tìm hiểu về hệ thống mimo

Hà Nội, Ngày 15 tháng 12 năm 2015 ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG MIMO MỤC LỤC I: Lời giới thiệu………………………………………………… II: Khái niệm hệ thống MIMO……………………………… III: Độ lợi hệ thống MIMO…………………………………… IV: Kỹ thuật mã hố khơng gian thời gian………………… V: Ưu nhược điểm hệ thống MIMO……………………… VI: Kết luận…………………………………………………… I:LỜI GIỚI THIỆU Cùng với phát triển xã hội thông tin, nhu cầu thông tin lúc nơi ngày trở nên cần thiết Từ nhu cầu đơn giản thông tin thoại hay điện báo ban đầu, đến nhu cầu truy cập trao đổi nguồn thơng tin đa phương tiện, hình ảnh, video chất lượng cao ngày trở nên thiết Bên cạnh tốc đọ truy cập, tính di động cho phép truy cập lúc, nơi yêu cầu thiếu Các hệ thống thông tin di động hệ thứ triển khai sử dụng công nghệWCDMA (Wideband Code Divison Mutilple Access) kết hợp với giao thức truy cập tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download liệu với tốc độ lên tới 14.4Mbps Tuy nhiên, dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập với tốc độ hàng trăm Mbps chí lên tới Gbps thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều Để đáp ứng yêu cầu truyền liệu tốc độ cao hệ thứ thơng tin vơ tuyến di động, hệ thống truyền dẫn đa đầu vào, đa đầu (MIMO: ,mutilple Input Mutilple Output) lựa chọn triển vọng II: KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG MIMO Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) HInhf1 Hệ thống 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 cơng suất, triệt can nhiễu Ngồi dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền biết nơi phát thu, hệ thống cung cấp độ lợi phân tập cực cao độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trường hợp phân tập cực đại xác định theo công thức: C = log2 (1+M.N.SNR) bit/s/Hz Kỹ thuật phân tập 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 mơ 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 Điều có nghĩa khả mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng Fading mức cho trước thấp nhiều so với khả vài mẫu độc lập bị nằm mức Do vậy, cách kết hợp cách thích hợp mẫu khác dẫn tới giảm ảnh hưởng Fading tăng độ tin cậy việc phát tín hiệu Một số phương pháp phân tập sử dụng để có chất lượng mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập giới thiệu, kỹ thuật phân tập phân lớp thành phân tập thời gian, tần số phân tập không gian 1.1 Phân tập thời gian Phân tập theo thời gian thu qua mã hóa xen kênh Sau ta so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp dùng xen kênh độ lợi kênh truyền nhỏ Hình Phân tập theo thời gian Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu Fading không dùng xen kênh, dùng Phân tập thời gian đạt cách truyền liệu giống qua khe thời gian khác nhau, nơi thu tín hiệu Fading khơng tương quan với Khoảng cách thời gian yêu cầu thời gian quán kênh truyền nghịch đảo tốc độ Fading Mã điều khiển lỗi thường sử dụng hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống khơng mã hóa Trong truyền thơng di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt phân tập thời gian Trong trường hợp này, phiên tín hiệu phát đến nơi thu dạng dư thừa miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại phiên tín hiệu phát quy định thời gian xen kênh để thu Fading độc lập ngõ vào giải mã Vì tốn thời gian cho xen kênh dẫn đến trì hỗn việc giải mã, kỹ thuật thường hiệu mơi trường Fading nhanh, thời gian quán kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền Fading chậm xen kênh q nhiều dẫn đến trì hỗn đáng kể 1.2 Phân tập tần số Trong phân tập tần số, sử dụng thành phần tần số khác để phát thông tin Các tần số cần phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng fading cách độc lập Khoảng cách tần số phải lớn vài lần băng thông quán để đảm bảo fading tần số khác không tương quan với Trong truyền thông di động, phiên tín hiệu phát thường cung cấp cho nơi thu dạng dư thừa miền tần số gọi trải phổ, ví dụ trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang nhảy tần Kỹ thuật trải phổ hiệu băng thông quán kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, băng thông quán kênh truyền lớn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường nhỏ chu kỳ tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ không hiệu để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào dư thừa thông tin băng tần số 1.3 Phân tập khơng gian Phân tập khơng gian gọi phân tập anten Phân tập không gian sử dụng phổ biến truyền thơng khơng dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều anten chuỗi array xếp khơng gian phía phát phía thu Các anten phân chia khoảng cách đủ lớn, cho tín hiệu khơng tương quan với Yêu cầu khoảng cách anten tùy thuộc vào độ cao anten, môi trường lan truyền tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng đủ để tín hiệu không tương quan với Trong phân tập không gian, phiên tín hiệu phát truyền đến nơi thu tạo nên dư thừa miền không gian Không giống phân tập thởi gian tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thơng Đặc tính quan trọng truyền thông không dây tốc độ cao tương lai Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten nơi phát nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành ba loại: - phân tập anten phát (hệ thống MISO) - phân tập anten thu (hệ thống SIMO) - phân tập anten phát thu (hệ thống MIMO) 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 hồn hảo để tăng SNR tín hiệu thu làm giảm bớt Fading đa đường III.ĐỘ LỢI HỆ THỐNG MIMO Độ lợi Beamforming Beamforming 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 Beamforming, khoảng cách anten hệ thống MIMO thường nhỏ bước sóng (thơng thường ), Beamforming thường thực mơi trường tán xạ Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO cung cấp độ lợi ghép kênh khơng gian độ lợi phân tập Hình Kỹ thuật Beamforming Độ lợi ghép kênh khơng gian Hình 4: Ghép kênh không gian giúp tăng tôc độ truyền Tận dụng kênh truyền song song có từ đa anten phía phát phía thu hệ thống MIMO, tín hiệu phát độc lập đồng thời anten (hình 4), 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 Để cực đại độ lợi ghép kênh qua cực đại dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) áp dụng Độ lợi phân tập Hình 5: Khơng gian phân tập giúp cải thiện SNR Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu ln thay đổi, bị Fading liên tục theo không gian, thời gian tần số, khiến cho tín hiệu nơi thu khơng ổn định, việc phân tập cung cấp cho thu tín hiệu giống qua kênh truyền Fading khác (hinh 5), 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 (Space-Time Block Code) STTC (SpaceTime Trellis Code) áp dụng Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống Fading, ta phải có tương quan độ lợi phân tập độ lợi ghép kênh việc thiết kế hệ thống IV KỸ THUẬT MÃ HỐ KHƠNG GIAN VÀ THỜI GIAN Mã khối không gian thời gian STBC Để cải thiện chất lượng lỗi truyền dẫn nhiều anten người ta có khả kết hợp mã hóa chống lỗi với thiết kế phân tập phát Mã chống lỗi kết hợp với phương pháp phân tập vừa đạt độ tăng ích mã lại vừa có lợi từ việc phân tập, nhiên ta gặp phải vấn đề tổn thất băng thông việc dư thừa mã Chúng ta xem xét hệ thống thông tin sử dụng mã không gian thời gian băng gốc với NT antenna phát NR antenna thu hình Các liệu phát mã hóa mã hóa khơng gian thời gian Hình 6: Mơ hình hệ thống băng tần gốc Tại khoảng thời gian t, khối gồm m symbol thông tin nhị phân biểu diễn bởi: Ct = (ct1 , ct2 ctm ) Được đưa vào mã hóa khơng gian - thời gian Bộ mã hóa khơng gian thời gian ánh xạ khối liệu vào nhị phân m với NT symbol 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 symbol song song, xếp vào vectơ NT x1 cột xt = ( xt1 , xt2 xtm )T Ở T biểu thị chuyển vị ma trận, đầu song song NT đồng thời i phát NT antenna khác nhau, symbol xt , ≤ i ≤ NT phát anten i tất symbol phát khoảng thời gian T giây Vectơ symbol điều chế mã gọi symbol không gian-thời gian STBC (Space Time Block Codes) 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 q trình phát anten tồn miền thời gian Anten truyền Khe thời gian  x11   M x  T1 K O L x1 NT  ÷ M÷ xTNT ÷  Hình 7: Ma trận mã STBC Trong đó, sij symbol 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 Các định nghĩa STBC-MIMO Tỷ lệ mã: mã khối không gain thời gian định nghĩa tỷ số số symbol mà mã hóa đưa vào đầu vào số khe thời gian khối Nếu khối mã hóa k symbol tỷ lệ mã là: r= - η= Hiệu suất phổ hệ thống: rb rs mr kmbit = = / Hz B rs T sec - Độ phân tập k t Gọi từ mã là: x = x11 x12 x1NT x12 x22 x2NT xT1 xT2 xTNT từ mã khác là: x ' = x1'1 x1'2 x1' NT x2'1 x2'2 x2' NT xT'1 xT'2 xT' NT Khi đó, ta có ma trận : Nếu ma trận D có hạng đầy đủ (full rank) cho cặp từ x ≠ x’ ta đạt phân tập lớn NTNR Mã lưới không gian thời gian STTC 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 Nếu STBC xử lý độc lập khối kí tự đầu vào để tạo chuỗi vevtor mã độc lập, STTC xử lý chuỗi ký tự đầu vào để tạo chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước mã hóa Bộ mã hóa tạo vector mã cách dịch chuyển bit liệu qua ghi dịch qua K tầng tầng có k bit Một n phép cộng nhị phân với đầu vào K tầng tạo vector mã n bit cho k bit đầu vào Tại thời điểm, k bit liệu đầu vào dịch vào tầng ghi dịch, k bit tầng đầu dịch vào k bit tầng kế Mỗi lần dịch k bit liệu vào tạo vector mã n bit Tốc độ mã Rc = k/n K số tầng ghi dịch gọi constraint length mã Hình cho ta thấy rõ vector mã mã lưới phụ thuộc vào kK bit, bao gồm k bit liệu vào tần (K-1)k bit K-1 tầng cuối mã hoá, K-1 tầng cuối gọi trạng thái mã hố, có k bit liệu đầu vào mã khối ảnh hưởng tới vector mã Hình : Sơ đồ mã lưới Mã lưới biểu diễn thông qua lưới mã (code trellis) sơ đồ trạng thái (state diagram) mô tả biến đổi từ trạng thái sang trạng thái tuỳ thuộc k bit liệu đầu vào ví dụ: Bộ mã lưới k = 1, K = n = Hình : Mơ tả sơ đồ mã hoá với k=1, k=3 n=2 Lưới mã sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 n=2 Tín hiệu nhận máy thu giải mã tương quan tối đa không gian-thời gian STMLD (Space-Time Maximum Likelihood Decoder) giải mã Bộ STMLD thực thành giải thuật vector Viterbi, đường mã có metric tích luỹ nhỏ chọn chuỗi liệu giải mã Độ phức tạp giải mã tăng theo hàm mũ với số trạng thái giản đồ chòm số trạng thái mã lưới, mã STTC có bậc phân tập D truyền liệu với tốc độ R bps độ phức tạp giải mã tỉ lệ với hệ số 2R(D-1) 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 Mô hình hệ thống MIMO Đối với hệ thống đa anten gồm có NT anten phát NR anten thu Với y ∈ C biểu diễn tín hiệu nhận từ NR chiều (NR anten) x ∈ C Nr biểu diễn tín hiệu truyền NT anten n ∈ C ký hiệu nhiễu trắng Guass Nr Nt với phân bố chuẩn N (0, σ ) H ∈ C ma trận kênh truyền chứa hệ số hij, kích thước NR×NT, hij biễu diễn độ lợi kênh truyền từ anten phát j đến anten thu i N R × Nt Phương sai tín hiệu phát là: H Q = E(xx ) Với E phép tính kỳ vọng phép chuyển vị lấy liên hợp phức x Tổng công suất phát chu kì symbol P Và điều kiện ràng buộc P≥trace(Q)Trace phép toán lấy hạng ma trận Giả sử công suất phát anten P/nT Nhiễu thu biểu diễn qua vectơ n [nR, 1] Các thành phần nhiễu có phân phối Guass độc lập thống kê trung bình Phương sai tín hiệu nhiễu : Mỗi anten thu chịu công suất nhiễu Với Pr cơng suất trung bình anten, giả sử tổng công suất thu anten bẳng tổng công suất phát Pr=P Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR anten thu : SNR = Pr P = 2 σ σ - Dung lượng kênh truyền MIMO Ma trận kênh truyền H kênh truyền MIMO định trước xem bất biến suốt thời gian truyền tổng công suất phát NT P xem không đổi Theo lý thuyết tách ma trận SVD cho ma trận ta có H = UDV H Với D ma trận đường chéo với hệ số thực khơng âm có kích thước (nR x nT), U V ma trận vuông (nR x nR) (nT x nT) Các ma trận H H có tính chất trực giao: UU = I Nr VV = I Nt Các hệ số thực D d1 ≥ d2 ≥ …dN với N = min(Nt,Nr) tính H bậc hai trị riêng λ n ma trận H H Tín hiệu phía thu nhận là: H Nhân ma trận U vào hai vế phương trình ta được: r = UDV H x + U H n H H Đặt r’ = U r, x’ = x, n’ = U n Vectơ n’ có phần thực phần ảo biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình Vì kênh truyền ban đầu viết lại dạng sau: r ' = Dx ' + n H Đặt λi giá trị riêng khác H , với i = 1, 2…u Các thành phần tín hiệu nhận có dạng: H i=1, 2…u i=u+1 N Sơ đồ hệ thống tương đương: Hình 10 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành kênh truyền song song Mơ hình phân tập NT >NR Mơ hình phân tập Nt< Nr Giả sử công suất phát anten mơ hình tương đương MIMO P/NT Chúng ta tính dung lượng kênh truyền tổng cộng qua công thức Shannon: u C = B ∑ log (1 + i =1 Pri σ ) C tổng dung lượng kênh truyền B băng thông kênh truyền đơn Pr công suất tín hiệu nhận kênh truyền đơn i Pri = λi P NT Vì dung lượng tổng cộng viết lại sau: u C = B ∑ log (1 + i =1 Hay : λi P ) NT σ u C = B log ∏ (1 + i =1 λi P ) NT σ V Ưu ,nhược điểm hệ thống MIMO Ưu điểm - Có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng nhu cầu dung lượng - Khắc phục nhược điểm truyền đa đường để tăng dung lượng chất lượng truyền dẫn - Trong hệ thống MIMO, phađinh ngẫu nhiên trải trễ sử dụng để tăng thông lượng - Các hệ thống MIMO cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng băng thông công suất Nhược điểm - Hệ thống MIMO chứa nhiều anten dẫn đến: tăng độ phức tạp, thể tích, giá thành phần cứng so với SISO - Vì điều kiện kênh phụ thuộc vào môi trường vô tuyến nên hệ thống MIMO có lợi Khi tồn đường truyền thẳng (LOS), cường độ trường LOS cao máy thu dẫn đến hiệu dung lượng hệ thống SISO tốt hơn, dung lượng hệ thống MIMO lại giảm Lý đóng góp mạnh LOS dẫn đến tương quan anten mạnh điều làm giảm ưu điểm sử dụng hệ thống MIMO VI Kết Luận Công nghệ MIMO cho phép hệ thơng tin đạt dung cao kết nối tin cậy hệ có Hệ MIMO việc sử dụng nhiều anten máy phát máy thu, biến nhược điểm việc truyền đa đường thành ưu Hệ MIMO cho ta dung tăng tuyến tính với số anten mà hệ sử dụng, mà không cần tăng độ rộng băng thông hay công suất phát Hệ MIMO có ưu điểm mạnh mặt phân tập so với hệ khơng dây có, tốc độ hệ MIMO tăng ta sử dụng mã không gian_ thời gian với điều kiện khoảng cách anten đủ môi trường fading phong phú THE END ... HInhf1 Hệ thống 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. .. tốc độ cao hệ thứ thông tin vô tuyến di động, hệ thống truyền dẫn đa đầu vào, đa đầu (MIMO: ,mutilple Input Mutilple Output) lựa chọn triển vọng II: KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG MIMO Hệ thống MIMO (Multiple... thiệu………………………………………………… II: Khái niệm hệ thống MIMO …………………………… III: Độ lợi hệ thống MIMO ………………………………… IV: Kỹ thuật mã hố khơng gian thời gian………………… V: Ưu nhược điểm hệ thống MIMO …………………… VI: Kết luận……………………………………………………