Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO

Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO TS. Phan Hồng Phương, KS. Lâm Chi Thương Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM, anten thông minh, . giúp nâng cao hơn nữa dung lượng của hệ thống. Bài báo giới thiệu về kỹ thuật phân tập anten (Antenna Diversity) - một kỹ thuật được ứng dụng vào hệ thống MIMO để nâng cao dung lượng cũng như chất lượng truyền thông vô tuyến, đồng thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi ký tự (SER) và đồ thị bức xạ (Beam pattern) của kỹ thuật phân tập anten, so sánh với kỹ thuật anten thông minh. Công nghệ MIMO – OFDM Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và gây ra hiện tượng fading đa đường. Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông. Các fading khá phổ biến trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean [1]. Những nghiên cứu gần đây cho thấy, sự kết hợp phương pháp điều chế OFDM vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng kể những ảnh hưởng fading từ môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng và dung lượng truyền thông. Trước tiên, phải kể đến kỹ thuật điều chế trực giao OFDM. Đó là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang. OFDM được gọi là kỹ thuật điều chế hay kỹ thuật ghép, dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệ u tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau. OFDM sử dụng dữ liệu song song và ghép kênh theo tần số FDM với các kênh chồng nhau, trong đó mỗi kênh mang một tốc độ dữ liệu, được đặt cách nhau một khoảng tần số để tránh sự cân bằng tốc độ cao (High-Speed Equalization) đồng thời chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng như sử dụng hoàn toàn dải thông có sẵn. MIMO là hệ thống sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền với nhiều anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát [1]. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến được tăng lên đáng kể khi sử dụng nhiều anten thu và phát. Xét dung lượng kênh MIMO có Fading Rayleigh chậm trong trường hợp kết hợp cả phân tập thu phát [2]: Giới hạn dưới: () () RT n 1nni i 2 2 2 T 2 nn n P 1WC T RT ≥ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +> ∑ −−= ,log χ σ Giới hạn trên: () RT n 1i i 2 n2 2 T 2 nn n P 1WC T R ≥ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +< ∑ = ,log χ σ Với ∑∑ == == RR R n2 1i 2 i n 1i 2 i 2 n2 zh χ , P là công suất phát, W là băng thông, n R và n T lần lượt là số anten thu, phát, h i là hệ số của ma trận kênh truyền H. Có thể thấy rằng, dung lượng hệ thống MIMO được cải thiện đáng kể so với trường hợp chỉ có 1 cặp anten thu phát truyền thống: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += ∑ = 2 ri r 1i 2 P 1WC σ log . [2] Kỹ thuật phân tập anten Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởng của fading. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông. Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân t ập không gian (phân tập anten). Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm. Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương quan về fading. Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ. Các phương pháp kết hợp thường gặp: Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn ( Scanning and Selection Combiners: SC ) quét và lựa chọn nhánh có tỷ số CNR tốt nhất; bộ tổ hợp với cùng độ lợi ( Equal-Gain Combiners: EGC); Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa ( Maximal Ratio Combiners: MRC ): tổ hợp tất cả các nhánh, với hệ số a k tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k [3,4]. a) b) c) Hình 2. Các bộ tổ hợp. a) Quét lựa chọn b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi, c) Bộ tổ hợp tỷ số tối đa Kết quả mô phỏng Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản gồm 01 anten phát và nhiều anten thu (Receiver Diversity). Thực hiện chương trình mô phỏng xác suất lỗi ký tự và đồ thị bức xạ (Beam pattern) của kỹ thuật phân tập anten, kênh truyền được thiết lập có nhiễu Gauss và fading Rayleigh với các phương pháp kết hợp, các kiểu điều chế khác nhau, với số lượng anten thay đổi thu được các kết quả đánh giá xác suất lỗi ký tự SER được trình bày trên hình 3 và 4. Hình 3. SER của 3 phương pháp khi số anten là 2, điều chế QAM Hình 4. SER theo số anten tăng từ 1 đến 4 (phương pháp MRC, điều chế BPSK) Nhận xét: - Trong 3 phương pháp MRC, EGC và SC, phương pháp kết hợp MRC cho phép cải thiện xác suất lỗi tốt nhất. - Xác suất lỗi giảm đáng kể khi tăng số anten: ở mức lỗi 10 -1 , độ lợi thu được khi tăng số anten từ 1 lên 2 là gần 12 dB. Độ lợi này sẽ tăng thành 16 dB khi số anten là 3, và gần 20 dB khi số anten tăng lên 4. - Tuy nhiên, độ lợi gia tăng chậm dần khi tăng số anten. Ta nhận thấy rằng, độ gia tăng độ lợi giữa 2 và 3 anten chỉ là 4 dB, trong khi con số này là 12 dB khi tăng từ 1 thành 2 anten. Khảo sát đồ thị bức xạ của phương pháp phân tập anten MRC và so sánh với kỹ thuật anten thông minh (trường hợp cổ điển) trên hình 6 và 7, ta nhận thấy: - Đồ thị bức xạ của kỹ thuật phân tập anten có mức năng lượng cao hơn hẳn so với phương pháp Beamforming. Do đó, hiệu quả hơn trong cải thiện chất lượng tín hiệu thu. - Tuy nhiên, kỹ thuật phân tập anten không điều chỉnh pattern bám theo h ướng tín hiệu đến như kỹ thuật Beamforming thực hiện. Do đó, không hiệu quả bằng kỹ thuật Beamforming trong việc lái búp sóng để thu tín hiệu, đặc biệt trong khả năng triệt nhiễu đồng kênh. Hình 5. Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tín hiệu tới có DOA1 = 30 o & SNR1 = 0 dB, DOA2 = -30 o & SNR2 = 0 dB, DOA3 = 0 o & SNR3 = 15 dB (8 anten) Hình 6. Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tín hiệu tới có DOA1 = 30 o & SNR1 = 0 dB, DOA2 = -30 o & SNR2 = 0 dB, DOA3 = 60 o & SNR3 = 15 dB (8 anten) Kết luận - Kỹ thuật phân tập anten cải thiện tốt xác suất lỗi trong điều kiện kênh truyền có fading. Độ lợi thu được của phương pháp phân tập anten lên đến hàng chục dB. Đây là thông số thể hiện rõ tính ưu việt của kỹ thuật phân tập anten ứng dụng vào các hệ thống truyền thông, đặc biệt là các hệ thống thông tin di động vốn đòi hỏi các yêu cầu về nâng cao dung lượng, chất lượng d ịch vụ, tiết kiệm năng lượng sử dụng, thu gọn kích thước thiết bị máy đầu cuối. - Kết quả mô phỏng đã chứng tỏ phương pháp MRC cho phép cải thiện SER tốt hơn nhiều so với các phương pháp EGC và SC, phù hợp với các phân tích lý thuyết cũng như các nghiên cứu khác. Tuy nhiên, độ phức tạp trong thi công phương pháp MRC cao hơn nhiều so với SC hay EGC. Điều này đòi hỏi phải có những đánh giá chuyên sâu về hiệu quả kinh tế khi lựa chọn phương pháp kết hợp để triển khai thực tế. - Thông số SER được cải thiện đáng kể khi tăng số lượng anten. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng của số anten thì độ gia tăng độ lợi hệ thống có xu hướng giảm. Kết quả mô phỏng cho thấy độ gia tăng độ lợi tốt nhất khi tăng từ 1 lên 2 anten. Đây cũng là m ột ưu điểm đáng quan tâm cho việc ứng dụng kỹ thuật phân tập anten vào thực tế, đặc biệt khi triển khai trên máy đầu cuối của mạng di động. Số anten không nhiều sẽ giúp tiết kiệm chi phí và độ phức tạp thi công, đáp ứng được yêu cầu giảm kích thước máy đầu cuối mà vẫn đảm bảo ứng dụng kỹ thuật phân tập anten vào nâng cao chất lượng dịch vụ . - Từ các mẫu Beam pattern nhận thấy, phương pháp phân tập anten làm gia tăng đáng kể năng lượng tín hiệu thu: biên độ Beam patern của kỹ thuật phân tập anten lớn hơn rất nhiều biên độ Beam pattern của Beamforming. Điều này làm tăng đáng kể độ lợi của hệ thống. Tuy nhiên, trong khi Beamforming điều chỉnh Beam pattern bám theo tín hiệu đến dựa vào việc điều chỉnh cả biên độ và pha của trọng số tối ưu thì Beam pattern của phân tập anten không thay đổi theo hướng tín hiệu đến do trọng số của phân tập anten là các số thực (không điều chỉnh pha). Rõ ràng, Beamforming tỏ ra ưu việt hơn trong triệt nhiễu đồng kênh nhờ khả năng bám theo tín hiệu, phân bố mẫu Beam pattern của anten cực đại ở các hướng tín hiệu đến, và ”null” ở các hướng có tín hiệu không mong muốn. - Qua các nghiên cứu và lý thuyết cùng kết quả mô phỏng về kỹ thuật phân tập anten, có thể khẳng định đây là kỹ thuật rất hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng của fading lên tín hiệu, nâng cao độ lợi hệ thống, cải thiện đáng kể chất lượng cũng như dung lượng, cũng như cho phép khai thác hiệu quả thành ph ần không gian – không làm hao tổn tài nguyên tần số, thời gian như các phương pháp phân tập khác. Với các ưu ưu điểm đó, có thể thấy việc ứng dụng mô hình phân tập anten vào hệ thống MIMO là hoàn toàn phù hợp, đặc biệt trong việc nâng cao dung lượng hệ thống – một yêu cầu đang rất được quan tâm của các công nghệ truyền thông hiện đại. Tài liệu tham khảo [1]. DAVID TSE, Fundamentals of Wireless Communication , University of California, Berkeley & Pramod Viswanath, University of Illinois, Urbana-Champaign, September 10, 2004. [2]. BRANKA VUCETIC, Space-Time Coding , University of Sydney & Jinhong Yuan, University of New South Wales, 2003 John Wiley & Sons Ltd. ISBN: 0-470-84757-3. [3]. CARL B. DIETRICH, Jr., Spatial, Polarization, and Pattern Diversity for Wireless Handheld Terminals . Member, IEEE, Kai Dietze, J. Randall Nealy, and Warren L. Stutzman, Fellow, IEEE. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 49, No. 9, September 2001. [4]. The Mobile Radio Propagation Channel . Second Edition. J.D.Parsons. ISBN 0-471-98857- X. . dung lượng của hệ thống. Bài báo giới thiệu về kỹ thuật phân tập anten (Antenna Diversity) - một kỹ thuật được ứng dụng vào hệ thống MIMO để nâng cao dung. phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân t ập không gian (phân tập anten) . Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang