Tài liệu Tiểu luận hệ thống thông tin di động kỹ thuật đa anten

Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử KỸ THUẬT ĐA ANTEN Đa anten là tên chung cho cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu/phía phát, và ít nhiều kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu, thường được gọi là MIMO. Kỹ thuật đa anten có thể được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng trong một ô tăng) và tăng vùng phủ (mở rộng ô) cũng như là làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ. Cấu hình đa anten Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cách giữa các phần tử anten do quan hệ giữa khoảng cách các anten có mối quan hệ tương quan tương hỗ giữa fading kênh vô tuyến tại các anten khác nhau (được xác định bởi tín hiệu tại các anten). Các anten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp. Ngược lại, các anten được đặt gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất là các anten khác nhau sẽ có fading tức thời tương tự nhau. Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để độ tương quan cao/ thấp phụ thuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng. Tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai. Trường hợp các anten trạm gốc, môi trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng cách anten vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong khi đó thì khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng. Lý do khác nhau giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bản macro, phản xạ đa đường gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động. Do đó, khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta thấy là những đường khác nhau đi đến trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽ thấp với khoảng cách anten tương ứng nhỏ. Còn nhìn ở vị trí trạm gốc, những đường khác nhau sẽ đến trong một góc nhỏ hơn nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp. Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với các anten trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà. Môi trường trạm gốc lúc này giống với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten trạm gốc sẽ nhỏ hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp. Các anten giả thiết ở trên có cùng phân cực. Một cách khác để đạt được độ tương quan fading thấp là áp dụng phân cực khác nhau đối với anten khác nhau. Khi đó các anten có thể được đặt gần nhau. 1. Lợi ích của kỹ thuật đa anten Kỹ thuật đa anten mang lại những lợi ích khác nhau phụ thuộc vào những mục đích khác nhau: Nhóm học viên: Ngô Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh Trang 1 Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử Nhiều anten phát/ thu có thể được sử dụng để phân tập, chống lại fading kênh vô tuyến. Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽ có độ tương quan thấp. Để đạt được điều đó thì khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn (phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau (phân tập phân cực). Nhiều anten phát/thu có thể được sử dụng để ‘định hình’ cho búp sóng anten tổng (búp sóng phía phát và búp sóng phía thu) theo một cách nào đó. Ví dụ, tối đa hóa độ lợi anten theo một hướng thu/phát nhất định hoặc để triệt nhiễu lấn át tín hiệu. Kỹ thuật tạo búp sóng này có thể dựa trên cả độ tương quan cao hoặc thấp giữa các anten. Độ khả dụng của đa anten phát và thu có thể được sử dụng để tạo ra nhiều kênh truyền song song thông qua giao diên vô tuyến. Điều này mang lại khả năng tận dụng băng thông mà không cần giảm thông tin với cùng công suất. Nói cách khác là khả năng cho tốc độ dữ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ. Ta gọi đây là kỹ thuật ghép kênh không gian. 2. Mô hình MIMO tổng quát Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa trong hình 1. Hình 1. Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau: Nhóm học viên: Ngô Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh Trang 2 Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử  h11   h 21 H    h1N r   h12 h 22  h 2N r hN 1  t   hN 2  t     hN N  t r (1) Trong đó : hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.  Giả sử: x  x1 ,   T x 2 ,  , x N  là số liệu phát. t  y   y1 , y 2 ,  , y N   r  η  η1 , η 2 ,   T là số liệu thu. T  ηN là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu. r  T là ký hiệu phép toán chuyển vị. Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau:  y1   h11  y  h  2   21        y N r  h N 1  r h12  hN 1 t hN 2   x1   η1      h 22    x 2   η2  t                h N 2  h N N  x N  η N  t  r r t r  (2) Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận NrxNt trong phương trình (2) như sau: y= Hx+ (3) 3. Kênh SVD MIMO 3.1 Mô hình kênh SVD MIMO Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát và Nr anten thu như trên hình 1. Để tiện phân tích ta viết lại phương trình (3) y= Hx+ Nhóm học viên: Ngô Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh (3) Trang 3 Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử Trong đó  là vector AWGN phức có phân bố Ν c (0,  ) và E ηηH   σ 2 I N ;   r 2  N0 ; N0 là mật độ phổ công suất tạp âm. 2 H là ma trận kênh Nr x Nt. Khi khoảng cách giữa các anten lớn hơn nửa bước sóng và môi trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cột độc lập với nhau. Khi này, phân chia giá trị đơn SVD cho ta: H=UDVH (4) Với U và V là các ma trận nhất phân có kích thước Nr xNr và Nt xNt Toán tử (.)H là chuyển vị Hermitian Đối với ma trận nhất phân, ta có :UUH=INr và VVH=INt D là ma trận có kích thước Nr x Nt, gồm NA giá trị đơn không âm được ký hiệu là 11 / 2 ,..., λ1N/ 2 trên đường chéo chính của nó. Trong đó NA=min (Nt, Nr), và i với A i=1,2,...,N là các giá trị eigen của ma trận HHH. Các giá trị eigen của ma trận HHH được xác định như sau: det (HHH - I )=0 (5) hay: det(Q- I )=0 (6) Trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau: HH H , N  N r t Q H  H H, N r  N t (7) Các cột của ma trận U là vector eigen của HHH còn các cột của ma trận V là vector eigen của HHH. Số các giá trị eigen khác không của HH H chính bằng hạng của ma trận này. Nếu Nt= Nr thì D là một ma trận đường chéo. Nếu Nt >Nr thì D gồm một ma trận đường chéo Nr x Nr và sau đó là Nt –Nr cột bằng không. Trong trường hợp số anten phát lớn hơn số anten thu, D sẽ được tạo ra từ ma trận vuông bậc Nr và tiếp sau là Nt- Nr cột bằng 0 như sau: Nhóm học viên: Ngô Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh Trang 4 Kỹ thuật đa Anten  λ1/2  1  0 D    0  Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử 0  λ1/2  2    0 0 0  0  0   λ1/2 N 0  r 0  0   0  (8) Trong trường hợp này ma trận V chỉ có Nr hàng sử dụng được, còn Nt- Nr hàng còn lại không sử dụng được. Khi này Nr phần tử đầu của ma trận x được sử dụng và Nt- Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không. Trường hợp đặc biệt có Nt anten phát nhưng chỉ có một anten thu (Nr = 1). Khi này ma trận U có kích thước 1x1 và chỉ sử dụng được một hàng của ma trận V. Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhiều hơn số anten phát (Nt - Xem thêm -