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

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội  - TrÇn quèc thuËn 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 ngäc chiÕn Hµ néi – 2012 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn kết nghiên cứu trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan rằng, giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 3G Third Mobile Hệ thống thông tin di động hệ ba Generation Communications System 3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án đối tác hệ ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project Đề án thứ đối tác hệ ba 4G Fourth Mobile Hệ thống thông tin di động hệ Generation Communication System bốn ACI Adjacent - Chanel Interference Nhiễu kênh liền kề AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại DĐ tiên tiến ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BER Tỷ số bit lỗi Bit Error Rate BLAST Bell Labs Layered Space-time Kiến trúc không gian thời gian phân lớp phịng thí nghiệm Bell architecture BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha hai trạng Modulation thái CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy CDMA Code Division Multiple Access D- Diagonal-Bell-Labs Đa truy nhập phân chia theo mã Layered Mã khơng gian thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo đường BLAST Space-Time chéo Tạo búp dựa phương tới DOA Direction Of Arrival E- Enhanced General Packet Radio Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp cải GPRS Service tiến E-RAN Evolved Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G phát triển Universal Terrestrial Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất E- Enhanced UTRA Radio Access Network toàn cầu tăng cường FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FDMA Frequency N Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access GERA GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM N EDGE GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động lai ghép HSDP High A Access cao HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao HSUP High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói đường lên tốc độ cao Speed Packet Truy cập gói đường xuống tốc độ Downlink A Access System mobility Ký hiệu cho quản lý di động Inter Inter AS Management hệ thống truy nhập IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống đa phương tiện IP IMT International MM Mobile Thông tin di động quốc tế Telecommunication ISI Inter Symbol Interference Nhiễu ký hiệu LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu nhiều đầu MBMS Multimedia Broadcast Multicast Dịch vụ quảng bá đa phương tiện Service ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào đầu MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động Trần Quốc Thuận MMSE Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G Sai lỗi bình phương trung bình cực Minimum Mean Square Error tiểu MRC Maximum Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ cực đại MRRC Maximum Ratio Receive Combiner Kết hợp thu tỉ lệ cực đại MS Mobile Station Trạm gốc NACK Not Acknowledge Không công nhận nhận OFDM Orthogonal PCRF Division Ghép kênh phân chia theo tần số Frequency Multiplexing trực giao Polcy and Charging Rules Function Chức qui tắc tính cước sách PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch phase QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cầu phương Modulation QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RX Receiver Máy thu SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SINR Signal to Interference plus Noise Tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tạp Ratio âm SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu tạp âm SISO Single Input Single Output Một đầu vào đầu STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space Time Coding Mã hố thời gian khơng gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn SSDT Site Selection Diversity Truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm Transmission Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G TD- Time Division-Synchronous Code Đa truy nhập phân chia theo mã SDMA Division Multiple Access đồng - phân chia theo thời gian TX Transmitter Máy phát UE User Equipment Thiết bị người sử dụng ULA Uniform Linear Array Mảng anten tuyến tính đồng UMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu Telecommunications System URA Uniform Rectangular Array Mảng anten chữ nhật đồng UPE User Plan Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụng UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhập vô tuyến UMTS UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến UMTS N V- Vertical-Bell-Labs Layered Space- Mã không gian thời gian phân lớp BLAST Time phịng thí nghiêm Bell theo chiều đứng WCD Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã MA Access WiMA Worldwide X Microwave Access băng rộng for Khả tương hợp toàn cầu đối Interoperability với truy nhập vi ba W-STC Wrapped STC Mã không gian thời gian quấn ZF Zero Forcing Ép buộc không A Biên độ đỉnh tín hiệu vượt trội b Các bít thơng tin phát nguồn phát B Băng thông tổng BC Băng thông quán Bd Độ rộng băng tần số liệu hay thông tin C Dung lượng ES Năng lượng ký hiệu ƒc Tần số trung tâm Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G h Vector kênh hnm Độ lợi kênh anten phát thứ n anten thu thứ m H Ma trận kênh Gx+ Ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng Nr Số anten thu Nt Số anten phát Ni Độ sâu đan xen mạch mã hóa đan xen Nb Số búp phát Nu Số người sử dụng N0 Mật độ phổ công suất AWGN (W/Hz) P Công suất Prn Paverage Xác suất lỗi bít Xác suất lỗi trung bình R1, R2, Tên điểm tham khảo mơ hình E-UTRAN R3 Rb Tốc độ bit rc Tỷ lệ mã Rtb Tốc độ bit tổng hệ thống RS Tốc độ ký hiệu RSource Tốc độ nguồn phát SE Dung lượng tức thời Tb Thời gian bit TC Thời gian quán T Chu kỳ ký hiệu Tr{} Vết ma trận X Ma trận điều chế không gian thời gian Y Ma trận NbL tín hiệu thu Wx+ Ký hiệu Wx có thêm hỗ trợ di động hệ thống Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G  Giá trị trung bình quân phương tín hiệu thu thành phần Gauss 2 Cơng suất trung bình theo thời gian tín hiệu thu thành phần Gauss  Biến ngẫu nhiên điện áp đường bao tín hiệu thu ∆f Băng thơng sóng mang hệ thống OFDM η Tạp âm Gauss phức Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 -So sánh thông số hiệu suất sử dụng băng tần E- UTRAN đường xuống HSDPA 34 Bảng 2.2 -So sánh thông số bvà hiệu suất sử dụng băng tần E- UTRAN đường lên HSDPA .34 Bảng 3.1 -Mã hóa chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tạp phát hai anten 60 Bảng 3.2 -Định nghĩa kênh anten phát anten thu 63 Bảng 3.3 -Ký hiệu tín hiệu thu hai anten thu .63 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát Nr anten thu .20 Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách .23 Hình 1.3 -Dãy truyền dẫn đa anten .24 Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước chất tải bit   N / mật độ phổ công suất tạp âm song biên .25 Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) 2x2 28 Hình 2.1 -Mơ hình phát triển mạng TTDĐ từ 2G trở 30 Hình 2.2 -Thí dụ chuyển đổi trạng thái kiến trúc E- UTRAN 32 Hình 2.3 -Trễ mặt phẳng U 33 Hình 2.4 -Kiến trúc mơ hình B1 E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng 36 Hình 2.5 -Kiến trúc mơ hình B2 E-UTRAN Rh đảm bảo chức chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 37 Hình 2.6 -Kiến trúc mơ hình E-UTRAN theo TR 23.822 .37 Hình 2.7 -Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN 38 Hình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP 38 Hình 2.9 -Lộ trình phát triển cơng nghệ thơng tin di động lên 4G 39 Hình 3.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát Nr anten thu .41 Hình 3.2 -Phân chia kênh pha đinh phẳng MIMO thành kênh pha đinh phẳng song song tương đương dựa SVD 46 Hình 3.3 -BER cho kênh không gian pha đinh phẳng điều chế BPSK AWGN 47 Hình 3.4 -Mơ hình SVD MIMO tối ưu 49 Hình 3.5 -Mơ hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc 53 Hình 3.6 -Mơ hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại 55 Hình 3.7 -MRRC hai nhánh 56 Hình 3.8 -Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với máy thu Alamouti .59 Hình 3.9 -Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti 62 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G Cấu trúc mã V-BLAST cho thí dụ bốn anten phát cho hình 3.13b Trong thí dụ ký hiệu mã hóa kết hợp phân bố bốn anten theo chiều đứng V-BLAST cho phép giảm khiểm khuyết phức tạp D-BLAST Nguyên lý V-BLAST khác với D-BLAST (hình 3.14b) Trong V-BLAST, anten phát luồng ký hiệu độc lập, chẳng hạn ký hiệu QAM Nhiều kỹ thuật khác sử dụng máy thu để phân tách luồng ký hiệu dựa máy thu tuyến tính như: ZF MMSE Quá trình tách luồng ký hiệu V-BLAST thực cách kết hợp máy thu tuyến tính với loại bỏ nhiễu Trước hết ký hiệu mạnh (có tỷ số SNR cao nhất) tách cách sử dụng máy thu ZF (Zero Forcing: Ép buộc không) hay MMSE (Minimum Mean Square Error: Sai lỗi trung bình bình phương cực tiểu) Sau tín hiệu tách bị loại khỏi luồng tổng cách lấy luồng tổng trừ Sau tín hiệu thứ hai tách (khi Nt-2 luồng gây nhiễu) lại loại… Nói chung luồng tách thứ i bị nhiễu từ Nt-i luồng khác Vì khối lượng lớn luồng nhiễu bị loại, luồng tín hiệu yếu tách Sử dụng triệt nhiễu có thứ tự cho phép giảm tỷ lệ lỗi khối khoảng 10 lần so với việc sử dụng máy thu tuyến tính (tương đương giảm SNR 4dB) Ngồi việc đơn giản, V-BLAST cho phép đạt hiệu suất sử dụng phổ tần cao 20 bps/Hz 3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau) Đối với loại mã này, số liệu thơng tin mã hóa xoắn, sau từ mã đựơc xử lý lớp đựơc phân bố lên anten khác hình Hình 3.13 -Thí dụ cấu trúc mã không gian thời gian phân lớp dử dụng cho phép kênh không gian a) D-BLAST, b) V-BLAST c)W-STC 75 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thơng tin di động 4G Hình 3.14 -Tách lớp hai số bốn lớp D-BLAST B) Mã hóa VBLAST 3.6 Mơ hình MIMO đa người dùng sử dụng hệ thống truyền chuyển tiếp 3.6.1 Mơ hình MIMO đa người dùng với nhiều kênh truyền chuyển tiếp Xét mơ hình MIMO đa người dùng với nhiều kênh truyền chuyển tiếp sau: Relay Node User Encode W F MIMO Link User DL Signalling Optimization Fee dback User Nu MIMO BC Channel Information Hình 3.15 –Mơ hình MIMO đa người dùng sử dụng hệ thống truyền chuyển tiếp Trên H 3.15 Tại nguồn phát sử dùng nhiều Anten truyền số liệu tới nhiều User qua hệ chuyển tiếp có nhiều anten Hệ truyền chuyển tiếp hồn tồn tuyến tính (khơng giải mã tín hiệu thu trước truyền đi) tồn q trình nhận truyền tín hiệu tới User Trong mơ hình mơi trường truyền tín hiệu tự nhiên Trong sơ đồ này: - Tại node nguồn có Mb anten truyền 76 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G - Tại node chuyển tiếp có Mr anten - Kí hiệu H1 ma trận kênh node nguồn hệ truyền chuyển tiếp - Tín hiệu truyền anten node nguồn kí hiệu u ( u mảng có kích thước Mb x1) Tổng lượng node nguồn Pt ràng buộc công thức - Pt >> E(||u||2) (3.110) với E kỳ vọng tiêu chuẩn Giả sử hệ thống truyền chuyển tiếp ( gọi hệ node chuyển tiếp) sử dụng hết tất Mr anten để thu phát tín hiệu; xử lý tuyến tính tín hiệu ký hiệu W có kích thước Mr x Mr dùng để xử lý tín hiệu nhận node chuyển tiếp - Ký hiệu n1 nhiễu thu node chuyển tiếp - Nu số người sử dụng Giả thiết : Hệ node chuyển tiếp nhận tín hiệu từ node nguồn phát sau chuyển tới User thơng qua anten theo nguyên tắc anten hệ node chuyển tiếp truyền số liệu cho user Ký hiệu vector hi,2 kích thước Mr x1 độ lợi kênh hệ node chuyển - tiếp user thứ i - Ký hiệu xi tín hiệu vơ hướng mà user thứ i thu - n2,i nhiễu vô hướng user thứ i - n1 nhiễu vector hệ thống node chuyển tiếp Các thành phần vector nhiễu n1, n2 tuân theo phân bố Gaussian có giá trị trung bình với phương sai  12 ,  22 ta có xi tính sau:  i  hiT, W ( H 1u  n1 )  n2,i  hiT, WW1u  hiT, WW1 )  n 2,i (3.111) Tín hiệu thu hệ thống node chuyển tiếp xử lý ma trận chuyển tiếp W - Ký hiệu ~ S  WH 1u  Wn1 (3.112) 77 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G - Năng lượng tổng truyền tới user hệ node chuyển tiếp E~ s ràng buộc công thức  Pr (3.113) hay Tr{ ( H E (uu H ) H 1H  I 12 )W H }  Pr (3.114) Với Tr {} – vết ma trận - Nhiễu lượng user thứ i ký hiệu là:  i  hiT, W H hi*, 2 12   22 (3.115) Mơ hình đa người dùng sử dụng hệ truyền chuyển tiếp tương tự kênh phát quảng bá MIMO có điểm khác biệt chúng tồn thêm lượng Pr hệ node chuyển tiếp có ràng buộc với ma trận W mô hình 3.6.2 Hệ thống truyền chuyển tiếp sử dụng SVD Khi sử dụng sơ đồ SVD thực chất thiết kế ma trận chuyển tiếp dạng eigen-space dùng phép biến đổi nhằm tối ưu thuật toán đưa ra, cụ thể sau: - Ký hiệu vector kênh user hệ node chuyển tiếp ma trận H  [h1, , , hN u , ]T - Ký hiệu (3.116) H2   H2 (3.117) phép hoán vị ma trận kênh - Đặt M u  min{ M r , M b , N u } - Các thành phần ( M u  1) th , , M bth đường đường chéo có giá trị Ứng dụng lý thuyết sơ đồ SVD ta có: H  G2 Q2 (3.118) H  U 1 V1H (3.119) Với G2 ma trận nửa đường chéo, U1,V1 ma trận phân Các phần tử khác đường chéo ma trận 1 có giá trị giảm dần theo thứ tự (3.120) v1   v {M b , M r } Cấu trúc ma trận đường chéo K là: KK H  diag{k1 , , k M } (3.121) - Ma trận xử lý tuyến tính xác định sau: W  Q2H KU 1H (3.122) r - Ký hiệu vector k  [k1 , , k M r ]T 78 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G tiền mã hóa FF H  V1V1H (3.123) với   diag{ p1 , , p M ,0, ,0} lượng phát node phát u p  [ p1 , , p M u ]T , nhiễu thành phần : - Ký hiệu i  i   G (i, j ) k j  12   22 (3.124) j 1 - Đặt d i   i k i G (i, j ) SNR user thứ i là:  i  d i pi i (3.125) Do lượng tổng đạt sơ đồ SVD là: Mu R ( p, k )   log (1   i ) i 1 Mu   log  i d i1 pi1 i 1 (3.126)  Rb ( p, k ) Từ công thức (3.126) ta thấy Rb ( p, k ) mức lượng giới hạn lượng tổng R ( p, k ) Người ta chứng minh lượng tổng node chuyển tiếp ràng buộc công thức sau : H Tr{( H FF H H H Mu  I )W }   k i ( i pi   12 ) (3.127) i 1 tốc độ tổng cực đại hàm p k sau: Mu max p ,k Rb ( p, k ) k i ( i pi   12 )  Pr ; i 1 Mu p i  Pt ; pi  ; k i  (3.128) i i 1 3.6.3 Hệ thống truyền chuyển tiếp sử dụng Water- filling Như nói user xếp hoán vị theo phép hoán vị  , người ta chọn T user với T  M u M u  min{ M r , M b , N u } Điều tương đương với việc lấy T hàng ma trận kênh H (3.118), node phát luồng số liệu phát có lượng cỡ Pt T Người ta chứng minh giới hạn tốc độ tổng hệ node chuyển tiếp ( hay lượng tổng luồng số liệu) là: 79 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G T Rl (k )   log (1   i( l ) ) i 1 (3.129) Với  i(l ) giới hạn SNR user thứ i:  i( l )  ci k i (3.130) vi G2 (i, i) Pt / T ci  hi , 2 (3.131) Pr  12   22 vi Pt / T   Ở (3.131) xảy dấu “=” giới hạn tổng dung lượng hệ thống tỉ số SNR user thứ i là: 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 Thuật tốn tìm kiếm user có độ lợi kênh tốt nhất: Khi số lượng người sử dụng Nu lớn hay Mu lớn thời gian phải trả giá cho việc tìm kiếm, hốn vị user phải tăng, việc tính tốn ci (3.129) gặp khó khăn người ta đưa thuật toán sau nhằm sửa lại (3.129) việc lựa chọn user dựa vào giới hạn SNR user thứ i (3.128) tối ưu hơn: + Ký hiệu u  {1,2, , N } tập hợp u thuật toán sau:  Khởi tạo: + Gán n=1 + tính hu , r1,u  hu , 2 Pr  12   22 v i Pt / M u   80 user, từ ta xác định Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G s1  arg max tìm user thứ si thỏa mãn r1,u uU + Gán S1  {s1 } Chừng n  M u làm việc sau: + Tăng n lên 1: n = n+1 + Chiếu vector kênh lại lên tọa độ trực giao ta ma trận hình chiếu Pn  I M  H ( S n1 ) H ( H ( S n1 ) H (S n1 ) H ) 1 H ( S n1 ) r (3.133) I M ma trận nhận dạng vector kênh có kích thước Mr x Mr kí r hiệu H2(Sn-1) ma trận hàng rút gọn vector kênh user sau n-1 bước lựa chọn đầu tiên: H ( S n1 )  [hs ,2 , , hs ,2 ]T n1 + Gán  (3.134)  hT P  n, u u n + Tìm user Sn thỏa mãn:  s n  arg max uU \ Sn1 hu , n, u Pr  12 v n Pt / M u   12 (3.135)  2 + Gán S n  S n1  {sn } Đây thuật toán dùng để lựa chọn nhóm số Mu người sử dụng có độ lợi kênh tốt Như vây nói thuật tốn nhằm (có ý nghĩa ) tính tốn tốc độ tổng gần dần tới tổng dung lượng kênh mơ hình MIMO 3.7 Mơ hình MIMO sử dụng chuyển đổi kết hợp hai sơ đồ ghép kênh phân tập Trong mô người ta dùng phương pháp chuyển mạch ghép kênh không gian (SM) phân tập Mô gồm có: 81 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G - Một kênh truyền MIMO gồm Mt anten phát Mr anten thu, phía phát có điều chế khơng gian thời gian – dùng để ánh xạ bit thành từ mã không gian thời gian (space – time codeword) - Ma trận chuyển mạch kênh H có kích thước Mr x Mt; cột thứ k H hệ số phức vô hướng anten truyền thứ k tới anten thu - Tại phía thu có điều chế không gian thời gian dùng để ước lượng kênh truyền định thu luồng bit - Bộ điều chế không gian thời gian ánh xạ bit tới Mt x vector ký hiệu b(r )tRo1 s(t )Tt o1 - Luồng mã hóa ký tự anten thứ k Sk(t) - Tốc độ trung bình hay hiệu suất phổ tần mã hóa R/T bits/Hz, với R số bit truyền chu kỳ T ký hiệu - Giả sử băng thông truyền nhỏ băng thông cố định hệ thống (độ dài T ký hiệu chu kỳ truyền nhỏ chu kỳ cố định hệ thống) - Vector tín hiệu thu sau lọc, lấy mẫu là: y (t )  E s H s (t )  v (t ), t  0,1, , T  (3.136) v(t) vector có kích thước Mr x với thành phần phức đối xứng, độc  (0, ( N / 2) I M r ) lập có phân bố Gaussian trắng cộng, hàm phân bố - Es lượng trung bình ký hiệu; T độ dài khối Chúng ta xem xét dị tìm theo mã khả giống cực đại (Maximum-likelihood) để dị tìm xác xuất từ mã bị lỗi - Khoảng cách cực tiểu quân phương Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) là: T 1 d ( H ) :  H ( s ( m ) (t ) s ( k ) (t )) m k t 0 - Điều kiện xác suất lỗi là: 82 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G  Es  Pr error | H   ( r  1)Q d ( H )   2N0  ( 3.137) Hình 3.16 Mơ hình MIMO tổng qt sử dụng điều chế giải điều chế mã không gian thời gian Bây ta tính khoảng cách cực tiểu quân phương Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) cho trường hợp: ghép kênh phân tập - Khoảng cách cực tiểu bình phương Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) sơ đồ ghép kênh: Hình 3.18 Sơ sồ ghép kênh khơng gian thời gian MIMO Trong mơ hình này, chu kỳ ký hiệu rời rạc thời gian giải mã nhiều ghép kênh Mt, ký hiệu phức sk Mk o1 với cân t Mt xếp theo chế dạng ngăn xếp (stack) có thành phần vector phức s, để đơn 83 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thơng tin di động 4G giản hóa ta cho T=1 ghép kênh không gian thời gian; tốc độ bit R ln trì, ký hiệu vơ hướng khác xuất phát từ “chịm” có R/Mt bit ký hiệu R - Đặt S sm  Mt tập hợp “chòm” điểm với khoảng cách cực tiểu ; nhớ ta cố định R S SM  S sm Mt d min,sm  2R phía thu ta có giải tốn dị tìm mã khả giống cực đại sau: sˆ  arg sSSM y  E s Hs giải tốn ta có ký hiệu truyền đi, từ mã bị lỗi sˆ  s Khoảng cách Euclidean quân phương hai từ mã truyền nhận là: Hs Hc với s, c hai mã truyền , s, c  S SM , s  c Khoảng cách Euclidean cực tiểu quân phương phía thu là: d min, SM ( H ) : H ( s  c) (3.138) s ,cS SM , s c Ở d min,SM hàm d min,sm mà tập hợp “chòm” (trùm) khoảng cách Euclidean cực tiểu Sở dĩ từ mã biến đổi tuyến tính qua ma trận kênh H Việc tính tốn (6.37) phải tính cỡ S SM ( S SM  1) / vector gặp khó khăn tập hợp “chịm “ lớn q trình nghiên cứu người ta mong muốn tìm giới hạn giới hạn khoảng cách Euclidean cực tiểu để giảm bớtt phức tạp tính tốn d min, sm  s  c Người ta đa tính được: Mt s ,cS SM , s c và: 84 Trần Quốc Thuận  Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G d min, SM (H )  d min, SM ( H ) Mt  Ta phải giả thiết M r d min, sm (H ) Mt (3.139)  M t không vế trái (6.38) khơng (0) Xảy dấu “=” bên phải tồn vector s-c tích vơ hướng vector tương ứng với giá trị cực đại 2max ( H ) Xảy dấu “=” bên trái tồn vector s-c tích vơ hướng vector tương ứng với giá trị cực tiểu 2min ( H ) Đồng thời xảy dấu bất đẳng thức khi: 2max ( H )  2min ( H ) lúc H ma trận đơn vị - Khoảng cách cực tiểu bình phương Euclidean ( Squared minimum Euclidean Distance) sơ đồ phân tập: Hình 3.19 Sơ đồ phân tập MIMO Cũng giống như mơ hình ghép kênh khơng gian thời gian, mơ hình phân tập có điểm chung gửi luồng liệu từ phía anten phát mục đích giảm xác suất suy hao tín hiệu phía anten thu từ mã lỗi gây Mô hình mơ hình phân tập có hai điểm khác biệt với mơ hình ghép kênh là: 85 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G Điểm khác biệt thứ nhất: Các ký hiệu ánh xạ tới “chòm” R bits ký hiệu thay R/Mt bit cho ký hiệu Điểm khác biệt thứn hai: Luồng ký hiệu ánh xạ dạng không gian thời gian phát anten truyền Người ta chứng minh khoảng cách Euclidean cực tiểu là: H Mt d , MD ( H )  2 d min, md F (3.140) Frobenius đưa công thức sau: d , MD (H ) Mt Mr  d min,md  hmk Mt k 1 m1 (3.141) hay: d , MD (H ) L 2  d min,md   k ( H ) Mt k 1 (3.142) Với L=min (Mt , Mr) k giá trị riêng thứ k ma trận H Nhận xét: Khoảng cách cực tiểu bình phương Euclidean đặc trưng kênh truyền, hai sơ đồ ghép kênh phân tập hiệu suất kênh truyền phụ thuộc khơng vào chất lượng đặc tính đường truyền mà cịn phụ thuộc ghép kênh hay phân tập hệ thống MIMO Trong sơ đồ ghép kênh theo mã khơng gian thời gian (SM) cải thiện thông lượng hay dung lượng chất lượng đường truyền giảm ngược lại sơ đồ phân tập đảm bảo chất lượng đường truyền (cải thiện SNR) dung lượng lại bị hạn chế Như nảy sinh vấn đề kết hợp hai sơ đồ với chuyển đổi làm dung hòa hai yếu tố dung lượng chất lượng truyền tin 86 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thông tin di động 4G CHƯƠNG IV KẾT LUẬN Kết luận - Những phần việc mà luận văn làm: Trong phần lời nói đầu luận văn: “Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thơng tin di động 4G” trình bày: Lý chọn đề tài, mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Trong phần tổng quan luận văn trình bày: Tóm tắt, phân tích, đánh giá cơng trình nghiên cứu có tác giả liên quan mật thiết đến đề tài luận văn; luận văn nêu ưu, nhược điểm hệ thống MIMO Luận văn nghiên cứu xu hướng phát triển lộ trình tiến tới 3G 4G mạng thơng tin vô tuyến giới Luận văn nghiên cứu lý thuyết sở nghiên cứu số mơ hình MIMO đề xuất áp dụng việc xây dựng mạng thơng tin hệ 4G, luận văn trình bày sở lý thuyết, lý luận, cơng thức tốn học từ nhận xét cho số mơ hình Hướng nghiên cứu tiếp theo: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) thuộc họ sơ đồ truyền dẫn có tên gọi điều chế đa sóng mang (MC:Multicarrier) Nguyên lý điều chế MC dựa việc phân chia luồng số truyền tốc độ bit cao thành nhiều luồng số có tốc độ bit thấp (đây điểm tương đồng với MIMO kết hợp chúng lại thành MIMO – OFDM) điều chế luồng sóng mang riêng gọi sóng mang hay tone Các sơ đồ điều chế MC loại bỏ hay giảm thiểu nhiễu ký hiệu (ISI) cách làm cho thời gian ký hiệu đủ lớn để trải trễ gây kênh truyền phần khơng đáng kể (