Báo cáo kỹ thuật mimo

Báo cáo kỹ thuật mimo

TRƯỜNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Đề tài: KỸ THUẬT MIMO GVHD: Phạm Minh Quang Nhóm TP Hồ Chí Minh-Tháng 5/2017 [1] MỤC LỤC I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MIMO I.1 Khái niệm I.2 Lịch sử phát triển .2 I.3 Các dạng cấu hình anten thu-phát I.4 Ưu điểm, Nhược điểm .5 II KỸ THUẬT PHÂN TẬP 2.1 Khái niệm 2.2.1.1 III Phân loại ĐỘ LỢI TRONG HỆ THỐNG MIMO 3.1 Độ lợi Beamforming 3.2Độ lợi ghép kênh không gian 3.3Độ lợi phân tập 10 IV.ỨNG DỤNG 4.1 Kỹ thuật MIMO-OFDM ứng dụng hệ thống thông tin không dây 10 4.1.1 Hệ thống MIMO-OFDM 10 4.1.2 Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti .11 4.1.3 Hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST 11 4.1.4 Hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST 12 4.2 MIMO LTE 12 4.2.1 SU-MIMO LTE 13 4.2.2 MIMO đa người dùng- MU MIMO .15 V KẾT LUẬN VI TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MIMO 1.1 Khái niệm - MIMO (Multiple Input Multiple Output) - MIMO kỹ thuật sử dụng đồng thời nhiều anten máy phát máy thu để truyền nhận liệu - MIMO hệ thống thông tin không dây 1.2 Lịch sử phát triển Các hệ thống thông tin không dây nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng chống lại tượng đa đường Đối với hệ thống thông tin, chất lượng tín hiệu cải thiện cách tăng cơng suốt, tăng dung lượng truyền tăng băng thông Tuy nhiên cơng suất tăng đến mức giới hạn cơng suất tăng gây nhiễu cho hệ thống thơng tin xung quanh việc phân bố Vì để tăng suất chất lượng người ta cậy vào kỹ thuật truyền phát xử lý tín hiệu Hệ thống MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập phía phát phía thu mà khơng cần tăng cơng suất phát băng thông hệ thống Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell xin cấp sang chế việc sử dụng đa anten hệ thống vô tuyến Năm 1985 đồng nghiệp Jack Winters Jack Salz xuất cơng trình MIMO dựa nghiên cứu Jack Winters Từ năm 1986 đến 1995 có nhiều báo MIMO đưa Năm 1996, làm việc trường đại học Stanford, Greg Raleigh VK jones khám phá tượng phản xạ đa đường hệ thống vô tuyến va chạm với vật tạo nhiều kênh truyền ảo riêng lẻ 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[3] BLAST (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến sử dụng công nghệ MIMO Năm 1998, P.W.Wolniansky đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đưa kỹ thuật V-BLAST (VerticalBell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng phổ lần khoảng 20-40 bps/Hz Siavash M.Alamouti đưa sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng anten phát anten thu, sơ đồ đưa phương pháp áp dụng cho M anten thu để có độ lợi 2M Năm 2003, Airgo tung chip MIMO Năm 2004, IEEE lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa hệ thống MIMO kết hợp kỹ thuật OFDM Năm 2006, TGn đưa nháp 802.11n để thảo luận sửa chữa 1.3 Các dạng cấu hình anten thu-phát Các mơ hình hệ thống thơng tin khơng dây phân loại thành hệ thống gồm: SISO (Single Input Single Output) SIMO (Single Input Multiple Output) MISO (Multiple Input Single Output) MIMO (Multiple Input Multiple Output) 1.3.1 Hệ thống SISO Hình 1 Hệ thống SISO Hệ thống SISO hệ thống thông tin không dây truyền thống sử dụng anten phát anten thu Máy phát máy thu có cao tần điều chế, giải điều chế Hệ thống SISO thường dùng phát phát hình, kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân Wi-Fi hay [4] Bluetooth Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu nhiễu xác định theo công thức Shanon: C  log2 (1  SNR) bit/ s/ Hz 1.3.2 Hệ thống MISO Hình 1.2 Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát anten thu gọi hệ thống MISO Hệ thống cung cấp phân tập phát thơng qua kỹ thuật Alamouti từ cải thiện lượng tín hiệu sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát vùng bao phủ Khi máy phát biết thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten phát xác định gần theo công thức: C  log2 (1  N.SNR) bit/ s/ Hz 1.3.3 Hệ thống SIMO Hình 1.3 Hệ thống SIMO Hệ thống sử dụng anten phát nhiều anten thu gọi hệ thống SIMO Trong hệ thống máy thu lựa chọn kết hợp tín hiệu từ [5] anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu nhiễu thông qua giải thuật beamforming MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten thu, tính theo cơng thức: C  log2 (1  M.SNR) bit/ s/ Hz 1.3.4 Hệ thống MIMO Hình 1.4 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 công suất, triệt can nhiễu Ngồi dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp kỹ thuật mã hố khơng 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 1.4 Ưu điểm, Nhược điểm Ưu điểm: - Có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng nhu cầu dung lượng [6] - 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: - HT 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 mơi trường vô tuyến nên hệ thống MIMO có lợi - I 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 KỸ THUẬT PHÂN TẬP 2.1 Khái niệm Phân tập: Là kỹ thuật giúp cho phía thu (MS,BTS) cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ nguồn phát Phân tập thực MS BTS tùy công nghệ 2.2 Phân loại Kỹ thuật phân tập: - Phân tập tần số - Phân tập thời gian [7] - Phân tập không gian 2.2.1 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 2.1 Phân tập thời gian Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu Fading không dùng xen kênh, dùng xen kênh từ mã ký tự ta phục hồi lại từ ký tự bị ảnh hưởng Fading 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 [8] = (2.1) 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 môi trường Fading nhanh, thời gian quán kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền Fading chậm xen kênh nhiều dẫn đến trì hỗn đáng kể 2.2.2 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 2.2.3 Phân tập khơng gian Phân tập khơng gian gọi phân tập anten Phân tập không gian sử dụng phổ biến truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập khơng gian sử dụng nhiều anten chuỗi array xếp không gian phía phát phía thu Các anten phân chia khoảng cách đủ lớn, cho tín hiệu không tương quan với Yêu cầu khoảng cách [9] 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 khơng tương quan với Trong phân tập khơng 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 II ĐỘ LỢI TRONG HỆ THỐNG MIMO 3.1 Độ lợi Beamforming Hình Kỹ thuật 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 khơng 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 mơi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO cung cấp độ lợi ghép kênh không gian độ lợi phân tập 3.2 Độ lợi ghép kênh khơng gian [10] Hình 3.2 Ghép kênh không gian 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 2.3), 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 SpaceTime) áp dụng 3.3 Độ lợi phân tập Hình Phân tập khơng gian cải thiện SNR Trong truyền dẫn vơ tuyến, mức tín hiệu ln 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 (hinh 2.4), 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 [11] (Space-Time 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 III ỨNG DỤNG 4.1 Kỹ thuật MIMO-OFDM ứng dụng hệ thống thông tin không dây 4.1.1 Hệ thống MIMO-OFDM Cấu trúc máy thu phát hệ thống MIMOOFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát NR anten thu 4.1.2 Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti [12] 4.1.3 Hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST Khối mã hóa STC trường hợp S/P chia luồng liệu lớn thành NT luồng liệu nhỏ, sau NT luồng đưa vào NT phát OFDM 4.1.4 Hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST [13] 4.2 MIMO LTE Như biết , để đạt yêu cầu tốc độ, chất lượng dịch vụ LTE, phải sử dụng công nghệ MIMO Phần tập trung vào MIMO đơn người dùng bao gồm mơ hình truyền dẫn SU – MIMO, xử lý tín hiệu số đường xuống Và trình bày MIMO đa người dùng LTE, MU – MIMO 4.2.1 SU-MIMO LTE Mơ hình truyền SU-MIMO tổng qt cho trường hợp truyền dẫn vòng kín mơ tả hình vẽ Hình 2.1: Mơ hình truyền dẫn SU-MIMO tổng qt 4.2.1.1 Xử lý tín hiệu số SU – MIMO đường từ eNodeB đến đầu cuối di động 4.2.1.1.1 Quá trình xử lý tín hiệu số phía phát Ghép kênh khơng gian vòng kín với L lớp với P anten phát (P ≥ L) minh họa hình sau: [14] Hình 2.2 : Xử lý tín hiệu SU – MIMO vòng kín phía phát 4.2.1.2 Q trình xử lý tín hiệu số phía thu Nguyên lý khử nhiễu sau Trước hết, máy thu giải điều chế giải mã số tín hiệu ghép khơng gian Sau số liệu sau giải mã, giải mã đúng, mã hóa lại tín hiệu thu trừ số liệu để loại bỏ Sau tín hiệu ghép khơng gian thứ hai giải điều chế giải mã mà không bị nhiễu ( trường hợp lý tưởng) tín hiệu thứ giải mã đúng, mã hóa lại loại bỏ khỏi tin hiệu thu [15] lại trước giải điều chế giải mã tín hiệu thứ Quá trình lặp lại nhiều lần tất tín hiệu ghép khơng gian giải điều chế giải mã 4.2.2 MIMO đa người dùng- MU MIMO Hình vẽ trình bày mơ hình MU-MIMO với tạo búp dựa bảng mã cho nhiều UE sử dụng tài nguyên thời gian, tần số Trong phiên đầu 4G, có chế độ sử dụng cho MU-MIMO TM5 ( Transmission Mode 5: Chế độ truyền dẫn số 5) Khi lập cấu hình TM5, UE coi truyền dẫn đường xuống eNodeB thực kênh chia sẻ luồng ( lớp) Đối với truyền dẫn cửa anten luồng số liệu (L=2) phát đồng thời đến UE tài nguyên thời gian tần số với tiền mã hóa sử dụng theo bảng mã cho bảng cho Rank-1 dựa vào phản hồi từ UE V KẾT LUẬN Báo cáo trình bày cách tổng quan kĩ thuật MIMO Các kỹ thuật phân tập sử dụng hệ thống MIMO độ lợi hệ thống Ứng dụng MIMO với hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng MIMO LTE VI TÀI LIỆU THAM KHẢO [16] TS Phan Hồng Phương, KS.Lâm Chi Thương (2007), Kỹ thuật phân tập anten cải thiện dung lượng hệ thống MIMO-OFDM, http://www.ebook.edu.vn I.E Telatar (1999), “Capacity of multiantenna Gaussianchannels,” European Transactions on Telecommunications, vol.10, no.6, pp.585–595, November/December Nguyen Tuan Duc, MIMO - MIMO OFDM Techniques: State of Art and Future, PhD student, IRISA/Universite de Rennes Luận văn thạc sĩ KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY Phạm Minh Triết Luận văn tốt nghiệp Ngô Văn Hơn www.dientuvienthong.net Diễn đàn vntelecom.org Và từ số nguồn khác Internet [17] ... hồi từ UE V KẾT LUẬN Báo cáo trình bày cách tổng quan kĩ thuật MIMO Các kỹ thuật phân tập sử dụng hệ thống MIMO độ lợi hệ thống Ứng dụng MIMO với hệ thống MIMO- OFDM ứng dụng MIMO LTE VI TÀI LIỆU... DỤNG 4.1 Kỹ thuật MIMO- OFDM ứng dụng hệ thống thông tin không dây 4.1.1 Hệ thống MIMO- OFDM Cấu trúc máy thu phát hệ thống MIMOOFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát NR anten thu 4.1.2 Hệ thống MIMO- OFDM... Hệ thống MIMO- OFDM 10 4.1.2 Hệ thống MIMO- OFDM Alamouti .11 4.1.3 Hệ thống MIMO- OFDM V_BLAST 11 4.1.4 Hệ thống MIMO- OFDM V_BLAST 12 4.2 MIMO LTE 12 4.2.1 SU -MIMO LTE 13 4.2.2 MIMO đa