Tài liệu Công nghệ mimo và ứng dụng trong mte

Chương 1: CÔNG NGHỆ MIMO Mục ñích của chương này là trình bày về các kiến thức tổng quan của kỹ thuật MIMO ñược sử dụng ñể phát triển 3G, ñặc biệt là LTE. Nội dung ñược trình bày trong chương bao gồm: - Giới thiệu chung - Ưu ñiểm của hệ thống MIMO - Mô hình kênh MIMO - Dung năng kênh MIMO - Mã hóa không gian - thời gian và ghép kênh không gian - Một số phương pháp tổ hợp ñầu thu 1.1. Giới thiệu chung Trong sự phát triển không ngừng của ngành thông tin và truyền thông, nhất là truyền thông không dây, những dịch vụ ña phương tiện là một yêu cầu tất yếu của ñời sống xã hội. Tuy nhiên, những thách thức của công nghệ truyền thông không phải là nhỏ. Nó ảnh hưởng trực tiếp ñến chất lượng các dịch vụ ñã, ñang và sẽ ñược cung cấp cho xã hội. Khi mà dịch vụ gia tăng cả về mặt số lượng lẫn chất lượng thì ảnh hưởng ấy càng trở nên rõ ràng, nghiêm trọng hơn. Thứ nhất phải kể ñến vấn ñề sử dụng tần số một cách hiệu quả. Như chúng ta ñã biết, tần số là nguồn tài nguyên hạn chế, ñược hoạch ñịnh và quản lý rất chặt chẽ. Mọi hoạt ñộng truyền thông không dây dù ít hay nhiều ñều cần ñến một dải tần số nhất ñịnh ñể thu-phát tín hiệu. Nâng cao hiệu suất phổ ñã là vấn ñề “nóng” không chỉ của riêng ai, nay lại càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Thứ hai, song song với việc tăng tốc ñộ truyền tin chúng ta cần chú ý việc nâng cao ñộ tin cậy thông tin nhằm ñáp ứng lại những yêu cầu của dịch vụ truyền thông ña phương tiện ngày càng phát triển mạnh mẽ. Một khi tốc ñộ và ñộ tin cậy thông tin ñược cải thiện, chất lượng dịch vụ cũng ñược nâng cao. Thứ ba là thách thức ñến từ hiện tượng pha-ñinh ña ñường gây ra. Trong môi trường truyền thông không dây, tín hiệu phát ñến ñược nơi thu qua nhiều ñường khác nhau do sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ gây nên. Tín hiệu thu ñược sẽ gồm nhiều tín hiệu chồng chập mà mức ñộ thăng giáng cường ñộ và pha là khác 5 nhau. Xét cho cùng thì ñó không phải do nhiễu gây nên, mà ñó là một dạng của tín hiệu phát bị biến dạng và nó cũng mang thông tin của tín hiệu phát. Nếu tận dụng ñược những thông tin ấy ñể nâng cao chất lượng bên thu thì sẽ tăng ñáng kể tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio). Một ưu ñiểm chính của hệ thống truyền thông không dây là khả năng di ñộng của các thiết bị ñầu cuối thông tin. ðó cũng là một thách thức cho quá trình thu. Khi máy thu và máy phát chuyển ñộng tương ñối với nhau bằng vận tốc khác không, tần số tại máy thu sẽ bị xê dịch so với tần số gốc một lượng nhất ñịnh tùy thuộc vào vận tốc di chuyển, người ta gọi ñó là hiệu ứng Doppler. ðể giải quyết ñược vấn ñề tăng tốc ñộ và ñộ tin cậy truyền tin, có hai kỹ thuật chính ñược sử dụng ñó là phân tập thời gian và phân tập tần số. Phân tập thời gian dựa vào những thông tin ñược phát lặp lại ở bên phát còn phân tập tần số dựa trên cơ sở phát lặp ở những dải tần khác nhau. Tuy vậy, cả hai giải pháp ñó ñều gây nên sự lãng phí về tốc ñộ truyền cũng như băng tần. Một giải pháp kỹ thuật khác ñã khắc phục ñược phần nào những khuyết ñiểm của hai kỹ thuật trên, ñó là phân tập không gian hay còn ñược gọi là phân tập anten. Phương pháp này sử dụng những thông tin phát ở nhiều anten khác nhau mà không ảnh hưởng ñến sự vi phạm về dải tần cũng như tốc ñộ truyền thông tin. Tương tự như bên phát, tại bên thu cũng có thể sử dụng nhiều anten ñể “gom lại” tối ña những thông tin thu ñược ñể quyết ñịnh giải mã những thông tin ñã phát. Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu ñược gọi là hệ thống MIMO. Thông qua bộ mã hóa không gian-thời gian STC (Space-Time Code), ghép kênh không gian SM (Spatial Multiplexing) bên phát và phương pháp tổ hợp tín hiệu ñầu thu, hệ thống MIMO có thể tăng dung năng kênh mà không cần tăng dải tần và công suất phát. Bên cạnh ñó, với việc mã hóa và giải mã trực giao, thông tin phục hồi tại bên thu có thể tăng ñộ tin cậy, giảm thiểu lỗi kênh truyền. Cộng với việc tận dụng thông tin kênh truyền có ñược tại bộ thu, mà máy phát ñiều chỉnh công suất phát hợp lý ñể nâng cao chất lượng hệ thống. Nếu như ở những hệ truyền thông vô tuyến một anten phát - một anten thu SISO (Single Input Single Output) hiện tượng pha-ñinh ña ñường gây khó khăn lớn cho bộ thu thì với hệ MIMO, nó lại ñược chuyển hóa thành tín hiệu có ích, tạo nên một 6 lợi thế nhất ñịnh. Từ ñó, năng lượng tín hiệu thu ñược cải thiện ñáng kể từ những tín hiệu có ích, làm tăng tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu và rất hữu ích cho việc quyết ñịnh tín hiệu phát ban ñầu. Tuy nhiên, khi tín hiệu ñược phát trong môi trường pha-ñinh ña ñường, trải trễ do kênh gây ra sẽ rất lớn. Khi muốn tăng tốc ñộ truyền tin, nghĩa là phải giảm chu kỳ ký hiệu của thông tin phát. Lúc ñó, trải trễ sẽ lớn hơn chu kỳ ký hiệu và gây ra kênh sự giảm chọn lọc tần số, tín hiệu sẽ bị méo dạng và dễ gây ra nhiễu xuyên ký hiệu ISI (Intersymbol Interference). Như vậy, kỹ thuật MIMO ñã tận dụng thông tin dư thừa trong miền không gian làm tăng dung năng kênh và ñộ tin cậy trong truyền tin, nhưng lại vướng phải một vấn ñề về ñặc tính chọn lọc tần số của kênh trong môi trường ña ñường. 1.2. Ưu ñiểm của hệ thống MIMO Hệ thống MIMO cung cấp các ưu ñiểm sau: - ðộ lợi dàn: Do sử dụng nhiều anten, ñộ lợi dàn tăng làm tăng vùng phủ sóng và cự ly. ðiều này có lợi cho các vùng xa xôi ít người khi có thể sử dụng ít các trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) hơn. Mặt khác, cũng có thể giảm công suất phát của các thiết bị ñầu cuối nhờ tăng ñộ lợi của BTS thu. - ðộ lợi phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao ñộng ngẫu nhiên (hoặc yếu dần). Phân tập là một kỹ thuật mạnh ñể truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số và không gian ñể phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát. ðiều này sẽ làm giảm tỉ lệ lỗi bit. Có thể sử dụng phân tập không gian (anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số. Tuy nhiên, phân tập không gian ñược ưu thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền dẫn. - ðộ lợi ghép kênh không gian: Kênh MIMO ñưa ra sự tăng tuyến tính của dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông. ðộ lợi này ñược thực hiện bằng việc phát các tín hiệu ñộc lập từ các anten riêng biệt. - Giảm giao thoa: Giao thoa ñồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số trong kênh không dây. Khi ña anten ñược sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu ñồng kênh có thể ñược khai thác ñể giảm giao thoa. 7 - Kết hợp công suất: Trong trường hợp có M anten ñược thực hiện ở ñường xuống và mỗi anten ñược ñiều khiển bởi 1 bộ khuyếch ñại công suất với tốc ñộ tương ñương ở trường hợp 1 anten, hệ số kết hợp công suất sẽ là 10log10(M). 1.3. Mô hình kênh MIMO Giả sử hệ thống MIMO ta xét gồm nT ñầu vào tương ứng với nT anten phát và nR ñầu ra tương ứng với nR anten thu. Hệ thống có thể ñược mô tả trên hình 1-1. Snr ~ S1 1 1 y1 ~ S2 2 2 y2 ~ Snr nT nR ynr ~ y1 Bộ xử lý tín hiệu S2 Bộ xử lý tín hiệu S1 ~ y2 ~ ynr Kênh vô tuyến MIMO Hình 1.1. Hệ thống MIMO có nT ăng-ten phát và nR ăng-ten thu Khi chỉ có một anten phát và một anten thu, hệ thống suy biến thành hệ thống một ñầu vào và một ñầu ra, SISO (Single-Input Single-Output). Còn nếu có nT > 1 anten phát và một anten thu thì ñó là hệ MISO (Multi- Input Single-Output), ngược lại nếu chỉ có một anten phát và có nR > 1 anten thu thì hệ thống suy biến thành hệ SIMO (Single-Input Single-Output). Với mô hình trên, mỗi kênh truyền dẫn giữa một cặp anten phát i và anten thu j là một kênh vô tuyến có ñáp ứng kênh truyền là hj,i, j = 1,2,..., nR, i = 1,2, ...., nT. Vậy nên, hệ thống sẽ có nTnR kênh vô tuyến thành phần, nghĩa là nTnR kênh SISO. Các kênh thành phần này có thể ñộc lập hoặc tương qua với nhau. Tại một thời ñiểm nhất ñịnh, các tín hiệu x1, x2,..., xn T ñược phát trên tương ứng trên nT ăng-ten phát. Sau ñó tại bên thu ñã nhận ñược các tín hiệu y1, y2,...,y n . Khi R ñó, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và ñáp ứng kênh truyền ñược biểu diễn như sau: 8 (1.1) y = Hx + w [ Trong ñó, y = y1 y 2 ...y n ] , x = [x x ...x ] là véctơ tín hiệu thu, phát. Ký T R T 1 2 nT hiệu T phía trên ñể biểu thị phép chuyển vị trong ma trận, cụ thể ở ñây là chuyển từ véctơ sang biểu diễn dạng véctơ cột. H= w = [w1w 2 ...w n ] T R là ma trận tăng ích kênh; là véctơ tạp âm Gauss trắng cộng tính AWGN (Additive White Gaussian Noise). Từng thành phần, wj, j = 1,2, ...,nR, có giá trị ngẫu nhiên theo phân 2 bố Gauss với trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng σ , cũng có thể ký hiệu dạng wj ∼ N (0, σ 2 ). Nếu N véctơ X1, X2,..., XN ñược phát liên tiếp, dữ liệu thu ñược sẽ là X1, X2,..., XN. Lúc này, mối quan hệ vào-ra có thể ñược biểu diễn dưới dạng ma trận như sau: Y = HX + W (1.2) Trong ñó: Y = [Y1 Y2... YN], X = [X1 X2... XN], W= [W1 W2... WN] là các thành phần tín hiệu thu, tín hiệu phát và nhiễu. ðể biểu diễn và thuận tiện trong quá trình mô phỏng tính toán, người ta cũng thường dùng các biến ñổi qua lại từ ma trận (biểu diễn bằng mảng hai chiều) sang hàng, cột dữ liệu (biểu diễn bằng mảng một chiều) và ngược lại. Phép biến ñổi véctơ hóa dùng ñể chuyển ñổi từ mảng nhiều chiều sang mảng một chiều. Nếu ñặt yvec = vec(Y), hvec = vec(H) và wvec= vec(W), thì biểu thức (1.2) có thể ñược viết lại dưới dạng như sau: y vec = ( X T ⊗ I n ) ⋅ h vec + w vec R (1.3) Trong ñó, I n là ma trận ñơn vị kích cỡ nR x nR và ⊗ là phép nhân ma trận R Kronecker. Một giả thiết thường ñược sử dụng khi nghiên cứu về mô hình kênh MIMO là các phần tử trong ma trận kênh H ñộc lập thống kê với nhau, cũng có nghĩa là các kênh ñơn ñộc lập thống kê với nhau. Tuy nhiên, trên thực tế thì các thành phần ấy không ñộc lập với nhau vì nếu hai sóng ñiện từ có nguồn gốc từ hai anten khác nhau, ñược phản xạ bởi cùng một vật thể, các hệ số lan truyền kết hợp với mỗi sóng này sẽ tương quan. Nói chung, những thành phần của H là tương quan bằng một 9 lượng phụ thuộc vào môi trường lan truyền cũng như sự phân cực hóa của các thành phần anten và khoảng cách giữa chúng. Một mô hình khả thi với H là tách sự tương quan pha-ñinh hệ thống thành 2 thành phần ñộc lập, tương quan phát (transmit correlation) và tương quan thu (receive correlation), ñược mô hình như sau [5]: H = R 1r/ 2 H w R 1t/ 2 (1.4) Trong ñó, Hw là ma trận mà các phần tử của nó là biến Gauss và ñộc lập có phương sai 1 và ký hiệu ( ⋅ )1/2 là căn Hermitian bậc 2 của ma trận. Ma trận Rr xác ñịnh sự tương quan giữa các hàng của H, và ñược dùng ñể mô hình sự tương quan giữa các anten nhận. Ma trận Rt ñược gọi là ma trận tương quan phát và mô hình hiệp phương sai của các cột của H tương ứng. Một ñiều quan trọng khác của kênh vô tuyến mà không thể không quan tâm, ñó là hiện tượng pha-ñinh ña ñường. Khi không gian lan truyền sóng mở rộng theo thời gian cũng như khoảng cách, tín hiệu phát không chỉ truyền thẳng mà một phần bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ bởi môi trường. Nó làm cho tín hiệu thu không còn là duy nhất mà ñược tổng hợp, chồng chập của các tín hiệu ñến trễ, có cường ñộ, pha là khác nhau. ðể biểu diễn cả hiện tượng pha-ñinh ña ñường ấy vào trong mối liên hệ lối vào-lối ra bằng ma trận, trước hết ta biểu diễn ñáp ứng kênh truyền ứng giữa máy phát thứ i và máy thu thứ j bằng: hj,i = [hj,i (L-1) ... hj,i (0)] (1.5) Trong ñó, L là ñộ trễ lớn nhất trong kênh ña ñường, hj,i (k), k = 0,1,..., L - 1 là ñộ tăng ích với từng thành phần ña ñường. Từ ñó, biểu thức liên hệ giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát có thể ñược viết dưới dạng:  h1,1 Λ  y(k ) =  Μ Ο h n ,1 Λ  R h 1,n   x1 ( k )    Μ   Μ  + w (k ) h n ,n   x n (k ) T R T (1.6) T Trong ñó, xj (k)= [xj(k-L+1)...xj (k)]T, j = 1,2, ..., nT (1.7) w(k) = [w1(k)w2(k)...wn R (k)]T (1.8) 10 1.4. Dung năng kênh MIMO 1.4.1. Dung năng kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO Năm 1948, Shannon lần ñầu tiên ñề xuất dung năng kênh cho kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN) có giá trị bằng: P   C = B ⋅ log 2 1 + 02 bits / s  σ  (1.9) 2 Trong ñó, B, P0 và σ là dải thông kênh truyền, công suất phát và công suất nhiễu. Bằng việc thực hiện phân tập không gian, hệ thống MIMO có thể cải thiện ñáng kể chất lượng truyền thông (tỉ lệ bít lỗi BER) cũng như tốc ñộ truyền dẫn (bits/s). Trước tiên, chúng ta sẽ khảo sát dung năng kênh MIMO với số lượng anten phát, thu khác nhau và suy biến SISO, SIMO, MISO.
Dung năng kênh SISO Với nT = nR = 1, hệ thống trên hình 1.1 trở thành hệ SISO. Lúc ñó ma trận kênh suy biến thành hệ số nhân, H → h. Vậy nên dung năng hệ thống SISO trở thành: C SISO  P0 h 2 = log 2 1 +  σ2   bps / Hz   (1.10) Từ công thức (1.10) dễ nhận thấy dung năng kênh SISO tăng rất chậm với hàm loga của tỉ số tín trên tạp âm. Hơn nữa, suy hao pha-ñinh có thể gây dao ñộng mạnh về mức công suất tín hiệu, tăng phương sai hay công suất nhiễu. Ở ñây, mô hình mới chỉ xử lý tín hiệu trong miền thời gian và tần số mà miền không gian chưa ñược nói tới.
Dung năng kênh SIMO Với nT = 1, nR > 2, hệ thống trở thành hệ SIMO và ma trận kênh suy biến thành véctơ kênh, H→h(nT x1). Lúc ñó tại bên thu có nhiều anten ñể thu cùng một tín hiệu từ anten bên phát. Chưa kể ñến việc xử lý tín hiệu tại bên thu, năng lượng thu ñược ñã tăng lên ñáng kể. Vậy nên dung năng kênh SIMO ñược tính bằng: 2 P n  CSIMO = log 2 1 + 02 ∑ h j   σ j=1  R (1.11) trong ñó, hj là hệ số tăng ích phức của kênh từ anten phát ñến anten thu thứ j. Trong trường hợp này, dung năng kênh tăng theo hàm loga của cả tỉ số SNR và số lượng 11 anten thu nR. Do vậy dung năng kênh SIMO chắc chắn sẽ lớn hơn trường hợp hệ SISO. Chất lượng thực của hệ phụ thuộc vào bản chất của kênh và ñộ tương quan giữa các anten.
Dung năng kênh MISO Với nT > 2, nR = 1, hệ thống trở thành hệ MISO và lúc này ma trận kênh cũng suy biến thành véctơ kênh, H→h(nR). Dung năng hệ MISO có dạng: C MISO  P0    2 nT n = log 2 1 + 2 ∑ h i bps / Hz σ i=1     T (1.12) trong dó, hi là hệ số tăng ích phức của kênh từ anten phát thứ i ñến anten thu. Nhìn vào công thức dung năng trường hợp SIMO và MISO ta dễ nhận thấy rằng CMISO - Xem thêm -