N E s
2.2.1 Truyền thông qua kênh truyền MIMO.
Truyền dữ liệu và tách sóng qua kênh truyền MIMO được mô tả như sau:
0 0 0 TX 0 RX 0 0 H
Hình 2.2.1.1: Truyền dữ liệu qua hệ thống MIMO
Dữ liệu nhị phân được đưa vào khối phát gồm các chức năng mã hóa điều khiển lỗi, điều chế tín hiệu thành các ký tự (QAM, PSK,…) và cuối cùng tách chuỗi kỹ tự đó thành nT chuỗi con đến ánh xạ đến nT anten phát tương ứng. Việc ánh xạ có thể bao gồm các trọng số hóa tuyến tính của các phần tử anten hoặc bộ tiền mã hóa tuyến tính không gian – thời gian (linear space-time precoding). Sau đó được đưa đến bộ đổi tần lên, lọc và khuếch đại rồi đưa đến nT anten phát. Tín hiệu được truyền qua kênh truyền vô tuyến đến nơi thu. Tại bộ thu, tín hiệu thu được trên nR anten thu được đưa vào ánh xạ ngược, giải điều chế và giải mã để khôi phục lại dạng dữ liệu ban đầu.
Tổng quát, việc thiết kế bộ mã hóa kênh truyền, điều chế và ánh xạ trong hệ thống MIMO sẽ khác nhiều so với hệ thống cũ SISO. Sự khác nhau chính là sự xuất hiện thêm 1 chiều tín hiệu mới: không gian (space), đây là đặc tính của hệ thống sử dụng nhiều anten. Vì thế, kỹ thuật truyền dữ liệu qua hệ thống MIMO gọi là kỹ thuật không gian – thời gian (space-time technique). Sự chọn lựa một kỹ thuật cụ thể thay đổi tùy thuộc vào bên phát hoặc bên thu biết thông số kênh truyền fading CSI. Tuy nhiên, ở phía phát sẽ khó biết được thông tin kênh truyền fading CSI. Ngược lại, ở phía thu có thể biết được thông tin kênh truyền bằng cách ước lượng các thông số kênh truyền.
Kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian đang phát triển và thay đổi nhanh chóng, có thể được phân loại theo 4 hướng chính như sau:
n R n T 01001 01001 0 0 0 Mã hóa điều chế Ánh xạ trọng số hóa Trọng số hóa Ánh xạ ngƣợc Giải điều chế Giải mã 0 0 0
Hình 2.2.1.2: Phân loại kỹ thuật không gian – thời gian
Khảo sát hệ thống MIMO điểm - điểm với nT anten phát và nR anten thu trong trường hợp truyền băng gốc tuyến tính, rời rạc theo thời gian. Tín hiệu phát x được biểu diễn bởi ma trận cột [nT x 1], với thành phần thứ i là xi tương ứng với tín hiệu phát của anten thứ i.
Xét kênh truyền có nhiễu AWGN, tín hiệu phát sẽ có phân bố Gauss. Do đó, các thành phần của x sẽ là các biến có phân bố Gauss độc lập, trung bình bằng 0.
Phương sai của tín hiệu phát được tính bởi biểu thức
Rxx=ExxH (2.2.1.1)
Trong đó, E. là phép tính kỳ vọng, toán tử AH
là phép chuyển vị Hermiten của ma trận A – kết hợp phép chuyển vị và lấy liên hiệp phức của ma trận A. Tổng công suất phát được giới hạn P không thay đổi theo số anten phát nT. Giá trị P được biểu diễn bởi công thức.
P=tr(Rxx) (2.2.1.2) KỸ THUẬT KHÔNG GIAN – THỜI GIAN GHÉP KÊNH KHÔNG GIAN Mã hóa Trellis Không gian-thời gian Mã hóa khối Không gian-thời gian Cấu trúc Không gian- thời gian theo
chuỗi Cấu trúc không gian-thời gian theo lớp PHÂN TẬP PHÁT
Với tr(A) là phép toán lấy tổng các phần tử trên đường chéo của ma trận A. Trường hợp phía phát không biết được thông tin của kênh truyền, ta giả sử tín hiệu được phát từ các anten thành phần sẽ có cùng mức công suất là P/nT. Khi đó, phương sai của tín hiệu phát là:
Rxx= nT T P I n (2.2.1.3) Với InT là ma trận đơn vị [nT x nT].
Kênh truyền được biểu diễn bởi ma trận H [nT x nT], với hij là độ lợi kênh truyền (cũng là thông số fading kênh truyền) từ anten phát thứ j đến anten thu thứ i. Để đơn giản trong tính toán, ta giả sử rằng công suất nhận được tại mỗi anten là bằng với tổng công suất phát. Nghĩa là, chúng ta đã bỏ qua sự suy hao và khuếch đại tín hiệu trong quá trình truyền, bao gồm các thông số về độ lợi anten, suy hao do hiệu ứng phủ bóng,... Khi đó, ta thu được giới hạn của các thành phần trong ma trận H, với kênh truyền có các thông số cố định, như sau:
2ij ' ij ' 1 T n T j h n i = 1,2,...,nR (2.2.1.4) Khi các thành phần của ma trận kênh truyền là ngẫu nhiên thì việc chuẩn hóa sẽ áp dụng vào việc tính kỳ vọng của biểu thức trên.
Ta giả sử rằng phía thu biết được ma trận kênh truyền. Ma trận kênh truyền có thể được ước lượng tại bộ thu bằng cách phát kèm chuỗi huấn luyện. Phía phát cũng có thể thực hiện ước lượng kênh truyền thông qua kênh hồi tiếp.
Các thành phần của ma trận H có thể ngẫu nhiên hoặc xác định. Chúng ta sẽ tập trung vào các ví dụ có liên quan đến truyền thông vô tuyến, với các thành phần của ma trận kênh truyền H có phân bố Rayleigh hoặc Rice. Trong hầu hết các trường hợp, ta sẽ quan tâm chủ yếu đến phân bố Rayleigh, đây là phân bố thích hợp cho các đường truyền không theo đường thẳng (NLOS: Non Line-Of- Sight).
Nhiễu tại bộ thu sẽ được biểu diễn bởi tín hiệu n – là ma trận cột [nR x 1]. Các thành phần nhiễu là các biến Gauss độc lập thống kê có trung bình bằng 0, với các thành phần thực và ảo là độc lập và có cùng phương sai. Phương sai của tín hiệu nhiễu được biểu diễn bởi biểu thức:
Rnn=EnnH (2.2.1.5)
Nếu không có sự tương quan giữa các thành phần của tín hiệu nhiễu thì ta có thể biểu diễn phương sai dưới dạng:
Rnn=2InR (2.2.1.6)
Mỗi anten trong số nR anten thu sẽ chịu công suất nhiễu là 2
Tín hiệu thu r được biểu diễn bởi ma trận cột [nR x 1]. Gọi Pr là công suất trung bình tại mỗi anten thu. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại mỗi anten thu được tính theo biểu thức:
2r r P (2.2.1.7)
Do chúng ta đã giả sử rằng tổng công suất thu được tại mỗi anten là bằng với tổng công suất phát nên SNR sẽ bằng với tỷ số của tổng công suất phát và công suất nhiễu tại mỗi anten, vì thế sẽ không phụ thuộc vào anten phát nT. SNR khi đó sẽ được tính bởi
2r r P (2.2.1.8) Tín hiệu thu r được biểu diễn theo biểu thức sau:
r=Hx + n (2.2.1.9)