Tài liệu Hiệu năng của hệ thống thông tin không dây mimo

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRỊNH THỊ DIỆP HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY MIMO Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Nguyễn Viết Kính Hà Nội – 2010 ii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của giáo viên PGS. TS Nguyễn Viết Kính. Mọi nội dung tham khảo của luận văn đều được sự đồng ý trực tiếp hoặc gián tiếp của tác giả. Người cam đoan Trịnh Thị Diệp iii Lời cảm ơn! Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, những người đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong thời gian học tập tại trường Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Viết Kính người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại Học Công nghệ, Người đã truyền cho em cách tư duy có hệ thống, phương pháp nghiên cứu, và cách tiếp cận thực tế - Tất cả đều là hành trang giúp em vững tin hơn trong công việc của mình. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể cán bộ của bộ môn Thông Tin Vô Tuyến - những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong suốt hai năm qua. Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đặc biệt là tập thể lớp CHK15Đ1, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ với em trong suốt hai năm qua. Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2010 Học viên thực hiện : Trịnh Thị Diệp iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................1 Chƣơng I - GIỚI THIỆU CHUNG ...........................................................2 1.1. Sự ra đời của MIMO ........................................................................................... 2 1.2. Cấu trúc hệ thống MIMO ................................................................................... 2 1.2.1 Khối phát .................................................................................................. 3 1.2.2. Khối thu.................................................................................................... 4 1.3. Kỹ thuật phân tập dùng trong MIMO ............................................................... 8 1.3.1. Khái niệm về kỹ thuật phân tập ................................................................ 8 1.3.2 Phân loại.................................................................................................. 9 1.3.3. Ứng dụng............................................................................................... 11 1.4. Kỹ thuật tổ hợp ................................................................................................ 11 Chƣơng II - MÔ HÌNH KÊNH MIMO ................................................. 16 2.1. Các đặc trƣng lan truyền của kênh vô tuyến ................................................... 16 2.1.1. Hiệu ứng đa đường .............................................................................. 16 2.1.2. Hiệu ứng Doppler .................................................................................. 18 2.1.3. Hiệu ứng Phading .................................................................................. 20 2.3. Kênh MIMO ...................................................................................................... 21 2.3.1. Các thuộc tính kênh MIMO và dung năng ............................................ 22 2.4. Phân loại mô hình kênh .................................................................................... 23 2.5. Mô hình giải tích .............................................................................................. 26 2.5.1. Các mô hình giải tích dựa trên tương quan .............................................. 26 2.5.1.1. Mô hình i.i.d ............................................................................... 27 2.5.1.2. Mô hình Kronecker ..................................................................... 27 2.5.1.3. Mô hình Weichselberger ............................................................. 28 2.5.2. Các mô hình giải tích dựa vào chuyển động ............................................ 29 2.5.2. 1. Mô hình tán xạ hữu hạn ............................................................. 29 2.5.2.2. Mô hình Entropy cực đại ............................................................ 30 Chƣơng III - DUNG NĂNG CỦA KÊNH MIMO ................................. 33 TRONG MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP ........................................................... 33 3.1. Khái niệm về dung năng kênh .......................................................................... 33 3.2. Phân loại dung năng.......................................................................................... 34 3.3. Nguyên tắc chung tính dung năng .................................................................... 34 3.4. Dung năng của kênh MIMO trong một số trƣờng hợp cụ thể. ....................... 35 3.4.1. Dung năng của hệ kênh SISO ................................................................. 35 v 3.4.2. Dung năng của kênh MIMO có sự ràng buộc công suất .......................... 36 3.4.3. Dung năng của kênh MIMO, nếu phía phát biết kênh truyền .................. 40 3.5. Một vài kết quả mô phỏng (chƣơng trình xem phần phụ lục) ........................ 45 Chƣơng IV - NHỮNG GIỚI HẠN KẾT QUẢ VỀ DUNG NĂNG CỦA HỆ MIMO ĐƠN NGƢỜI DÙNG .............................................................. 47 4.1. Một vài chú ý : ................................................................................................... 47 4.2. MIMO đơn ngƣời dùng .................................................................................... 49 4.2.1. Lý do nghiên cứu MIMO đơn người dùng .............................................. 49 4.2.2. Mô hình kênh và tính dung năng của kênh .............................................. 49 4.2.2.1. Mô hình kênh ............................................................................... 49 4.2.2.2. Biết thông tin trạng thái kênh ở phía thu (CSIR) và thông tin về phân bố kênh ở phía phát (CDIT) hoàn hảo. ............................................ 49 4.2.2.3. Mô hình CDIT và mô hình CDIR : ............................................... 52 4.2.3. Dung năng kênh MIMO không thay đổi................................................. 52 4.2.4. Dung năng kênh MIMO phading ............................................................ 53 4.2.4.1. Dung năng với CSIT hoàn hảo và CSIR hoàn hảo: ...................... 53 4.2.4.2. Dung năng với mô hình CSIR và CDIT : Mô hình ZMSW ........... 54 4.2.4.3. Dung năng với mô hình CSIR và CDIT hoàn hảo:Các mô hình CMI và CCI ............................................................................................. 56 4.2.4.4. Dung năng với CDIT và CDIR : Mô hình ZMSW ....................... 59 4.2.4.5. Dung năng với CDIR và CDIT : Mô hình CCI .......................... 60 4.2.4.6. Các kênh Phading chọn lọc tần số ............................................. 61 4.2.2.7 . Việc tập luyện đối với các hệ thống đa anten .............................. 61 4.3. Các vấn đề mở trong MIMO đơn ngƣời dùng ................................................. 62 KẾT LUẬN ................................................................................................. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 65 PHỤ LỤC .................................................................................................... 67 vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Nhiễu Gauss trắng cộng tính AGWN Additive Gaussian White Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell Laboratories Layered Space-Time CCI Channel Covariance Information Thông tin hiệp phương sai kênh CDI Channel Distribution Information Thông tin phân bố kênh CDIR CDIT Receiver Tỷ lệ lỗi bit Channel thời gian được phân lớp Distribution Thông tin phân bố kênh ở bên Inforamtion Transmitter Các thí nghiệm của Bell về không thu Channel Distribution Thông tin phân bố kênh ở bên Information phát CMI Channel Mean Information Thông tin trung bình kênh CNR Carrier to Noise Ratio CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CSIT Transmitter Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fouriê rời rạc DoA Direction of Departure Hướng góc đi DoD Direction of Arrival Hướng của góc tới GSCM Tỷ số công suất sóng mang trên tạp Goemetry based stochastic channel Mô hình kênh hỗn loạn dựa vào model hình học i.i.d Identical Independent distribution Phân bố độc lập đồng nhất ISI Intersymbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu LOS Line of sight Đường truyền thẳng MAC Multiple Access Channel Kênh đa truy nhập MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra MMSE Minimum mean square error MPC Multipath Component Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất Thành phần đa đường vii Kênh công suất lối vào kênh chia NIPC Non-Uniform Input Power Channel NLOS Non Line of Sight Không có đường truyền thẳng Rx Receiver Bộ thu SDMA Space Division Multiple Access SER Symbol Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit SIC Successive interference cancellation Loại bỏ nhiễu thành công SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào đa đầu ra SINR Signal-to-Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín trên ồn SVD Singular value decomposition Phân tích giá trị kỳ dị Tx Transmitter Bộ phát UIPC Uniform Input Power Channel ZF Zero forcing ZMSW Zero Mean Spatially White đều Đa truy cập phân chia theo không gian Kênh công suất lối vào kênh chia không đều Cưỡng ép về không Trắng không gian trung bình bằng 0 viii CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC  Liên hợp phức T Ma trận chuyển vị H Chuyển vị liên hợp phức từng phần (toán tử Hermitian) 1 / 2 Căn bậc hai ma trận  Chuẩn véc tơ x Giá trị trung bình của x E Giá trị kỳ vọng In Ma trận đơn vị cỡ n x n tr[K] Vết của ma trận vuông K  Tỷ số tín trên ồn C Dung năng của kênh truyền U, V Ma trận cơ sở, hay ma H Ma trận kênh truyền x Véc tơ đầu vào y Véc tơ đầu ra h(.) Entropy vi phân Kx Là ma trận hiệp biến của véc tơ ngẫu nhiên Gauss phức Λ Ma trận đường chéo ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ khối phát của hệ thống đa anten thông thường .....................................3 Hình 1.2. Sơ đồ khối thu của hệ thống đa anten thông thường .......................................3 Hình 1.3. Độ lợi mảng ..................................................................................................6 Hình 1.4. Suy giảm can nhiễu.......................................................................................7 Hình 1.5. Hợp kênh không gian .....................................................................................8 Hình 1.6. Bộ tổ hợp trong phân tập không gian ......................................................... 12 Hình 1.7. Các bộ tổ hợp: a) Quét lựa chọn SC, b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ tổ hợp tỷ số tối đa . ................................................................................................................. 13 Hình 1.8. SER của 3 phương pháp khi số anten là 2, điều chế QAM .......................... 13 Hình 1.9. SER theo số anten tăng từ 1 đến 4 (phương pháp MRC điều chế BPSK) ...14 Hình 2.1. Minh họa hiệu ứng đa đường .....................................................................17 Hình 2.2. Trải trễ.......................................................................................................17 Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler ....................................................................................... 18 Hình 2.4. Mật độ phổ của tín hiệu thu ........................................................................ 19 Hình 2.5. Phân loại Phading ....................................................................................... 20 Hình 2.6. Kênh MIMO M x N ................................................................................... 21 Hình 2.7. Phân loại kênh MIMO và các mô hình lan truyền. ......................................24 Hình 2.8. Ví dụ về mô hình vật tán xạ hữu hạn với tán xạ đơn biên (đường liền nét ), tán xạ đa biên (đường đứt nét) và một thành phần “chia tách” (đường nét chấm) ......... 28 Hình 3.1. Dung năng ergodic của kênh SISO phading Rayleigh (đường nét chấm) được so sánh với dung năng Shanon của kênh SISO (đường nét liền) .......................... 36 Hình 3.2. Dung năng Shanon của kênh SISO (đường nét chấm), được so sánh với dung năng ergodic của kênh MIMO phading Rayleigh với trường hợp NT = NR = 6 ..40 Hình 3.3. Ví dụ về thuật toán đổ nước ........................................................................ 42 Hình3.4. Dung năng của hệ thống MIMO với số lượng anten thu/phát khác nhau ......45 Hình 3.5. Hàm phân bố mật độ xác suất của các phần tử ma trận kênh khi phân tích ma trận kênh H ............................................................................................................ 46 Hình 4.1. Kênh MIMO với CSIR hoàn hảo và phản hồi phân bố ................................ 50 Hình 4.2. Kênh MIMO với CSIR hoàn hảo và CDIT (  được cố định) ........................ 51 Hình 4.3. Kênh MIMO với CDIR và phản hồi phân bố .............................................. 52 Hình 4.4. Kênh MIMO với CDIT và CDIR (  được cố định) ...................................52 Hình 4.5. CDF của dung năng cho kênh MIMO i.i.d với M = N = 2 và SNR = 10dB .55 Hình 4.6. Minh họa các điều kiện cần và đủ (4.8) ....................................................... 57 1 MỞ ĐẦU Nhu cầu truyền thông không dây tốc độ cao đã và đang gia tăng một cách mạnh mẽ. Các công nghệ truyền thông không dây đang tồn tại, không thể hỗ trợ các tốc độ dữ liệu băng rộng một cách hiệu quả, vì chúng rất nhạy với hiện tượng phading. Để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh của các ứng dụng băng rộng có chất lượng cao, các hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) tuy mới ra đời gần đây, nhưng nó lại là một công nghệ quan trọng trong các hệ thống truyền thông không dây, hứa hẹn mang đến một phương thức mới có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao và độ tin cậy cao mà không phải mở rộng phổ tần hiệu dụng cho hệ thống truyền thông không dây trong tương lai. Tuy vậy, công nghệ này không hoàn toàn tối ưu, mà bản thân nó vẫn còn tồn tại những giới hạn về dung năng. Đánh giá về hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO liên quan đến các vấn đề, bao gồm dung năng kênh, tỷ lệ lỗi bít, v.v…Theo hướng đó, luận văn này, sẽ xét hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO theo dung năng của kênh MIMO, và đánh giá những giới hạn về kết quả dung năng của hệ MIMO đơn người dùng. Luận văn được kết cấu thành 4 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về hệ MIMO, những lợi điểm của hệ này so với hệ SISO truyền thống. Chương 2 giới thiệu về mô hình kênh. Chương 3, trình bày về dung năng kênh MIMO trong một số trường hợp. Và chương 4 tìm hiểu về những giới hạn tồn tại trong hệ MIMO đơn người dùng 2 Chƣơng I - GIỚI THIỆU CHUNG [5], [8] 1.1. Sự ra đời của MIMO Hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO đang dần được khẳng định, và nhờ vào đó, con người có thể giao tiếp với nhau mọi lúc mọi nơi, một cách thuận lợi hơn. Nhưng để đạt được những thành tựu như vậy, thì hệ thống thông tin không dây phải đối phó được với phading, trong đó có phading đa đường và can nhiễu giữa các tín hiệu. Theo truyền thống, việc thiết kế hệ thống thông tin không dây tập trung chủ yếu vào việc tăng độ tin cậy của tín hiệu ở nơi thu, qua không gian với sự có mặt của phading và can nhiễu, được coi là một vấn đề lớn. Gần đây, do tài nguyên là phổ tần số hầu như đã sử dụng hết, nên vấn đề tăng cường hiệu suất phổ trong hệ phading do hiện tượng đa đường, được coi như một bài toán cần có lời giải. Từ yêu cầu đó, năm 1996 một nhóm nghiên cứu trong trường Đại học Standford đã giới thiệu mô hình MIMO. Đây là thành công đầu tiên của công nghệ trong phòng thí nghiệm, được công bố tại trung tâm nghiên cứu không dây thuộc Bell Labs ở New Jersy tháng 9, 1998. Sau đó là thành công trong việc chứng minh mô hình ngoài trời được Gigabit Wireless, inc và Đại học Standford giới thiệu vào tháng 6, 1999. Tháng 9, 2002 Isopan Wireless, inc đã giới thiệu sản phẩm đầu tiên… Và gần đây, đã có rất nhiều bài báo và các sự kiện đã đóng góp to lớn đến việc xây dựng nền tảng trong lĩnh vực này. Trong số đó, phải kể đến bài báo mã hóa không thời gian, đây là bước ngoặt lớn cho hệ thống thông tin không dây, và hứa hẹn một dung năng khổng lồ mà hệ thống đa anten trong kênh truyền phading mang lại. Tại đó, đã được chứng minh rằng: với giả thiết sự thăng giáng độc lập và nguồn ồn khác nhau tại các anten khác nhau, dung năng của hệ thống đa anten so với hệ thống đơn anten có thể là rất lớn. Chẳng hạn: nếu số lượng anten thu bằng số lượng anten phát, dung năng truyền có thể tăng tuyến tính xấp xỉ số lượng này. 1.2. Cấu trúc hệ thống MIMO Có hai phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để xử lý những vấn đề gây ra bởi hiện tượng phading là tính phân tập và tạo chùm tia. Ý tưởng cơ bản của phân tập là để thực hiện hai hay nhiều bản sao của cùng một tín hiệu thông tin, được truyền thông qua các kênh phading độc lập, khi đó sẽ làm giảm đồng thời xác suất của tất cả các thành phần bị phading. Trong khi đó, phương pháp tạo chùm lại tập trung năng lượng về hướng mà cả SNR và SIR đều tăng. Các hệ 3 thống MIMO sử dụng cả hai phương pháp ở trên để chống lại phading và có những lợi điểm của việc đưa vào độ lợi phân tập tại cả hai phía qua hệ liên kết, trong đó mỗi một phía là một anten mảng (xét chi tiết ở phần sau). Một hệ thống đa anten thu và phát thông thường được trình bày thông qua các hình 1.1, và 1.2 như sau: Hình 1.1. Sơ đồ khối phát của hệ thống đa anten thông thường Hình 1.2. Sơ đồ khối thu của hệ thống đa anten thông thường 1.2.1 Khối phát Theo sơ đồ khối của hình 1.1, dữ liệu đầu tiên được mã hóa và được ghép xen. Khi đó có một khối dữ liệu gồm Nt ký hiệu được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp - song song, sau đó được điều chế. Cuối cùng, mỗi một ký hiệu được cấp tới một trong số Nt anten, vì vậy mà Nt ký hiệu được truyền đi. o Bộ mã hóa: Là một thiết bị dùng để chuyển đổi tín hiệu (chẳng hạn như một dòng bít) hay dữ liệu được chuyển thành một mã. Mã có thể dùng cho bất kỳ mục đích nào như là nén thông tin cho việc truyền dẫn, và lưu trữ mật mã hóa. Một bộ mã hóa kênh được sử dụng để đưa thêm một số dư thừa vào trong chuỗi thông tin 4 nhị phân, và điều này đã khiến cho bộ thu có thể loại bỏ được các hiệu ứng của ồn và can nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền dẫn. o Bộ ghép xen Ghép xen được sử dụng trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu số để chống lại lỗi cụm, các lỗi này dưới dạng các bit theo một dòng. Vì vậy, một sơ đồ sửa lỗi điển hình, trong đó coi rằng phân bố lỗi là có dạng phân bố đều, có thể tránh được khó khăn này. Ghép xen được sử dụng để ngẫu nhiên hóa lỗi bít trước khi dữ liệu được giải mã. Tại nơi phát, các bit mã hóa được hoán vị theo một cách nhất định để đảm bảo rằng các bit liền kề được cách nhau một vài bit sau khi ghép xen. Còn tại nơi thu, sự hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã. Kiểu ghép xen thường được sử dụng là xen khối (block interleaver) gồm NB bit = d cột x m hàng, trong đó chuỗi dữ liệu vào, được đưa vào một ma trận theo cột và được đọc theo hàng, khi đó bit xen thứ i liên hệ với bit mã hóa thứ k ở lối vào là:  id   k  id  ( N B  1) floor N  B (1.1) o Bộ điều chế Bộ điều chế thực hiện chức năng điều chế, và đảm nhiệm như một giao diện với kênh thông tin. Mục đích cơ bản của điều chế số là để ánh xạ chuỗi thông tin nhị phân, thành những dạng sóng tín hiệu. Điều chế thực chất là một qúa trình thay đổi một dạng sóng để sử dụng tín hiệu đó cho việc truyền tải một bản tin, và thường sử dụng các bộ điều chế M - QAM, MPSK, v.v… 1.2.2. Khối thu Theo hình 1.2, đầu tiên véc tơ thu được đưa tới bộ giải điều chế. Sau đó, mỗi khối Nt các ký hiệu đã được giải điều chế, được chuyển đổi từ song song sang nối tiếp thông qua bộ chuyển đổi song song nối tiếp. Sau đó được ghép xen và giải mã. Vì vậy dữ liệu được truyền đi bởi Nt anten phát sẽ được khôi phục lại tại bộ thu. o Bộ giải điều chế Một bộ giải điều chế được sử dụng để khôi phục lại nội dung thông tin từ tín hiệu thu được, có thể sử dụng các bộ giải điều chế gần giống nhất ML (Maxium Likelihood), truyền tuyến tính và BLAST SIC với véc tơ cưỡng ép 0/lỗi trung bình bình phương nhỏ nhất (ZF/MMSE) 5 o Bộ giải ghép xen Tại phía thu, sau khi giải điều chế, một bộ giải ghép xen được sử dụng để loại bỏ những ảnh hưởng của việc ghép xen. Bộ giải ghép xen đẩy dữ liệu thành chuỗi thích hợp và chuyển nó tới bộ giải mã. Nó sắp xếp dữ liệu thành dạng mảng hình chữ nhật, giống như bộ ghép xen nhưng nó đọc ra thành hàng. o Bộ giải mã Một bộ giải mã có chức năng ngược lại của bộ mã hóa, việc giải mã để thông tin ban đầu có thể được khôi phục. Có thể dùng một số thuật toán cho việc giải mã các mã nhân chập, chẳng hạn như thuật toán Viterbi, v.v… Trong đó, thuật toán Viterbi được sử dụng phổ biến vì thu được hiệu năng theo kiểu gần giống nhất. 1.3. Ƣu điểm cơ bản của hệ thống MIMO Như đã nói, hệ thống MIMO ra đời với mục đích: đáp ứng các nhu cầu truy cập tốc độ cao, do việc tăng các hiệu ứng môi trường và sức ép cạnh tranh từ mạng có dây LAN, thêm vào đó, trong tương lai của hệ thống audio/video gia đình vẫn sẽ đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao. Bên cạnh đó, hệ thống MIMO ra đời với hy vọng có thể cải thiện được những giới hạn của kênh truyền SISO, do tính năng đáng chú ý của hệ thống MIMO là khả năng truyền dẫn tốt trong kênh truyền chịu tác động của hiện tượng đa đường. Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau: a) Cải thiện được công suất tại nơi thu Xét một hệ thống SIMO 1 anten phát và 2 anten thu, thì tại nơi thu 2 anten sẽ nhận được các tín hiệu s1, s2 khác nhau của cùng một tín hiệu s phát. Do điều kiện truyền dẫn khác nhau, nên hai tín hiệu thu được này sẽ có sự sai khác về biên độ và pha. Thông tin trạng thái kênh truyền được nhận biết một cách chính xác tại nơi thu, và công suất tại nơi thu có thể được cải thiện nếu áp dụng một thuật toán xử lý tín hiệu để kết hợp s1, s2 thích hợp. 6 Hình 1.3. Độ lợi mảng Hay nói cách khác, SNR ở đầu ra là tổng của tất cả các SNR trên các đường truyền riêng biệt, khi đó sẽ thu được độ lợi mảng (hình 1.3) và chất lượng tín hiệu được nâng cao. Cũng có thể độ lợi mảng được sử dụng để đo sự tăng công suất tín hiệu thu trung bình (trong hệ MIMO, độ lợi mảng là một hàm của các giá trị riêng lớn nhất trong ma trận kênh truyền, và phụ thuộc vào số lượng anten thu/phát.) b) Tăng dung năng của hệ thống. Tăng dung năng của hệ thống hay làm giảm can nhiễu mà không cần phải tăng băng thông. Can nhiễu trong hệ thống không dây cũng giống như trong mạng điện thoại tế bào, nguyên lý cơ bản khi sử dụng lại tần số để tăng dung năng của hệ thống, tuy nhiên sẽ xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI, nhiễu này cộng vào ồn làm giảm hiệu năng của hệ thống. Hình 1.4 minh họa rõ ý tưởng cơ bản của phương pháp làm giảm can nhiễu trong hệ thống MIMO xét với hai máy thu. Với tín hiệu mong muốn s, tín hiệu không mong muốn i cùng đến tại máy thu, và ký hiệu phân chia không gian tương ứng là [s1s2 ]T và [i1i2]T 7 Hình 1.4. Suy giảm can nhiễu Để có thể tăng tỷ số tín trên can nhiễu, thì bộ thu có thể lợi dụng sự khác nhau về không gian tín hiệu để giảm nhiễu. Việc giảm can nhiễu cũng có thể được thực hiện tại nơi phát thông qua kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian, với mục đích là tăng cường công suất tín hiệu tại bộ thu và giảm tối đa can nhiễu giữa các kênh. c) Phân tập không gian. Ảnh hưởng của phading đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập không gian (chi tiết được trình bày trong phần sau) d) Hệ số phân tập Một nhận xét chính xác rằng: công suất tín hiệu truyền trên kênh truyền không dây thay đổi với các thông số về thời gian, tần số và không gian. Khi mà công suất tín hiệu bị tụt xuống dưới ngưỡng, kênh truyền được coi là trong trạng thái thăng giáng (phading). Phân tập chính là thể hiện sự thăng giáng của hệ thống không dây. Ý tưởng cơ sở bên cạnh phân tập là các phiên bản thu được của cùng một tín hiệu trên các đường liên kết riêng biệt (còn gọi là nhánh phân tập), khi số lượng nhánh phân tập tăng lên, xác suất mà một hay nhiều nhánh không rơi vào trạng thái thăng giáng tại một khỏng thời gian bất kỳ tăng lên. Phân tập hướng tới sự ổn định của đường liên kết không dây. Kỹ thuật phân tập sẽ xét chi tiết trong phần sau. e) Hệ số hợp kênh 8 Hệ số hợp kênh là đặc trưng nổi bật, được sử dụng trong hệ thống MIMO nhằm nâng cao dung năng hệ thống. Hình sau minh họa rõ tác động của hệ số hợp kênh có thể nhận được thông qua kỹ thuật hợp kênh không gian. Hình 1.5. Hợp kênh không gian Mặc dù MIMO hứa hẹn mang lại hiệu suất phổ cao hơn so với hệ thống SISO, và cũng là đòn bẩy trong việc tăng chất lượng truyền dẫn, nhưng chi phí giá thành cho thiết bị trong hệ MIMO là cao hơn (do sử dụng nhiều anten thu/phát,…), giải thuật xử lý tín hiệu cũng phức tạp hơn, chính vì vậy cần có những chiến lược hợp lý. Để khai thác hiệu quả thành phần không gian, nâng cao chất lượng và dung năng hệ thống, giảm ảnh hưởng phading, đồng thời tránh được hao phí băng thông, MIMO đã sử dụng kỹ thuật phân tập không gian. 1.4. Kỹ thuật phân tập dùng trong MIMO Khi xét hệ thống MIMO, thông qua sơ đồ khối hình 1.1, và 1.2 ta thấy, các khối dùng các kỹ thuật mã hóa, điều chế, v.v…dùng không chỉ cho hệ MIMO, mà còn dùng cho những hệ thống thông tin vô tuyến khác nói chung. Thực chất sự khác biệt là ở chỗ hệ MIMO đã dùng hai kỹ thuật phân tập/và tạo chùm tia, trong đó rất quan trọng là kỹ thuật phân tập. 1.4.1. Khái niệm về kỹ thuật phân tập Như chúng ta đã đề cập ở trên, hiện tượng phading đa đường được xem như một đặc điểm cố hữu của kênh vô tuyến, nó làm phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian. Những ảnh hưởng đó sinh ra trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, tác động tiêu cực rất mạnh đến tỷ lệ lỗi bit (BER) trong bất cứ loại điều chế nào. Truyền theo nhiều đường thường kéo dài thời gian cần thiết của phần băng gốc của tín hiệu tới nơi thu, làm cho tín hiệu bị 9 nhòe đi một cách đáng kể do giao thoa giữa các ký hiệu. Tuy nhiên, thông tin truyền qua kênh vô tuyến vẫn được đảm bảo nếu sử dụng kỹ thuật phân tập. Trên thực tế, nếu một vài bản sao của tín hiệu mang thông tin được phát đi một cách đồng thời trên các kênh phading độc lập, thì sẽ có ít nhất một tín hiệu thu không bị suy biến bởi phading trên kênh. Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được, hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm chống lại phading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu phading và nhiễu khác nhau. Nói cách khác, phân tập nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênh phading và thường được thực hiện bằng cách: dùng hai hay nhiều anten thu, kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ một nguồn phát. Do đó, sẽ cải thiện được chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do phading. 1.4.2 Phân loại Có nhiều cách thức khác nhau để phân loại, nhưng nếu đứng trên phương diện kỹ thuật truyền tín hiệu, thì phân tập được chia thành các loại sau: 1. Phân tập không gian[2], [3] : Là kỹ thuật sử dụng hai anten thu (hoặc nhiều hơn) và/hoặc hai anten phát, để truyền dẫn đồng thời cùng một tín hiệu trên một kênh vô tuyến. Trong khi một anten có thể hứng được điểm 0 của tín hiệu, thì một anten khác lại hứng được đỉnh của tín hiệu, và bộ thu có thể chọn lấy anten có hiệu quả tốt nhất tại bất kỳ thời điểm nào. Trong một anten mảng, tín hiệu thu được từ các phần tử khác nhau có thể lấy trọng số phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từng tín hiệu thành phần. Anten mảng này yêu cầu một công suất thấp hơn so với trường hợp anten chỉ sử dụng một thành phần mà vẫn đạt được BER như mong muốn. Để hệ thống phân tập không gian hoạt động có hiệu quả, thì các tín hiệu thu được từ các nhánh anten khác nhau phải không, hoặc ít tương quan với nhau, để tín hiệu ở một phần tử phading sâu, thì vẫn có thể phục hồi được bằng cách thu nó ở phần tử khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách chọn khoảng cách giữa các phần tử anten một cách phù hợp. Khoảng cách yêu cầu giữa các phần tử anten để đảm độ không tương quan, phụ thuộc vào việc ghép nối cặp giữa các phần tử anten, và vị trí của các vật tán xạ gây ra truyền dẫn đa đường. Trên thực tế, không bao giờ đạt được hệ số tương quan bằng 0, hoặc thậm chí với một giá trị tương quan rất thấp. Tuy nhiên, điều này không làm 10 giảm nhiều giá trị lợi ích thiết thực đã thu được khi sử dụng kỹ thuật phân tập. Ngoài ra kỹ thuật phân tập này cũng yêu cầu cường độ tín hiệu trung bình của các đường truyền phân tập phải xấp xỉ nhau. Khi các anten đặt cách xa nhau, thì gọi là phân tập vĩ mô (macrodiversity), và nếu các anten đặt gần nhau, khoảng vài bước sóng, thì gọi là phân tập vi mô (microdiversity). Có hai loại phân tập không gian trong hệ thống MIMO, đó là phân tập phát và phân tập thu.  Phân tập phát: Sử dụng nhiều anten phát, một anten thu và không nhất thiết phải biét kênh truyền ở nơi phát.  Phân tập thu: Sử dụng một anten phát đơn lẻ, và nhiều anten thu, việc sử dụng nhiều anten ở nơi thu, sẽ thu được các bản sao tín hiệu thăng giáng độc lập. Khi áp dụng một kỹ thuật xử lý tín hiệu thích hợp sẽ thu được các tin hiệu có biên độ giảm hơn khi so sánh với hệ thống đơn anten. Các phân tích cho thấy, sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống (hay giảm thời gian gián đoạn do phading) nằm trong dải hệ số 10 đến 200. Sự cải thiện được tăng cường bằng sự tăng tần số, dự phòng phading đặt anten cách nhau theo chiều đứng và giảm độ dài của đoạn đường truyền. Khoảng cách điển hình giữa các anten ít nhất là 200 bước sóng (ví dụ băng 6GHz thì khoảng cách >10m). Biểu thức hệ số cải thiện I T Td (1.2) Với T và Td là thời gian có và không có phân tập. Phân tập không gian cải thiện ở đường truyền qua mặt đất với các phản xạ mặt đất không đáng kể có thể gần đúng bằng công thức Vigant: 1,2 10 3S 2 f 10 ( F V ) / 10 IS  d Trong đó,  : Hiệu quả của chuyển mạch phân tập S : Khoảng cách giữa các tâm anten f : Tần số GHz. F: Độ sâu phading V : Hiệu số của các độ lợi anten d: Độ dài đoạn truyền dẫn. (1.3) 11 2. Phân tập tần số : Truyền đồng thời cùng một tín hiệu mang tin trên hai hoặc hơn hai kênh tần số vô tuyến khác nhau, được bố trí trong cùng một dải tần, trong đó sự phân tách giữa các sóng mang liên tiếp là lớn hơn hoặc bằng độ rộng băng kết hợp của kênh. Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống vô tuyến số, phân tập tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn so với hệ vô tuyến tương tự, nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất phổ tần đã có không có hiệu quả cao. 2. Phân tập thời gian Truyền cùng một tín hiệu mang tin ở những thời điểm khác nhau, với khoảng ngắt quãng giữa các thời điểm bằng hoặc lớn hơn thời gian kết hợp của kênh. Nếu khoảng ngắt quãng nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh, chúng vẫn có thể thực hiện phân tập nhưng sẽ hao phí thời gian thực. 3. Phân tập phân cực : Truyền tín hiệu trên các nhánh phân cực khác nhau, chẳng hạn như: phân cực ngang, phân cực dọc, v.v… 4. Phân tập người sử dụng Đây là phân tập không gian trong hệ điện thoại di động : trạm gốc thực hiện việc tổ hợp, thu tín hiệu phát ra từ các anten của các người dùng khác nhau. 1.4.3. Ứng dụng Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống đa lối vào và lối ra vì:  Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và hệ thống.  Giảm ảnh hưởng của phading.  Tránh được hao phí băng tần – Đây là yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số gần như đã sử dụng hết. 1.5. Kỹ thuật tổ hợp trong phân tập không tập không gian Để cực đại hoá các mức tín hiệu thu, thì các tín hiệu thu được của hệ thống phân tập không gian cần phải được tổ hợp lại thí dụ như trong hình 1.6. Vì 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.