L ỜI MỞ ĐẦU
3.2 Sơ đồ hệ thống
a, Hệ thống sử dụng một anten phát và một anten thu
Hình 3.2.1 Hệ thống đơn anten phát và thu
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế/giải điều chế. Hệ thống SISO thường được dùng trong phát thanh và truyền hình và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như wifi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống được cho bởi công thức [3], [7].
2 2 log 1 . bit/s/Hz SISO C = +SNR h (3.1) b, Hệ thống SIMO
Hình 3.2.2 Hệ thống SIMO
Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống SISO. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MRC. Khi máy thu biết được thông tin kênh truyền, dung lượng kênh tăng theo hàm logarit của số anten thu [3], [7].
2 2 1 log 1 | | bit/s/Hz R N SIMO n n C h = = + ρ ∑ (3.2)
Trong đó Nr là số anten tại đầu thu, hm là đáp ứng xung của anten phát và anten thu thứ m, ρlà tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại máy thu.
c, Hệ thống MISO
Hình 3.2.3 Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu. Hệ thống này cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng phủ. Dung lượng hệ thống được xác định như sau [3], [7]. 2 2 1 log 1 | | bit/s/Hz T N MISO n n T C h N = ρ = + ∑ (3.3)
Trong đó NT là số anten phát, hn là đáp ứng xung của anten phát thứ n và anten thu.
d, Hệ thống MIMO
Hình 3.2.4 Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả ở đầu phát và đầu thu, hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào anten phát và phân tập thu nhờ anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống. Dung lượng hệ thống được xác định như sau [3], [7].
( )
2
log det H , bit/s/Hz
MIMO n SNR C I HH m = + (3.4) 3.3 Xây dựng chương trình 3.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ
Hiện nay để mô phỏng trong thông tin vô tuyến có thể sử dụng các phần mềm để thực hiện mô phỏng các bài toán trong viễn thông như Matlab, OMNet++, NS-2, Opnet…Các phần mềm mô phỏng này đa số đều thuộc loại hướng đối tượng, ngoài các thư viện modul phong phú về các giao thức, thiết bị viễn thông sẵn có nó còn cho phép người dùng xây dựng các modul riêng với các giao diện vào ra có tính kế thừa, phân cấp giữa các modul. Người dùng cũng có thể dễ dàng quy định số lần thực hiện chạy mô phỏng, thời gian chạy mô phỏng và độ chính xác cần thiết…Trên cơ sở yêu cầu bài toán đặt ra trong luận văn tôi lựa chọn phần mềm Matlab là phần mềm để thực hiện mô phỏng bài toán đặt ra trong luận văn.
3.3.2 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với số lượng anten thay đổi đổi
Lưu đồ thuật toán của chương trình
Begin Input: (Nmax,It) Process End Plot If (Nmax > 0 && It > 0) Y N
Hình 3.3.1 Lưu đồ thuật toán trường hợp số anten thay đổi
Theo nghiên cứu lý thuyết ở trên dung lượng kênh vô tuyến tăng tuyến tính khi số lượng anten thu và anten phát tăng. Trong phần này của luận văn sẽ thực hiện mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết đó với các hệ thống khác nhau như SISO, SIMO, MISO và MIMO. Chương trình mô phỏng được thực hiện trên kênh fading Rayleigh nhanh với các tham số đầu vào của chương trình sẽ là Nmax sẽ là số lượng anten phát và thu và It là số lượng kênh.
3.3.3 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với tỷ số SNR thay đổi
Hình 3.2.2 là lưu đồ thuật toán của chương trình khảo sát dung lượng kênh MIMO khi thay đổi tỷ số SNR. Các nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống SISO là hệ thống bị giới hạn về mặt dung lượng khi tham số SNR của hệ thống tăng dần, trong khi các hệ thống khác như SIMO, MISO dung lượng tăng không đáng kể. Mục này sẽ tiến hành khảo sát dung lượng của hệ thống MIMO trong điều kiện tỉ số SNR thay đổi để thấy rõ được ưu điểm của MIMO so với các hệ thống khác. Việc khảo sát dung lượng hệ thống MIMO so với các hệ thống khác được thực hiện trên kênh fading Rayleigh nhanh với các tham số đầu vào là tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR thay đổi, số lượng kênh truyền thực tế thay đổi.
Begin Input: (It) Process End Plot If (Nmax > 0 && It > 0) Y N
Hình 3.3.2 Lưu đồ thuật toán trường hợp tỷ số SNR thay đổi
3.4 Kết quả khảo sát mô phỏng và thảo luận
Trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu ở trên về hệ thống MIMO và dung lượng MIMO, tiến hành xây dựng code của chương trình như phụ lục và thực hiện chạy mô phỏng trên matlab ta được các kết quả mô phỏng cho từng trường hợp như sau.
a, Trường hợp số anten thay đổi cho hệ thống SIMO 1xM, MISO Mx1, MIMO MxM và SISO.
Quan hình ta có thể thấy dung lượng của hệ thống MIMO tăng một cách tuyến tính theo số lượng anten và lớn hơn xấp xỉ M lần lần dung lượng của SISO (với M là số lượng anten). Với MISO dung lượng tăng kém khi số lượng anten phát tăng. Với hệ thống SIMO hiệu quả hơn so với SISO và MISO giới hạn từ 1 tới 3.4 bps/Hz. Với các hệ thống SIMO dung lượng của các hệ thống này tăng theo hàm logarit khi số anten thu tăng trong khi hệ thống MIMO tăng tuyến tính khi tăng số anten phát và số anten thu. Lợi thế của hệ thống MIMO chủ yếu do khai thác được từ sự truyền sóng đa đường. Tại máy thu cho phép tách biệt được tín hiệu phát từ các anten khác nhau do vậy có nhiều ký hiệu được phát đồng thời, tín hiệu được phát trên các đường truyền là bản sao của tín hiệu phát và đều là tín hiệu có ích nên tại đầu thu sẽ kết hợp các tín hiệu tạo thành tập tín hiệu có chất lượng tốt. Tuy nhiên với hệ thống MIMO khi số lượng anten thu tăng thì hệ thống sẽ trở nên phức tạp hơn, năng lực tính toán của hệ thống yêu cầu phải lớn hơn và công suất tiêu thụ lớn hơn.
b, Trường hợp thay đổi tỉ số SNR cho các hệ thống MIMO MxM, SIMO 1xM, MISO Mx1 và hệ thống SISO.
Dung lượng hệ thống SISO với giá trị SNR thay đổi từ [-15 30] dB, dung lượng hệ thống giới hạn từ 0 tới 9 bps/Hz. Dung lượng của SISO duy duy trì ở mức thấp và tăng chậm so với sự tăng của SNR, hình 3.3.2 trên đã minh họa giới hạn truyền dẫn của SISO. Với hệ thống MISO tương ứng với trường hợp số anten thay đổi thì ở trường hợp số SNR thay đổi dung lượng đạt được của MISO cũng thấp hơn so với SIMO, cụ thể giới hạn dung lượng tương ứng với tỷ số SNR thay đổi là từ 0 tới 10 bps/Hz. Với hệ thống SIMO ngay từ các giá trị SNR ban đầu thì hệ thống SIMO đã đạt được dung lượng cao hơn hẳn so với SISO và MISO cụ thể đường dung lượng của SIMO luôn nằm trên 2 đường dung lượng của SISO và MISO. Hệ thống đa anten phát và đa anten thu với cấu hình cụ thể 4x4 đạt dung lượng tương ứng với tỷ số SNR thay đổi với dung lượng nằm trong giới hạn từ 0 tới 35 bps/Hz. Có thể thấy so với hệ thống truyền dẫn SISO hệ thống MIMO đạt được dung lượng xấp xỉ 4 lần hệ thống SISO. Kết quả mô phỏng này cũng tương ứng với các nghiên cứu lý thuyết ở trên. Sở dĩ hệ thống MIMO đạt được dung lượng lớn đó là nhờ có các kỹ thuật được áp dụng tại phía thu giúp kết hợp được các bản sao tín hiệu phát do đa đường tạo ra tại phía thu để kết hợp lại tạo tập tín hiệu thu tốt hơn các hệ thống khác.
3.5 Tổng kết chương
Hệ thống truyền dẫn MIMO qua nghiên cứu lý thuyết và kết quả mô phỏng ở trên đã cho thấy ưu điểm nổi trội về mặt dung lượng so với các hệ thống khác như SISO, SIMO và MISO. Với việc sử dụng N anten phát và M anten thu cho phát tạo NxM kênh truyền sóng song song, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten phát, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống, ở tại đầu thu sử dụng phân tập cho phép thu các bản sao tín hiệu giống nhau và kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm tốc độ lỗi bit BER do đó cho phép hệ thống MIMO đạt được dung lương lý tưởng hơn so với các hệ thống khác.
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1. Kết luận
Hệ thống truyền vô tuyến tốc độ cao MIMO là một triển vọng hấp dẫn của cho các mạng viễn thông vô tuyến hiện tại và trong tương lai. Về mặt lý thuyết, dung lượng hệ thống tăng lên chỉ với việc tăng thêm các anten, tức là hệ hệ thống MIMO có thể mang lại hiệu suất sử dụng phổ tần vô tuyến cao hơn. Bên cạnh đó, hệ thống MIMO còn giúp giảm công suất phát của anten ở cả trạm gốc và đầu cuối, điều này có ý nghĩa về mặt kinh tế, thân thiện với môi trường và giảm ảnh hưởng của bức xạ điện từ đối với sức khỏe người dùng.
Tạo búp sóng giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện tạo búp sóng, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng (thông thường là ), tạo búp sóng thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ. Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập.
Việc sử dụng nhiều anten tại đầu phát và tại đầu thu tạo ra các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống.
Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại fading, thuật toán STBC được áp dụng.
Những lợi ích của hệ thống thông tin sử dụng MIMO có thể nhìn thấy được một cách trực quan trong các phân tích ở chương 2 của luận văn và thông qua kết quả mô phỏng hệ thống ở chương 3 của luận văn. Hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam các hướng nghiên cứu về công nghệ MIMO cũng đang là một hướng nghiên cứu rất được quan tâm của các nhà nghiên cứu về viễn thông.
2. Khuyến nghị
Như đã trình bày ở trên, luận văn mới chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản, đầu tiên của hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao MIMO. Trên cơ sở những nội dung đã thực hiện được của luận văn, học viên xin đưa ra một số khuyến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo. Để giải quyết bài toán về tài nguyên trong thông tin vô tuyến là hữu hạn và đắt đỏ trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng cao và các trải nghiệm của người dùng cần được tối ưu thì một trong những giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến là công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đa anten, hay còn gọi là công nghệ truyền thông đa đầu vào và đa đầu ra. Như phân tích trong 2 của luận văn hệ thống MIMO cho phép tăng dung lượng hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu, cài thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, tiết kiệm công suất phát, mở rộng vùng phủ các yếu tố trên đạt được nhờ sử dụng nhiều anten tại đầu phát và thu và các kỹ thuật quan trọng khác. Với hệ thống 4G để đạt được tốc độ dữ liệu cao MIMO được sử dụng với các kỹ thuật như phân tập, các sơ đồ truyền dẫn SU-MIMO và MU-MIMO, kỹ thuật ghép kênh không gian, tạo búp sóng… cho phép đạt dung lượng và tốc độ lớn. Trong tương lai khai các mạng di động như 5G ra đời thì cần triển khai hệ thống MIMO với số lượng anten lớn để có thể đáp ứng được các đòi hỏi mới về mặt tốc độ và đồng thời có thể khai thác hết được tiềm năng vốn có của hệ thống truyền dẫn vô tuyến này. Trên cơ sở nội dung nghiên cứu đạt được của luận văn em xin chọn hướng nghiên cứu tiếp là nghiên cứu về công nghệ MIMO cỡ lớn áp dụng cho các mạng viễn thông vô tuyến 5G.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trần Xuân Nam, Đinh Thế Cường, Nguyễn Minh Tuấn, Nguyễn Vĩnh Hạnh, MIMO- Công nghệ truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao, Tạp chí Bưu chính Viễn Thông và Công nghệ Thông tin, tháng 4 năm 2007.
[2]. Vinh Hanh Nguyen, Thanh Tam Bui, Xuan Nam Tran, “A Combining scheme for Amplify and Forward MIMO-SDM Cooperative Communications,” Proc. The 8th IEEE Asia Pacific Wireless Communication, August 2011.
[3]. E. Ghayoula A. Bouallegue, R. Ghayoula and J-Y.Chouinard, Capacity and Performance of MIMO systems for Wireless Communications, August 2014. [4]. Edited by Alain Sibile, Alberto Zanella, MIMO From theory to Implementation,
2010.
[5]. George Tsoulos, MIMO System Technology for Wireless Communications, 2006.
[6]. Claude Oestges and Bruno Clerckx, MIMO Wireless Communications, May 2009.
[7]. Emad.Mohamed and A.M.Abdulsattar, Evaluation of MIMO capacity over Rayleigh fading channel.
[8].David Gesbert, Member, IEEE, Mansoor Shafi, From theory to practice: An overview of MIMO space-time coded wireless systems.
[9].Rashmi Sabnuam Gupta, Kandarpa Kumar Sarma, Capacity analysis of single- user and multi-user MIMO with split MLSE Adaptive equalization.
PHỤ LỤC
I. Chương trình mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO với số lượng anten thay đổi
Mmax = 10;
% number of channel realization It = 10000;
% initialize variables: ergodic capacity for each number of antennas Cmimo = zeros(1, Mmax);
Csimo = zeros(1, Mmax); Cmiso = zeros(1, Mmax); Csiso = zeros(1, Mmax); SNRdB = 0; % in dB
SNR = 10.^(SNRdB./10); % linear scale for kk=1:It
for M = 1:Mmax % MIMO
Hmimo = ( randn(M) + j*randn(M) )/sqrt(2);
Cmimo(M) = Cmimo(M) + log2(real(det( eye(M) + SNR/M*Hmimo*Hmimo' ))
%% SIMO
hsimo = ( randn(M,1) + j*randn(M,1) )/sqrt(2); Csimo(M) = Csimo(M) + log2( 1 + SNR*norm(hsimo)^2); %% MISO
hmiso = ( randn(M,1) + j*randn(M,1) )/sqrt(2); Cmiso(M) = Cmiso(M) + log2( 1 + SNR/M*norm(hmiso)^2); %% SISO
hsiso = ( randn + j*randn )/sqrt(2);
end
% Compute average over all channel realizations Csiso = Csiso/It Csimo = Csimo/It Cmiso = Cmiso/It Cmimo = Cmimo/It % plot figure(1) plot(1:Mmax, Cmimo,'r') hold on plot(1:Mmax, Csimo,'b') plot(1:Mmax, Cmiso,'k') plot(1:Mmax, Csiso,'m') xlabel('Number of antennas M')
ylabel('Ergodic Capacity (bits/transmission)')
title('Ergodic Capacity for i.i.d. Rayleigh fast fading channel - SNR=0dB')
legend('4x4 MIMO', '1x4 SIMO', '4x1 MISO', '1x1 SISO',2) grid
hold off
II. Chương trình mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO với tỷ số SNR thay đổi
Mt = 4; % number of transmit antennas Mr = 4; % number of receive antennas % number of channel realization
It = 10000;
% SNR range in dB SNRdBvalues = -15:30;