Tài liệu Luận văn kỹ thuật mã trước đường xuống trong hệ thống mimo kích thước lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THẬT KỸ THUẬT MÃ TRƢỚC ĐƢỜNG XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MIMO KÍCH THƢỚC LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THẬT KỸ THUẬT MÃ TRƢỚC ĐƢỜNG XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MIMO KÍCH THƢỚC LỚN Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS. TRỊNH ANH VŨ HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Thông Tin Vô Tuyến đã góp ý để em có thể hoàn thành bài luận văn tố t nghiê ̣p. Cảm ơn các thầy cô trong khoa Điê ̣n Tử – Viễn Thông đã da ̣y dỗ và truyề n đa ̣t kiế n thức cho em . Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến PSG.TS Trịnh Anh Vũ đã tận tâm hướng dẫn em trong suố t thời gian làm luâ ̣n văn , thầ y đã trực tiế p dìu dắt và chỉ bảo những kiến thức về chuyên môn , những chỉ dẫn khoa ho ̣c quý báu góp phầ n không nhỏ vào thành công của luận văn . Xin ghi nhâ ̣n nhữn g góp ý và nhâ ̣n xét thẳ ng thắ n của các học viên cao ho ̣c K19 đã giúp bài luâ ̣n văn hoàn thiện hơn. Có được sự thành công như ngày hôm nay không thể thiế u sự quan tâm và giúp đỡ của gia đin ̀ h , bạn bè và đồ ng nghiê ̣p đã ta ̣o điề u kiê ̣n để em có thể tiế p tu ̣c học tập và nghiên cứu. Mô ̣t lầ n nữa em xin chân thành cảm ơn đế n quý thầ y cô trong trường , trong khoa đã ta ̣o mo ̣i điề u kiê ̣n giúp đỡ em hoàn thành khóa ho ̣c . Cảm ơn gia đình bạn bè luôn bên cạnh cổ vũ động viên để em có được kế t quả như ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn ! 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận án này dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung của luận án có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí, bài báo khoa học đươ ̣c liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo. Hà nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Thâ ̣t 2 MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn ............................................................................................... 1 Lời cam đoan ........................................................................................... 2 Mục lục ....................................................................................................3 Danh mục các chữ viết tắt .......................................................................4 Danh mu ̣c hình vẽ ....................................................................................5 MỞ ĐẦU .................................................................................................6 Chương I. Tổng quan về kỹ thuật đa truy cập .........................................7 1.1 Kỹ thuật đa truy cập theo tần số, thời gian và mã code ....................7 1.2 Đa truy cập theo không gian mô hình phân tán.................................14 1.3 Hệ thống MIMO kích thước lớn........................................................ 17 Chương II. Kỹ thuật mã trước đường xuống trong MIMO kích thước lớn .... 21 2.1 Ma trận nghịch đảo và ma trận giả nghịch đảo .................................22 2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu ........................................................................25 2.2.1 Kỹ thuật tách tín hiệu ZF ( Zero- Forcing)....................................26 2.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu MF (Matched filter) ...................................29 2.3 Đường xuống và đường lên trong MIMO kích thước lớn. ...............33 Chương III. Mô phỏng và so sánh ........................................................... 41 3.1 Sơ đồ mô phỏng.................................................................................41 3.2 Chương triǹ h mô phỏng .................................................................... 42 3.3 Kế t quả mô phỏng .............................................................................43 Kết luận ...................................................................................................46 Tài liệu tham khảo ...................................................................................47 3 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt Tỉ số giữa bit lỗi trên số bit phát đi Điều chế pha nhị phân Nhiễu đồng kênh Đa truy cập theo mã Trải phổ theo dãy trực tiếp Phân chia tần số song công Đa truy cập theo tần số Trải phổ theo nhảy tần Trung bình bình phương nhỏ nhất Bình phương nhỏ nhất Bộ lọc phù hợp nhiều đầu vào và nhiều đâu ra Khả năng tối đa Trung bình bình phương lỗi nhỏ nhất Trạm di động Trung bình bình phương lỗi Gần tối ưu BER BPSK CCI CDMA DS FDD FDMA FH LMS LS MF MIMO ML MMSE MS MSE NOP Bit error rate Binary phase shift keying Co-channel interference Code division multiple access Direct sequency Frequency division duplex Frequency division multiple access Frequency hopping Least mean square Least square Matched Filter multiple input multiple output Maximum likelihood Minimum mean square error Mobile station Mean square error Near optimal Orthogonal Frequency division OFDM multiple Orthogonal Frequency division OFDMA multiple access PIC Parallel Interference cancellation QPSK Quadature phase shift keying Rx Receiver SDM Spatial division multiple SDMA SIC SIR SNR SS STE TDD TDMA TH Tx ZF Đa truy cập phân tần trực giao Đa truy cập phân tần trực giao Triệt nhiễu song song Điều chế pha trực giao Máy thu sóng Kênh theo không gian Đa truy cập phân chia theo không gian Triệt nhiễu nối tiếp Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Tỉ số cường độ tín hiệu so với nhiễu Độ rộng băng tần Mã hóa không gian thời gian Phân chia thời gian song công Đa truy cập theo thời gian Trải phổ theo nhảy thời gian Máy phát sóng Cưỡng bức bằng không Space division multiple access Successive Interference cancellation Signal to interference radio Signal to noise radio Spread spectrum Space Time Encoder Time division duplex Time division multiple access Time hopping Tranmitter Zero – Forcing 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH NỘI DUNG Hình 1.1 Hình1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân câ ̣n Phân bố tầ n số và phương pháp FDMA/FDD Phân bố tầ n số và phương pháp FDMA/TDD Nguyên lý TDMA Các phương pháp đa truy cập Sơ đồ khố i của hê ̣ thố ng thông tin số điể n hin ̀ h với trải phổ Vùng phủ sóng của trạm gốc ở vô tuyến tổ ong Mô hiǹ h kênh MIMO Mô hình truyề n nhâ ̣n 3 anten trên tra ̣m cơ sở và 2 thuê bao Mô hiǹ h MIMO tâ ̣p hơ ̣p lớn Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Trạm cơ sở truyền QAM qua ma trận mã trước đến các thiết bị đầ u cuố i Thông lươ ̣ng có ích tố i ưu Sơ đồ mô phỏng Hê ̣ thố ng 4x16 Hê ̣ thố ng 4x24 Hê ̣ thố ng 4x32 Hê ̣ thố ng 4x64 5 MỞ ĐẦU Các thế hê ̣ thông tin di động từ 1-2-3G đã phát triển kỹ thuật xử lý và khai thác sử dụng tối đa trong miền thời gian và tần số. Đến thế hệ 4G sử dụng kỹ thuật nhiều anten trong không gian cũng đã được triển khai, tuy nhiên chưa hiệu quả. Việc khai thác sử dụng triệt để miền không gian cho hệ thống nhiều người dùng mới đang ở giai đoạn nghiên cứu cho thế hê ̣ 5G tiếp theo với một trong các mục tiêu phát triển là xây dựng hê ̣ thố ng MIMO kích thước lớn. Hê ̣ thố ng này đem lại nhiều lợi ích kinh tế khi triển khai hệ thống cũng như cải thiện tố c đô ̣ truyề n tin đồng thời cho nhiều người dùng. MIMO kích thước lớn là hướng nghi ên cứu rô ̣ng trong đó nghiên cứu r ất nhiề u vấ n đề như các kỹ thuâ ̣t tách sóng đường lên , mã trước đường xuố ng, cách tính toán số anten trên trạm cơ sở và phương pháp truyền ti n hiê ̣u quả…Luâ ̣n văn này giới thiê ̣u về kỹ thuâ ̣t mã trước đường xuống trong hê ̣ thố ng MIMO kích thước lớn. Luận văn tìm hiểu các thuật toán như Zero-Forcing, Matched filter đây là các công cụ hữu ích trong việc phân tích dữ liệu giúp truyền tin hiệu quả. Trong đó cũng cho cái nhìn tổng quan về sự khác biệt giữa truyền tin truyền thống với truyền tin theo MIMO kích thước lớn. Công cụ mô phỏng Matlab cũng được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền tin khi sử dụng các thuật toán đã đưa ra, từ đó đưa ra đánh giá và nhận xét tương ứng. Đây chỉ là sự tìm hiểu bước đầ u về một công nghệ mới đang được nghiên cứu phát triển cho thế hệ thông tin di động thứ 5. 6 Chƣơng I. Tổng quan về kỹ thuật đa truy nhập MIMO kích thước lớn có sự khác biệt với điện thoại tế bào truyền thống ở kỹ thuật đa truy nhập. Phần này nêu lại các kỹ thuật đa truy cập cổ điển để so sánh với hệ thống MIMO kích thước lớn, song không đề cập đến vấn đề xảy ra tranh chấp giữa những người dùng mà chỉ để cập cách thức phân chia tài nguyên cho nhiều người dùng chung. 1.1 Kỹ thuật đa truy cập theo tần số, thời gian và mã code (FDMA, TDMA, CDMA). 1.1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA). Trong phương pháp này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B MHz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz ( hình 1.1). Các máy vô tuyến đầu cuối khi truy nhập sẽ được cấp phát một trong các kênh đó. Phương pháp này cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa các kênh kề phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao động. Máy thu đường xuống hoặc đường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần sốđược phân. Hình 1.1 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân câ ̣n Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của máy thuê bao phải hoặc được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảng thời gian phát thu 7 khác nhau. Phương pháp thứ nhất được gọi là phép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn phương pháp thứ hai được gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex). Phương pháp thứ nhất được mô tả ở (hình 1.2). Trong phương pháp này băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai nửa : một nửa thấp ( Lower Half Band) và một nửa cao ( Upper Half Band). Trong mỗi nửa băng tần người ta bố trí các tần số cho kênh ( xem hình 1.2a). Trong (hình 1.2a) các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số được gọi là cặp tần số thu phát hay song công, một tần số sẽ được sử dụng cho máy thu của cùng một kênh, khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát hay song công. Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băng được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận ( Δx), khoảng cách này phải được chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho trước( SNR: Signal to Noise Radio) hai kênh cạnh tranh nhau không thể gây nhiễu cho nhau. Như vậy mỗi kênh song công bao gồm một cặp tần số : mỗi tần số ở băng tần thấp và một băng tần cao để đảm bảo trạn thu phát song công. Thông thường ở đường phát đi từ trạm gốc ( hay bộ phát đáp) xuống trạm đầu cuối ( thu ở trạm cuối ) được gọi là đường xuống, còn đường phát đi từ trạm đầu cuối đến trạm gối ( hay trạm phát đáp) gọi là đường lên. Khoảng cách giữa hai tần số đường xuống và đường lên là Δy như trên hình vẽ. Trong thông tin di động tần số đường xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đường lên để suy hao ở đường lên thấp hơn đường xuống do công suất phát từ máy cầm tay không thể lớn. Trong thông tin vệ tinh thì tùy thuộc vào hệ thống , tần số đường xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần số đường lên, chẳng hạn ở các chế độ sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn người ta thường sử dụng tần số đường lên cao đường xuống. 8 Hình 1.2 Phân bố tầ n số và phương pháp FDMA/FDD Ký hiệu: ∆x : Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận ∆y: Khoảng cách tần số thu phát B: Băng thông cấ p phát cho hê ̣ thố ng fo : Tầ n số trung tâm fi : Tầ n số trung tâm fj : Tầ n số trung tâm Trong phương pháp thứ hai ( FDMA/TDD) cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhưng phân chia theo thời gian) khi này các băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần (phương pháp ghép kênh song công theo thời gian : TDD). Phương pháp này được mô tả ở (hình 1.3). Trong hình này cho thấy kênh vô tuyến giữa trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử dụng một tần số fi cho cả phát và thu. Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trước tiên 9 trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Tx, sau đó nó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Rx, Sau đó nó lại phát ở khe Tx... Hình 1.3 Phân bố tầ n số và phương pháp FDMA/TDD Ký hiệu: ∆x : Khoảng cách tầ n số giữa hai kênh lân câ ̣n B: Băng thông cấ p phát cho hê ̣ thố ng fi : Tầ n số chung cho cả đường xuố ng và đường lên Về mặt kết cấu, FDMA có nhược điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền được một Erlang vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lượng thì phải cần N bộ thu phát cho mỗi trạm. Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tấn số vô tuyến cho các kênh này. Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với song công theo thời gian(FDMA/TDD). Ở phương pháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian thu phát luân phiên (hình 1.3). Phương pháp FDMA ít nhạy cảm với sự phân tán thời gian do truyền sóng lan, không cần đồng bộ và không xảy ra trễ do không xử lý tín hiệu nhiều vì vậy giảm trễ hồi âm. 10 1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian( TDMA) Hình 1.4 cho thấy hoạt động của một hệ thống theo nguyên lý đa truy nhập phân chia theo thời gian. Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian TB. Sự truyền dẫn này được gọi là cụm. Sự phát đi một cụm được đưa vào cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc này. Mỗi sóng mang thể hiện một cụm sẽ chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vô tuyến được mang bởi tần số sóng mang fi. Hình 1.4 Nguyên lý TDMA Ký hiệu: TSi: Khe thời gian dành cho người sử du ̣ng TB: Khe thời gian của mô ̣t cu ̣m TF : Thời gian của mô ̣t khung Phương pháp vừa nêu ở trên sử dụng cặp tần số song công cho TDMA được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/FDD (FDD: Frequency Division Duplexing). Trong phương pháp này đường lên (từ máy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian(TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc. Đường xuống là 11 các tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM: Time Division Multiplexing) được phát từ trạm gốc cho các máy đầu cuối (xem hình 1.5a). Để có được phân bố tần số thông minh hơn, phương pháp TDMA/TDD được sử dụng. Trong phương pháp này cả hai đường lên và đường xuống đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu phải được phát đi ở các khoảng thời gian khác nhau. ( xem hình 1.5b) Hình 1.5 Các phương pháp đa truy cập a) TDMA/FDD b) TDMA/TDD 1.1.3 Đa truy cập theo mã ( CDMA) CDMA là phương thức đa truy cập mà ở đó mỗi kênh được cung cấp một cặp tần số và một mã duy nhất. Đây là phương thức đa truy mã. Phương thức này dựa trên nguyên lý trải phổ. Tồn tại ba phương pháp trải phổ sau: - Trải phổ theo chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequency) - Trải phổ theo nhảy tần (FH: Frequency Hopping) 12 - Trải phổ theo nhảy thời gian (TH: time Hopping) Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề rất được quan tâm. Các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tấn càng tốt. Với hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Với hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn, phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc vào kiều điều chế(BPSK, QPSK...). Còn trong các hệ thống trải phổ ( kí hiệu là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường là hàng trăm lần trước khi phát nên nếu chỉ có một người sử dụng, băng tần SS như vậy là không hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng họ có thể dùng chung một băng tần SS khi đó hệ thống trở nên hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. Hình 1.6 là sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin SS điển hình cho hai cấu hình vệ tinh và mặt đất. Nguồn tin có thể là số hay tương tự. Nếu là tương tự thì trước hết phải được số hóa bằng sơ đồ biến đổi tương tự sang số như: điều xung mã, diều chế delta. Bộ nén tín hiệu loại bỏ hay giảm độ dư thông tin nguồn số. Sau đó đầu ra được mã hóa bởi bộ lập mã hiệu chỉnh lỗi( mã hóa kênh) để đưa vào các bit dư cho việc phát hiện hay sửa lỗi có thể xảy ra khi truyền dẫn tín hiệu qua kênh vô tuyến. Phổ tín hiệu cần phát được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết sau đó bộ điều chế sẽ chuyển phổ này đến dải tần được cấp cho truyền dẫn. Sau đó tín hiệu đã điều chế được khuếch đại , được phát phát qua kênh truyền dẫn, kênh này có thể là dưới đất hoặc vệ tinh. Kênh này có thể làm giảm chất lượng như: nhiễu , tạp âm và suy hao công suất tín hiệu. Lưu ý rằng đối với SS thì các bộ nén/giãn và mã hóa/giải mã thì hiệu chỉnh lỗi là tùy chọn. Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng vị trí của các chức năng trải phổ và điều chế có thể đổi lẫn. Hai chức năng này thường được kết hợp và thực hiện ở một khối. Tại phía thu thì máy thu khôi phục lại tín hiệu ban 13 đầu bằng cách thực hiện các quá trình ngược với phía phát: giải điều chế tín hiệu thu, giải trải phổ, giải mã và giãn tín hiệu để nhận được một tín hiệu số. Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số này được biến đổi sang tương tự bẳng một bộ biến đổi số sang tương tự. Lưu ý rằng ở một hệ thống thông thường (không phải SS), các chức năng trải phổ và giải trải phổ không có ở sơ đồ khối (hình 1.6). Thực ra đây chính là sự khác nhau giữa hệ thống thường và hệ thống SS. 1.2 Đa truy nhập theo không gian mô hình phân tán Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) được sử dụng ở tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong: cả hệ thống tương tự và hệ thống số. Các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong cho phép đa truy nhập đến một kênh vô tuyến chung (hay tập các kênh) trên cơ sở ô tùy theo vị trí của máy di động trên mặt đất). Hình 1.6 Sơ đồ khố i của mô ̣t hê ̣ thố n g thông tin số điể n hin ̀ h với trải phổ Yếu tố hạn chế đối với kiểu SDMA này là hệ số tái sử dụng tần số. Tái sử dụng tần số là khái niệm chủ yếu ở vô tuyến tổ ong, trong đó nhiều người sử dụng chia sẻ đồng thời một tần số. Những người sử dụng này phải đủ xa nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh. Tập các tần số trong cùng một ô có thể được lặp lại ở các ô khác trong hệ thống nếu đảm bảo đủ khoảng cách giữa các ô sủ dụng cùng tấn số để ngăn chặn nhiễu giao thoa đồng kênh. 14 Có rất nhiều sơ đồ SDMA trong các hệ thống tổ ong hiện nay : ô mini, ô micro, ô phân đoạn, ô dù che và các anten thông minh. Đây là các phương pháp phân chia không gian trong đó các máy di động làm việc với độ phân giải không gian cao hơn và nhờ vậy rút ngắn khoảng cách giữa các người sử dụng mà không vi phạm các quy định về nhiễu đồng kênh Hình 1.7 Vùng phủ sóng của trạm gốc ở vô tuyến tổ ong a) Phủ sóng vô hướng b) Phủ sóng có hướng : mỗi ô lê ̣ch nhau 1200 So sánh dung lượng hệ thống của các phương pháp truy cập FDMA,TDMA, CDMA Trong FDMA và TDMA tổng băng tần Bt được chia thành M kênh truyền dẫn, mỗi kênh có độ rộng băng tần tương ứng là Bc. Vì thế dung lượng vô tuyến cho FDMA và TDMA được xác định như sau: Kmax= M 2𝐶 3𝐼 Trong đó: Kmax: là số người sử dụng cực đại trong một ô, M=Bt/Bc: là tổng số kênh tần số hay số kênh tương đương, Bt là tổng băng tần được cấp phát Bc : là kênh vô tuyến tương đương cho một người sử dụng, đối với hệ thống TTDĐ FDMA thì Bc bằng băng thông kênh vô tuyến, còn đối với TDMA thì Bc bằng băng thông kênh vô tuyến trên số khe thời gian, 15 𝑁= (2𝐶/3𝐼) N : là kích cụm ô, C: là công suất trung bình sóng mang, I : là công suất nhiễu. Kmax= 1 + Gρ.λ Etx .ν Nv ηf X Bt Bc ;f= 1 1+β Gp : là độ lợi xử lý, λ : là hệ số điều khiển công suất hoàn hảo Eb/N’0 : là hệ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu ν : là thừa số tích cực tiếng η: là độ lợi phân đoạn ô f: là thừa số tái sử dụng tần số β: hệ số nhiễu từ các ô khác Ví dụ cho : β = 0.78 ; 𝑛 = 4 0.42 ; 𝑛 = 5 Ta sẽ so sánh dung lượng của ba hệ thống FDMA, TDMA, CDMA trong tổng băng tần cấp phát Bt=12.5MHz. Với N=7, Kmax FDMA =59 người/ô. Với N=4, KmaxTDMA=125người/ô. Đối với IS-95 SDMA với Bc=1.25 (cho CDMA) E/N’0=6dB, Gp=128, ν = 0.5, η=2.25 và β=0.6 Sử dụng các phương trình trên ta tính được KmaxCDMA=920 người/ô Trong ví dụ trên dung lượng hệ thống CDMA gấp 920/59=15.6 lần FDMA và gấp 7.36 lần TDMA. 16 1.3 Hệ thống MIMO kích thƣớc lớn MIMO kích thước lớn dựa trên sự phát triển của kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) nói chung trong đó cả đầu phát lẫn đầu thu tín hiệu đều sử dụng nhiều anten có thể để truyền nhận dữ liệu. MIMO nói chung có khả năng tăng tốc độ dữ liệu, tăng tầm phủ sóng và tăng độ tin cậy. Có 3 cách khai thác kỹ thuật MIMO là: Kỹ thuật mã không thời gian, kỹ thuật hợp kênh không gian và kỹ thuật mã trước [1]. Với kỹ thuật mã không – thời gian, chuỗi tín hiệu trước khi phát được mã hóa thành ma trận từ mã theo hai chiều không gian và thời gian (STE: Space- Time Encoder). Tín hiệu sau đó được phát đi nhờ M anten phát. Máy thu sử dụng N anten thu để tách ra chuỗi dữ liệu phát. Kênh tổng hợp giữa máy phát(Tx) và máy thu (Rx) có M đầu vào và N đầu ra được gọi là kênh MIMO M x N. Các ký hiệu trong ma trận từ mã được phối hợp lặp lại, ngoài phân tập thu có thêm phân tập phát. Kỹ thuật này làm tăng độ tin cậy, cải thiện lỗi bit. Hình 1.8 Mô hình kênh MIMO MxN Với kỹ thuật hợp kênh không gian: dữ liệu được chia thành M luồng song song phát trên M anten. Bên thu sử dụng N anten thu (N>M) thu được các chồng chập tín hiệu ở bên phát. Các thuật toán V-Blast cho phép tách được M luồng song song ra và sau đó có thể hợp kênh làm tốc độ dữ liệu tăng lên M lần. Kỹ thuật này 17 chỉ đảm bảo phân tập thu, độ tin cậy có giảm hơn kỹ thuật mã không thời gian, nhưng lại có ưu điểm cung cấp tốc độ dữ liệu cao. MIMO kích thước lớn (Massive MIMO) lại khai thác ở góc độ mã trước [2]. Kỹ thuật này khác với các kỹ thuật trên là bên phát phải luôn biết trước kênh và do đó có thể xử lý bù kênh trước khi phát, tạo sự đơn giản tối đa cho bên thu. Ngoài ra M anten phát được đặt ở trạm cơ sở. N anten thu chính là N người di động (để đơn giản ta chỉ cho mỗi máy 1 anten) với M>N. Để minh họa kỹ thuật này ta dùng mô hình đơn giản sau: Hình 1.9 Mô hình truyề n nhâ ̣n 3 anten trên tra ̣m và 2 thuê bao Trạm cơ sở dùng 3 anten T1,T2,T3 quản lý 2 thuê bao di động A,B. Tại thời điểm bắt đầu pha truyền dẫn, các thuê bao A, B gửi pilot đến các anten của trạm cơ sở (có 2 thuê bao thì cần 2 khe thời gian cho pilot). Tiếp đó trạm cơ sở cần một khe thời gian để ước lượng ma trận kênh H dựa trên pilot và tính được ma trận nghịch đảo G của H. Để đơn giản ở đây ta bỏ qua tạp âm Gause (trên thực tế cộng thêm vào tín hiệu thu) Ma trận kênh: h1a h2a h3a  H    h1b h2b h3b  H=(KxM) Ma trận giả nghịch đảo là ma trận G=H-1 sao cho: HH 1  g11 g12  h1a h2a h3a   1 0  g 21 g 22       h1b h2b h3b   g 31 g 32 0 1   18