.3 -Dóy truyn dn a anten .24 Hỡnh 1.4 -K thut y nc v cht ti bit N / l mt ph cụng sut õm song biờn .25 Hỡnh 1.5 -B iu ch STTD s dng mó khụng gian thi gian trc giao (OSTBC) 2x2 28 Hỡnh 2.1 -Mụ hỡnh phỏt trin ca mng TTD t 2G tr i 30 Hỡnh 2.2 -Thớ d v chuyn i trng thỏi kin trỳc E- UTRAN 32 Hỡnh 2.3 -Tr mt phng U 33 Hỡnh 2.4 -Kin trỳc mụ hỡnh B1 ca E-UTRAN cho trng hp khụng chuyn mng 36 Hỡnh 2.5 -Kin trỳc mụ hỡnh B2 ca E-UTRAN ú Rh m bo chc nng chun b chuyn giao gim thi gian ngt 37 Hỡnh 2.6 -Kin trỳc mụ hỡnh E-UTRAN theo TR 23.822 .37 Hỡnh 2.7 -K hoch nghiờn cu tiờu chun E-UTRAN 38 Hỡnh 2.8 -L trỡnh phỏt trin 3GPP 38 Hỡnh 2.9 -L trỡnh phỏt trin cỏc cụng ngh thụng tin di ng lờn 4G 39 Hỡnh 3.1 -Mụ hỡnh kờnh MIMO vi Nt anten phỏt v Nr anten thu .41 Hỡnh 3.2 -Phõn chia kờnh pha inh phng MIMO thnh cỏc kờnh pha inh phng song song tng ng da trờn SVD 46 Hỡnh 3.3 -BER cho cỏc kờnh khụng gian pha inh phng iu ch BPSK AWGN 47 Hỡnh 3.4 -Mụ hỡnh SVD MIMO ti u 49 Hỡnh 3.5 -Mụ hỡnh phõn anten thu kt hp chn lc 53 Hỡnh 3.6 -Mụ hỡnh phõn anten thu kt hp t l cc i 55 Hỡnh 3.7 -MRRC hai nhỏnh 56 Hỡnh 3.8 -S phõn hai nhỏnh phỏt vi mt mỏy thu ca Alamouti .59 Hỡnh 3.9 -S phõn phỏt hai nhỏnh vi hai mỏy thu Alamouti 62 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G Cu trỳc ca mó V-BLAST cho thớ d bn anten phỏt c cho trờn hỡnh 3.13b Trong thớ d ny ký hiu c mó húa kt hp c phõn b trờn bn anten theo chiu ng V-BLAST cho phộp gim cỏc khim khuyt v phc ca D-BLAST Nguyờn lý V-BLAST hi khỏc vi D-BLAST (hỡnh 3.14b) Trong V-BLAST, mi anten phỏt i mt lung ký hiu c lp, chng hn cỏc ký hiu QAM Nhiu k thut khỏc cú th s dng ti mỏy thu phõn tỏch cỏc lung ký hiu da trờn mỏy thu tuyn tớnh nh: ZF v MMSE Quỏ trỡnh tỏch lung ký hiu V-BLAST c thc hin trờn bng cỏch kt hp mỏy thu tuyn tớnh vi loi b nhiu ln lt Trc ht cỏc ký hiu mnh (cú t s SNR cao nht) c tỏch bng cỏch s dng mỏy thu ZF (Zero Forcing: ẫp buc v khụng) hay MMSE (Minimum Mean Square Error: Sai li trung bỡnh bỡnh phng cc tiu) Sau ú cỏc tớn hiu c tỏch ny b loi lung tng bng cỏch ly lung tng ny tr i nú Sau ú tớn hiu th hai c tỏch (khi ny ch cũn Nt-2 lung gõy nhiu) v li c loi Núi chung lung c tỏch th i ch b nhiu t Nt-i lung khỏc Vỡ th mt lng ln lung nhiu ó b loi, lung tớn hiu yu c tỏch S dng trit nhiu ln lt cú th t cho phộp gim t l li khong 10 ln so vi vic ch s dng mỏy thu tuyn tớnh (tng ng gim SNR 4dB) Ngoi vic n gin, V-BLAST cũn cho phộp t c hiu sut s dng ph tn cao hn 20 bps/Hz 3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mó khụng gian thi gian qun nhau) i vi loi mó ny, s liu thụng tin c mó húa xon, sau ú cỏc t mó c x lý nh mt lp v c phõn b lờn cỏc anten khỏc nh trờn hỡnh Hỡnh 3.13 -Thớ d v cu trỳc cỏc mó khụng gian thi gian phõn lp d dng cho phộp kờnh khụng gian a) D-BLAST, b) V-BLAST v c)W-STC 75 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G Hỡnh 3.14 -Tỏch lp hai s bn lp ca D-BLAST B) Mó húa VBLAST 3.6 Mụ hỡnh MIMO a ngi dựng s dng h thng truyn chuyn tip 3.6.1 Mụ hỡnh MIMO a ngi dựng vi nhiu kờnh truyn chuyn tip Xột mụ hỡnh MIMO a ngi dựng vi nhiu kờnh truyn chuyn tip sau: Relay Node User Encode W F MIMO Link User DL Signalling Optimization Fee dback User Nu MIMO BC Channel Information Hỡnh 3.15 Mụ hỡnh MIMO a ngi dựng s dng h thng truyn chuyn tip Trờn H 3.15 Ti ngun phỏt s dựng nhiu Anten truyn s liu ti nhiu User qua h chuyn tip cú nhiu anten H truyn chuyn tip ny hon ton tuyn tớnh (khụng gii mó tớn hiu thu trc truyn i) ton b quỏ trỡnh nhn v truyn tớn hiu ti cỏc User Trong mụ hỡnh ny mụi trng truyn tớn hiu l t nhiờn Trong s ny: - Ti cỏc node ngun cú Mb anten truyn 76 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G - Ti cỏc node chuyn tip cú Mr anten - Kớ hiu H1 l ma trn kờnh gia cỏc node ngun v h truyn chuyn tip - Tớn hiu truyn ti cỏc anten ca node ngun kớ hiu l u ( u l mng cú kớch thc Mb x1) Tng nng lng cỏc node ngun l Pt c rng buc bi cụng thc - Pt >> E(||u||2) (3.110) vi E l k vng tiờu chun Gi s rng h thng truyn chuyn tip ( cũn gi l h cỏc node chuyn tip) s dng ht tt c Mr anten thu v phỏt tớn hiu; b x lý tuyn tớnh tớn hiu ký hiu l W cú kớch thc Mr x Mr dựng x lý tớn hiu nhn c ti cỏc node chuyn tip - Ký hiu n1 l nhiu thu c ti cỏc node chuyn tip - Nu l s ngi s dng Gi thit rng : H cỏc node chuyn tip nhn c tớn hiu t cỏc node ngun phỏt i sau ú chuyn ti cỏc User thụng qua cỏc anten theo nguyờn tc mi anten ti h cỏc node chuyn tip ch truyn s liu cho user Ký hiu vector hi,2 kớch thc Mr x1 l li kờnh gia h cỏc node chuyn - tip v user th i - Ký hiu xi l tớn hiu vụ hng m user th i thu c - n2,i l nhiu vụ hng ti user th i - n1 l nhiu vector ti h thng cỏc node chuyn tip Cỏc thnh phn ca vector nhiu n1, n2 tuõn theo phõn b Gaussian cú giỏ tr trung bỡnh bng vi cỏc phng sai ln lt l 12 , 22 nh vy ta cú xi c tớnh nh sau: i hiT, W ( H 1u n1 ) n2,i hiT, WW1u hiT, WW1 ) n 2,i (3.111) Tớn hiu thu c ti h thng cỏc node chuyn tip c x lý bi ma trn chuyn tip W - Ký hiu ~ S WH 1u Wn1 (3.112) 77 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G - Nng lng tng truyn i ti cỏc user ti h cỏc node chuyn tip c E~ s rng buc bi cụng thc Pr (3.113) hay Tr{ ( H E (uu H ) H 1H I 12 )W H } Pr (3.114) Vi Tr {} l vt ca ma trn - Nhiu nng lng ti user th i ký hiu l: i hiT, W H hi*, 12 22 (3.115) Mụ hỡnh a ngi dựng s dng h truyn chuyn tip ny cng tng t nh cỏc kờnh phỏt qung bỏ ca MIMO nhng cú im khỏc bit gia chỳng l tn ti thờm mt nng lng Pr ca h cỏc node chuyn tip cú s rng buc cựng vi ma trn W nh mụ hỡnh 3.6.2 H thng truyn chuyn tip s dng SVD Khi s dng s SVD thc cht l thit k ma trn chuyn tip dng eigen-space ri dựng cỏc phộp bin i nhm ti u thut toỏn a ra, c th nh sau: - Ký hiu cỏc vector kờnh gia cỏc user v h cỏc node chuyn tip l ma trn H [h1, , , hN u , ]T - Ký hiu (3.116) H2 H2 (3.117) l mt phộp hoỏn v ca ma trn kờnh - t M u min{ M r , M b , N u } - Cỏc thnh phn ( M u 1) th , , M bth trờn ng ng chộo u cú giỏ tr bng ng dng lý thuyt s SVD ta cú: H G2 Q2 (3.118) H U 1 V1H (3.119) Vi G2 l ma trn na di ca ng chộo, U1,V1 l ma trn nht phõn Cỏc phn t khỏc trờn ng chộo ca ma trn s cú giỏ tr gim dn theo th t (3.120) v1 v {M b , M r } Cu trỳc mt ma trn ng chộo K l: KK H diag{k1 , , k M } (3.121) - Ma trn x lý tuyn tớnh c xỏc nh nh sau: W Q2H KU 1H (3.122) r - Ký hiu vector k [k1 , , k M r ]T 78 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G nh vy b tin mó húa FF H V1V1H (3.123) vi diag{ p1 , , p M ,0, ,0} l nng lng phỏt ca cỏc node phỏt u p [ p1 , , p M u ]T , cỏc nhiu thnh phn l : - Ký hiu i i G (i, j ) k j 12 22 (3.124) j - t d i i k i G (i, j ) nh vy SNR user th i l: i d i pi i (3.125) Do ú nng lng tng t c s SVD l: Mu R ( p, k ) log (1 i ) i Mu log i d i1 pi1 i (3.126) Rb ( p, k ) T cụng thc (3.126) ta thy Rb ( p, k ) l mc nng lng gii hn di ca nng lng tng R ( p, k ) Ngi ta chng minh c rng nng lng tng ca cỏc node chuyn tip c rng buc bi cụng thc sau : H Tr{( H FF H H H Mu I )W } k i ( i pi 12 ) (3.127) i v tc tng cc i l hm ca p v k nh sau: Mu max p ,k Rb ( p, k ) k i ( i pi 12 ) Pr ; i Mu p i Pt ; pi ; k i (3.128) i i 3.6.3 H thng truyn chuyn tip s dng Water- filling Nh trờn ó núi cỏc user c sp xp hoỏn v theo phộp hoỏn v , ngi ta chn T user u tiờn vi T M u v M u min{ M r , M b , N u } iu tng ng vi vic ly T hng ma trn kờnh H (3.118), nh vy ti cỏc node phỏt cỏc lung s liu phỏt s cú nng lng c Pt T Ngi ta chng minh c rng gii hn di ca tc tng h cỏc node chuyn tip ( hay nng lng tng ca cỏc lung s liu) l: 79 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G T Rl (k ) log (1 i( l ) ) i (3.129) Vi i(l ) l gii hn di SNR ca user th i: i( l ) ci k i (3.130) ú vi G2 (i, i) Pt / T ci hi , 2 (3.131) Pr 12 22 vi Pt / T (3.131) xy du = chớnh l gii hn di ca tng dung lng ca h thng v t s SNR ca user th i l: i vi k i G2 (i, i ) Pt / T vi vi k i G2 (i, i ) Pt / T hi , 2 (3.132) Pr 12 22 vi Pt / T 12 3.6.3 Thut toỏn tỡm kim cỏc user cú li kờnh l tt nht: Khi s lng ngi s dng Nu l ln hay Mu ln nh vy thi gian phi tr giỏ cho vic tỡm kim, hoỏn v cỏc user ny cng phi tng, ú vic tớnh toỏn ci (3.129) gp khú khn hn vỡ vy ngi ta a thut toỏn sau nhm sa li (3.129) v vic la chn cỏc user da vo gii hn di SNR ca cỏc user th i (3.128) cng ti u hn: + Ký hiu u {1,2, , N } l hp cỏc u thut toỏn nh sau: Khi to: + Gỏn n=1 + tớnh hu , r1,u hu , 2 Pr 12 22 v i Pt / M u 80 user, t õy ta xỏc nh c Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G s1 arg max tỡm user th si tha r1,u uU + Gỏn S1 {s1 } Chng no n M u lm cỏc vic sau: + Tng n lờn 1: n = n+1 + Chiu cỏc vector kờnh cũn li lờn ta trc giao ta c ma trn hỡnh chiu l Pn I M H ( S n1 ) H ( H ( S n1 ) H (S n1 ) H ) H ( S n1 ) r (3.133) ú I M l ma trn nhn dng ca cỏc vector kờnh cú kớch thc Mr x Mr v kớ r hiu H2(Sn-1) l ma trn hng rỳt gn ca vector kờnh ca cỏc user sau n-1 bc la chn u tiờn: H ( S n1 ) [hs ,2 , , hs ,2 ]T n1 + Gỏn (3.134) hT P n, u u n + Tỡm user Sn tha món: s n arg max uU \ Sn1 hu , n, u Pr 12 v n Pt / M u 12 (3.135) 2 + Gỏn S n S n1 {sn } õy l thut toỏn dựng la chn mt nhúm s Mu ngi s dng cú li kờnh l tt nht Nh võy cú th núi thut toỏn ny nhm (cú ý ngha ) tớnh toỏn tc tng gn dn ti tng dung lng kờnh ca mụ hỡnh MIMO 3.7 Mụ hỡnh MIMO s dng b chuyn i kt hp hai s ghộp kờnh v phõn Trong mụ phng ny ngi ta dựng phng phỏp chuyn mch gia ghộp kờnh khụng gian (SM) v phõn Mụ phng gm cú: 81 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G - Mt kờnh truyn MIMO gm Mt anten phỏt v Mr anten thu, ti phớa phỏt cú b iu ch khụng gian thi gian b ny dựng ỏnh x cỏc bit thnh cỏc t mó khụng gian thi gian (space time codeword) - Ma trn chuyn mch kờnh H cú kớch thc Mr x Mt; ct th k ca H l cỏc h s phc vụ hng ca anten truyn th k ti cỏc anten thu - Ti phớa thu cú b iu ch khụng gian thi gian dựng c lng kờnh truyn v s quyt nh thu lung bit no - B iu ch khụng gian thi gian ỏnh x tun t cỏc bit ti Mt x vector ký hiu b(r )tRo1 s(t )Tt o1 - Lung mó húa ký t ti anten th k l Sk(t) - Tc trung bỡnh hay hiu sut ph tn l ca mó húa l R/T bits/Hz, vi R l s bit c truyn chu k T ký hiu - Gi s bng thụng truyn nh hn bng thụng c nh ca h thng ( di T ký hiu trờn chu k truyn nh hn chu k c nh ca h thng) - Vector tớn hiu thu sau lc, ly mu l: y (t ) E s H s (t ) v (t ), t 0,1, , T (3.136) ú v(t) l vector cú kớch thc Mr x vi cỏc thnh phn phc i xng, c (0, ( N / 2) I M r ) lp cú phõn b Gaussian trng cng, hm phõn b - Es l nng lng trung bỡnh ca mi ký hiu; T l di Chỳng ta xem xột v dũ tỡm theo mó kh ging cc i (Maximum-likelihood) dũ tỡm c xỏc xut nhng t mó b li - Khong cỏch cc tiu quõn phng Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) l: T d ( H ) : H ( s ( m ) (t ) s ( k ) (t )) m k t - iu kin xỏc sut li l: 82 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G Es Pr error | H ( r 1)Q d ( H ) 2N0 ( 3.137) Hỡnh 3.16 Mụ hỡnh MIMO tng quỏt s dng b iu ch v gii iu ch mó khụng gian thi gian Bõy gi ta tớnh khong cỏch cc tiu quõn phng Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) cho trng hp: ghộp kờnh v phõn - Khong cỏch cc tiu bỡnh phng Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) s ghộp kờnh: Hỡnh 3.18 S s ghộp kờnh khụng gian thi gian MIMO Trong mụ hỡnh ny, mi chu k ký hiu ri rc v thi gian c gii mó bng nhiu b ghộp kờnh Mt, ký hiu phc sk Mk o1 vi b cõn bng t Mt c sp xp theo c ch dng ngn xp (stack) cú cỏc thnh phn l vector phc s, n 83 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G gin húa ta cho T=1 i vi b ghộp kờnh khụng gian thi gian; tc bit R luụn c trỡ, cỏc ký hiu vụ hng khỏc xut phỏt t chũm s cú R/Mt bit mi ký hiu R - t S sm Mt l hp chũm cỏc im vi khong cỏch cc tiu ; nh rng ta c nh R thỡ S SM S sm Mt d min,sm 2R phớa thu ta cú gii bi toỏn dũ tỡm mó kh ging cc i sau: s arg sSSM y E s Hs gii bi toỏn ny ta cú c cỏc ký hiu truyn i, cỏc t mó b li thỡ s s Khong cỏch Euclidean quõn phng gia hai t mó truyn v nhn l: Hs Hc vi s, c l hai mó truyn , s, c S SM , s c Khong cỏch Euclidean cc tiu quõn phng phớa thu l: d min, SM ( H ) : H ( s c) (3.138) s ,cS SM , s c õy d min,SM khụng phi l hm ca d min,sm m l hp chũm (trựm) cỏc khong cỏch Euclidean cc tiu S d nh vy vỡ cỏc t mó c bin i tuyn tớnh qua ma trn kờnh H Vic tớnh toỏn (6.37) s phi tớnh c S SM ( S SM 1) / vector nh vy s gp khú khn hp chũm ny rt ln ú quỏ trỡnh nghiờn cu ngi ta mong mun tỡm gii hn trờn v gii hn di khong cỏch Euclidean cc tiu ny gim btt s phc v tớnh toỏn ca nú d min, sm s c Ngi ta a tớnh c: Mt s ,cS SM , s c v: 84 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G d min, SM (H ) d min, SM ( H ) Mt Ta phi gi thit l M r d min, sm (H ) Mt (3.139) M t nu khụng thỡ v trỏi ca (6.38) s bng khụng (0) Xy du = bờn phi tn ti mt vector s-c l tớch vụ hng ca cỏc vector tng ng vi giỏ tr cc i 2max ( H ) Xy du = bờn trỏi tn ti mt vector s-c l tớch vụ hng ca cỏc vector tng ng vi giỏ tr cc tiu 2min ( H ) ng thi xy du bng c bt ng thc trờn v ch khi: 2max ( H ) 2min ( H ) lỳc ny H l ma trn n v - Khong cỏch cc tiu bỡnh phng Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) s phõn tp: Hỡnh 3.19 S phõn MIMO Cng ging nh nh mụ hỡnh ghộp kờnh khụng gian thi gian, mụ hỡnh phõn cú mt im chung l gi cỏc lung d liu t phớa anten phỏt mc ớch gim xỏc sut suy hao tớn hiu phớa cỏc anten thu cỏc t mó li gõy Mụ hỡnh mụ hỡnh phõn cú hai im khỏc bit vi mụ hỡnh ghộp kờnh ú l: 85 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G im khỏc bit th nht: Cỏc ký hiu c ỏnh x ti chũm R bits mi ký hiu c thay bng R/Mt bit cho mi ký hiu im khỏc bit thn hai: Lung cỏc ký hiu c ỏnh x dng khụng gian thi gian c phỏt i trờn cỏc anten truyn Ngi ta chng minh rng khong cỏch Euclidean cc tiu l: H Mt d , MD ( H ) 2 d min, md F (3.140) Frobenius a cụng thc sau: d , MD (H ) Mt Mr d min,md hmk Mt k m1 (3.141) hay: d , MD (H ) L 2 d min,md k ( H ) Mt k (3.142) Vi L=min (Mt , Mr) v k l giỏ tr riờng th k ca ma trn H Nhn xột: Khong cỏch cc tiu bỡnh phng Euclidean l mt c trng c bn ca kờnh truyn, c hai s ghộp kờnh v phõn thỡ hiu sut kờnh truyn ph thuc khụng nhng vo cht lng c tớnh ng truyn m cũn ph thuc cỏc b ghộp kờnh hay phõn mt h thng MIMO Trong s ghộp kờnh theo mó khụng gian thi gian (SM) cú th ci thin thụng lng hay dung lng nhng cht lng ng truyn cng gim i v ngc li s phõn s m bo cht lng ng truyn (ci thin SNR) thỡ dung lng li b hn ch Nh vy ny sinh kt hp c hai s ny vi b chuyn i s lm dung hũa hai yu t dung lng v cht lng truyn tin 86 Trn Quc Thun K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G CHNG IV KT LUN Kt lun - Nhng phn vic m lun ó lm: Trong phn li núi u lun vn: K thut MIMO cho h thng thụng tin di ng 4G ó trỡnh by: Lý chn ti, mc ớch, i tng v phm vi nghiờn cu, ý ngha khoa hc v thc tin ca ti Trong phn tng quan lun ó trỡnh by: Túm tt, phõn tớch, ỏnh giỏ cỏc cụng trỡnh nghiờn cu ó cú ca cỏc tỏc gi liờn quan mt thit n ti lun vn; lun cng nờu u, nhc im chớnh ca h thng MIMO Lun nghiờn cu xu hng phỏt trin v l trỡnh tin ti 3G v 4G ca mng thụng tin vụ tuyn trờn th gii Lun ó nghiờn cu lý thuyt trờn c s nghiờn cu mt s mụ hỡnh MIMO c xut ỏp dng vic xõy dng mng thụng tin th h 4G, ú lun trỡnh by c s lý thuyt, lý lun, cỏc cụng thc toỏn hc t ú nhn xột cho mt s mụ hỡnh ny Hng nghiờn cu tip theo: K thut ghộp kờnh phõn chia tn s trc giao OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) thuc h cỏc s truyn dn cú tờn gi l iu ch a súng mang (MC:Multicarrier) Nguyờn lý iu ch MC da trờn vic phõn chia lung s truyn tc bit cao thnh nhiu lung s cú tc bit thp hn (õy l im tng ng vi MIMO ú cú th kt hp chỳng li thnh MIMO OFDM) v iu ch mi lung bng mt súng mang riờng gi l súng mang hay tone Cỏc s iu ch MC loi b hay gim thiu nhiu gia cỏc ký hiu (ISI) bng cỏch lm cho thi gian ký hiu ln tri tr gõy kờnh truyn ch bng mt phn khụng ỏng k (