Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (swipt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN HỮU THỊNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG THỜI (SWIPT) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN HỮU THỊNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG THỜI (SWIPT) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. ii MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................................. i Mục lục ...........................................................................................................................ii Tóm tắt luận văn ................................................................................................... vi Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...................................................................... v Danh mục các bảng ...................................................................................................... vi Danh mục các hình ......................................................................................................vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 3 6. Cấu trúc của luận văn .................................................................................... 3 Chương 1. HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO .............................................. 5 1.1. Giới thiệu chương: ...................................................................................... 5 1.2. Tổng quan hệ thống MIMO........................................................................ 5 1.2.1. Khái niệm về hệ thống MIMO: ........................................................... 5 1.2.2. MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng .............................. 6 1.2.2.1. MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) .......................................... 6 1.2.2.2. MIMO đa người dùng (MU-MIMO) ............................................ 6 1.2.3. Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO...................................... 7 1.2.3.1. Phân tập thời gian.......................................................................... 8 1.2.3.2. Phân tập tần số .............................................................................. 9 1.2.3.3. Phân tập không gian ...................................................................... 9 1.2.4. Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO .................................... 10 1.2.4.1. Dung lượng kênh MIMO ............................................................ 10 1.2.4.2. Độ lợi trong hệ thống MIMO...................................................... 11 1.2.4.3. Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing) .................. 12 1.2.4.4. Độ lợi phân tập (spatial diversity) .............................................. 12 1.3. Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng :.............. 13 1.4. Kết luận chương ....................................................................................... 14 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY. .. 15 2.1. Giới thiệu chương ..................................................................................... 15 2.2. Lịch sử hình thành công nghệ WPT ......................................................... 15 2.3. Cấu trúc của một mạng thu năng lượng sử dụng sóng RF ....................... 16 iii 2.4. Mô hình truyền năng lượng RF ................................................................ 20 2.5. Các kỹ thuật thu năng lượng RF............................................................... 21 2.5.1. Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF.................................. 21 2.5.2. Nguồn RF chuyên dụng ..................................................................... 22 2.5.3. Nguồn RF xung quanh ....................................................................... 22 2.5.3.1. Nguồn RF tĩnh xung quanh ......................................................... 23 2.5.3.2. Nguồn RF động xung quanh ....................................................... 23 2.6. Các ứng dụng hiện có của thu năng lượng bằng sóng RF........................ 23 2.7. Kết luận chương ....................................................................................... 24 Chương 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC ..................... 26 3.1. Giới thiệu chương ..................................................................................... 26 3.2. Mô hình hệ thống SWIPT BC MIMO. ..................................................... 26 3.2.1. Mô hình hệ thống ............................................................................... 27 3.2.2. Máy thu EH và ID không đồng thời .................................................. 28 3.2.3. Máy thu EH và ID cùng thu đồng thời .............................................. 29 3.2.3.1. Các máy thu tách biệt .................................................................. 30 3.2.3.2. Các máy thu đồng vị ................................................................... 32 3.3. Kết luận chương ....................................................................................... 35 Chương 4. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT ......................................................................................................................... 36 4.1. Giới thiệu chương: .................................................................................... 36 4.2. Thiết kế bộ thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT ............................. 37 4.2.1. Mô hình hệ thống ............................................................................... 37 4.2.2. Tính toán tối ưu hệ thống................................................................... 38 4.3. Mô phỏng và kết quả: ............................................................................... 41 4.4. Kết luận chương ....................................................................................... 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 49 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) iv NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN & NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG THỜI (SWIPT) Học viên:Nguyễn Hữu Thịnh… Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử. Mã số :60520203 Khóa:31. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt –Hiện nay, phương thức “truyền thông xanh” nhận được sự quan tâm đáng kể cùng với các mối quan tâm về môi trường. Truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) là một trong các giải pháp đầy hứa hẹn có thể đáp ứng các mối quan tâm đó. SWIPT giúp làm tăng tuổi thọ của các nút không dây và do đó làm giảm bớt nhược điểm về hiện tượng nút cổ chai năng lượng của các mạng không dây. Đây là một giải pháp thay thế cho các kỹ thuật truyền năng lượng thông thường, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu RF, và có thể mang lại một số thay đổi cơ bản trong các mạng truyền thông không dây. Đề tài này khảo sát việc truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) trong các mạng MIMO quảng bá nơi một máy thu năng lượng (EH) và một máy thu giải mã thông tin chia sẻ cùng một nguồn thời gian và tần số. Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan về hệ thống MIMO và các hệ thống WPT, các kỹ thuật thu năng lượng bằng sóng RF và các ứng dụng hiện có. Sau đó, đề tài xây dựng vấn đề sử dụng WMMSE cho SWIPT giúp làm giảm thiểu tổng trọng số MSE của tín hiệu đến máy thu ID, trong khi việc lưu trữ năng lượng có thể thu được từ tín hiệu của máy thu EH. Tiếp theo, đề tài đề xuất cấu trúc tiền mã hóa tối ưu của vấn đề và xác định khu vực cân bằng tốt nhất về năng lượng MSE thông qua việc cập nhật thay thế của bộ tiền mã hóa tuyến tính tại máy phát với máy thu tuyến tính tại máy thu ID. Từ khóa - thu nhận năng lượng, SWIPT, WMMSE, MIMO kênh quảng bá, tiền mã hóa. Abstract – Currently, "green communication" has received considerable attention along with environmental concerns. Simultaneous wireless information and powertransfer (SWIPT) is one of the promising solutions that satisfy those concerns. SWIPT helps increase the lifetime of wireless nodes and hencealleviate the energy bottleneck of energy constrained wireless networks. As an alternative forconventional energy harvesting techniques,SWIPT is based on the use of radio frequency signals, which is expected to bring some fundamental changes in the design of wireless communication networks. In this essay, I consider simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in MIMO Broadcast networks whereone energy harvesting (EH) user and one information decoding(ID) user share the same sources of time and frequency. The first, I present the overview of the MIMO system and WPT systems, RF energy harvesting techniquesand existing applications.Then, I formulate the WMMSE-SWIPT problem which minimizes the weighted sum-MSE of the message signal to the ID user, where assatisfying the requirement on the energy that can be harvested from the signal at the EH user. Next, I propose the optimal precoder structure of the problem and identify the best possible MSE- energy tradeoff region through the alternative update of the linear precoder at the transmitter with the linear receiverat the ID user. Key words – energy harvesting, SWIPT, WMMSE, MIMO Broadcast, precoding v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AP CR ID iid IoT ISM MIMO MIMO BC MISO MRT MSE MU-MIMO QoS RF RFID SIMO SISO SNR SU-MIMO SWIPT WiMAX WIT WMMSE WPT UT Access Point Cognitive Radio Information Decoding independent identically distributed Internet of Things Institute for Supply Management Multiple Input, Multiple Output MIMO Broadcast Multiple Input, Single Output Maximum Ratio Transmission Mean Squared Error Multi-user MIMO Quality of Service Radio Frequency Radio-Frequency Identification Single Input, Multiple Output Single Input, Single Output Signal-to-Noise Ratio Single User MIMO Simultaneous Wireless Information and Power Transfer Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Information Transfer Weighted Minimum Mean Squared Error Wireless Power Transfer User Terminals vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1. 4.1. Tên bảng Số liệu thực nghiệm về thu năng lượng bằng sóng RF Các thông số hệ thống của mô hình mô phỏng Trang 22 42 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 2.1. 2.3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. Tên hình Trang Tổng quan hệ thống MIMO Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC Phân tập theo thời gian Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO Kỹ thuật beamforming Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Phân tập không gian giúp cải thiện SNR Sử dụng phương pháp tiền mã hóa trong kênh truyền MIMO Cấu trúc thông thường của một mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF Cấu trúc máy thu thiết kế cho máy thu thông tin năng lượng bằng sóng RF Một mạng không dây có truyền cả thông tin và năng lượng Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT Thiết kế chuyển mạch thời gian với máy thu EH và ID đồng vị Hoạt động của máy thu có / không có bộ tách công suất (năng lượng thu được do nhiễu của máy thu bị bỏ qua cho máy thu EH). Mô hình một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với bộ thu phát tuyến tính. Mô hình một hệ thống MIMO BC cho SWIPT với NT=NR=2. So sánh 2 phương pháp tổng MSE –Rate trong SWIPT MIMO BC với E = 12Emax So sánh kết quả khi thực hiện bằng phương pháp phân đôi khối elip Vùng MSE-năng lượng của 2 phương pháp MIMO BC SWIPT Vùng tốc độ truyền tin - năng lượng của 2 phương pháp MIMO BC SWIPT So sánh sự thay đổi MSE với công suất tại máy phát Sự thay đổi giữa tốc độ truyền tín hiệu theo công suất phát 5 7 8 10 11 12 12 14 16 19 26 27 33 34 37 42 43 44 44 45 45 46 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, “truyền thông xanh” đã nhận được sự quan tâm đáng kể cùng với các mối quan tâm về môi trường. Cụ thể, các mạng di động tiêu thụ trên toàn thế giới khoảng 60 tỷ kWh / năm. 80% năng lượng trong mạng di động được tiêu thụ bởi các trạm gốc (BS) sản xuất ra hơn một trăm triệu tấn carbon dioxide mỗi năm. Những con số này dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2020 nếu không có hành động tiếp theo. Các mạng không dây sử dụng năng lượng không tự nhiên, chẳng hạn như các mạng cảm biến, thường được cung cấp bởi pin có thời gian hoạt động hạn chế. Mặc dù Thay thế hoặc nạp lại pin có thể kéo dài tuổi thọ của mạng đến một mức độ nào đó, nó thường phải chịu chi phí cao và không tiện lợi, có thể gây nguy hiểm (ví dụ như trong môi trường độc hại) hoặc thậm chí không thể thực hiện được (ví dụ như đối với cảm biến được gắn cố định trong cấu trúc tòa nhà hoặc bên trong cơ thể con người). Cách thuận tiện và an toàn hơn, cũng như là cách thay thế "xanh" hơn là thu trực tiếp năng lượng từ môi trường, việc này cung cấp năng lượng vĩnh viễn cho các thiết bị không dây. Ngoài các nguồn năng lượng thông thường khác như năng lượng mặt trời và gió, thì các tín hiệu tần số vô tuyến ở môi trường xung quanh thiết bị (RF) có thể là một nguồn mới khả thi để thu năng lượng. Việc thu năng lượng dựa trên các tin hiệu RF thường thích hợp cho các ứng dụng năng lượng thấp (ví dụ như các mạng cảm biến), nhưng cũng có thể được áp dụng cho các kịch bản với mức tiêu hao năng lượng lớn hơn nếu thực hiện truyền tải không dây chuyên dụng. Mặt khác, các tín hiệu RF mang năng lượng có thể đồng thời được sử dụng như một phương tiện để truyền thông tin, truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới thú vị thu hút sự chú ý ngày càng tăng. Thông tin không dây và truyền công suất đồng thời (SWIPT) là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và do đó giảm được hạn chế về mặt năng lượng của mạng không dây là các nút cổ chai năng lượng. Để thay thế cho kỹ thuật cung cấp năng lượng truyền thống, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu tần số vô tuyến, và hy vọng sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản cho thiết kế mạng thông tin liên lạc không dây. Đề tài này tập trung vào các ứng dụng tiền mã hóa trong hệ thống SWIPT, cụ thể là thiết kế và xây dựng mô hình sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa sử dụng WMMSE cho hệ thống SWIPT 2 MIMO BC. Mô hình này khác biệt với phương pháp tiền mã hóa trước đó là xem xét vấn đề tối ưu điểm cân bằng giữa tốc độ truyền và năng lượng bằng cách làm giảm tổng trọng số MSE. Mặt khác việc sử dụng các công nghệ đa anten giúp cải thiện hiệu quả năng lượng của việc truyền năng lượng không dây đáng kể. Ví dụ, MIMO có thể được sử dụng để tăng tuổi thọ của mạng cảm biến, trong đó một trung tâm dữ liệu thống nhất được trang bị với nhiều anten mà nó có thể tập trung năng lượng sóng vô tuyến (RF) của nó trên các cảm biến cần phải được xạc pin không dây, dẫn đến nhiều hơn giải pháp năng lượng hiệu quả hơn cho một máy phát đơn anten. Việc áp dụng các công nghệ đa anten để SWIPT mở ra nhiều khả năng mới thú vị, nhưng cũng mang lại một số thách thức đối với việc cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng trong các hệ thống không dây. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống truyền thông tin & năng lượng không dây đồng thời (SWIPT). - Nghiên cứu và đề xuất các thuật toán nâng cao độ cân đối giữa hiệu suất cung cấp năng lượng và chất lượng truyền tín hiệu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Kiến thức tổng quan về hệ thống MIMO - Kiến thức tổng quan về hệ thống WPT và các ứng dụng hiện. - Thiết lập mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO BC. - Đề xuất thiết lập mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO bằng phương pháp tối thiểu trọng số MSE - Thiết lập,tính toán và tối ưu mô hình hệ thống SWIPT. - Đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu về hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời. - Tìm hiểu nghiên cứu về công nghệ anten thông minh mà cụ thể là công nghệ đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO). - Đánh giá ưu nhược điểm về nguyên lý hoạt động của mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời. - Đề xuất các giải pháp tiền mã hóa giúp nâng cao hiệu suất nhận năng lượng và thông tin của máy thu. 3 - Áp dụng các phương pháp tiền mã hóa vào mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO BC bằng phần mềm Matlab. Dựa vào kết quả đạt được, đánh giá chất lượng của phương pháp đề xuất so với phương pháp trước đó. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) là một giải pháp đẩy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và do đó giảm được sự hạn chế về mặt năng lượng của mạng không dây là các nút cổ chai năng lượng. Để thay thế cho kỹ thuật khai thác năng lượng truyền thống, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu tần số vô tuyến, và hy vọng sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản cho thiết kế mạng thông tin liên lạc không dây. Đề tài này tập trung vào các ứng dụng của công nghệ anten thông minh tiên tiến cho SWIPT, bao gồm nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) và các kỹ thuật tiền mã hóa. Những công nghệ anten thông minh có khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng và cũng có hiệu quả quang phổ của SWIPT. Topo mạng khác nhau được phân tích nghiên cứu, cùng với một số giải pháp tiền mã hóa triển vọng để đạt được một sự cân bằng giữa hiệu năng và độ phức tạp của hệ thống. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 4 chương: CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO. Trong chương này trình bày tông quan về hệ thống kênh truyền MIMO và các kỹ thuật xử lý đa anten được sử dụng trong hệ thống MIMO. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY. Chương này trình bày tổng quan về hệ thống mạng truyền năng lượng không dây (WPT) nói chung, và hệ thống truyền năng lượng và tín hiệu không dây đồng thời (SWIPT) nói riêng. Chương này trình bày lịch sử hình thành công nghệ WPT và các nghiên cứu cũng như các kết quả đã được ứng dụng thực nghiệm. Trình bày các đề xuất về thiết kế một hệ thống WPT trong thực tế. CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC. Chương này trình bày hệ thống SWIPT trên MIMO BC kênh quảng bá với mô hình giả định nút (node) cơ bản. Chương này xây dựng các phương pháp tiền mã hóa, cho các trường hợp cụ thể được đặt ra nhằm làm tối ưu hệ thống, giúp 4 giải quyết được vấn đề cân bằng về tốc độ truyền tín hiệu và năng lượng chuyển giao được. CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT. Chương này đề ra giải pháp tiền mã hóa bằng phương pháp trọng số WMMSE. Phương pháp này nhằm tối ưu các kết quả đã được có trong trình bày ở chương 3 nhằm đạt được hiệu suất truyền tín hiệu trên năng lượng chuyển giao tốt nhất. Các kết quả so sánh sẽ giúp em đánh giá được mức độ hiệu quả của phương pháp đề xuất so với trước đây. 5 Chương 1. HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 1.1. Giới thiệu chương Ngày nay, cùng với các nhu cầu về liên lạc, công việc cũng như giải trí của con người càng ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, ổn định và sự linh hoạt để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng. Các hệ thống đa anten đã được ứng dụng và triển khai thành công cho các mạng truy cập không dây băng rộng (ví dụ MIMO -Wifi, MIMO-UMTS, LTE, WiMAX…) nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của tốc độ dữ liệu truyền tin cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị thu nhận tín hiệu không dây, trong một số hệ thống viễn thông hiện tại và trong tương lai. So với các hệ thống một anten duy nhất, dung lượng của hệ thống đa anten bao gồm 𝑁𝑇 anten phát và 𝑁𝑟 anten thu được tăng lên mà không cần phải tăng công suất phát và trải rộng thêm phổ tần. Chương 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu (kênh truyền MIMO) và một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ thống MIMO. 1.2 . Tổng quan hệ thống MIMO 1.2.1. Khái niệm về hệ thống MIMO Hình 1.1. Tổng quan hệ thống MIMO 6 Kỹ thuật MIMO (MIMO technique) trong truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu.  Ưu điểm của MIMO: - Tăng độ phân tập của kênh truyền pha-đinh (fading), do đó có thể giảm xác suất lỗi. - Tăng dung lượng của kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu.  Tuy nhiên chi phí cho thiết bị phần cứng cao hơn nhiều (do sử dụng nhiều anten phát và thu), cùng với giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn. Vào năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng chế về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến. Năm 1985, Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa tên những nghiên cứu của Winters. Từ năm 1986 tới năm 1995, các công trình nghiên cứu về MIMO liên tục được công bố. Năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại học Stanford, Greg Raleigh và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã công bố kết quả và chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền. 1.2.2. MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng 1.2.2.1 . MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm-điểm hay MIMO đơn người dùng (SU-MIMO). Tốc độ đạt được của hệ thống MIMO đơn người dùng là: 𝜌max(𝑁𝑇 , 𝑁𝑟 ) 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝜌𝑁𝑟 ) ≤ 𝐶 ≤ min(𝑁𝑇 , 𝑁𝑟 ) × 𝑙𝑜𝑔2 (1 + ) (1-1) 𝑁𝑇  Với C dung lượng kênh truyền.  𝑁𝑇 là số anten phát, 𝑁𝑟 là số anten thu.  𝜌 : tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) Giới hạn dưới đạt được trong trường hợp ma trận kênh là hạng 1, hay đường truyền là đường truyền thẳng (LOS). Giới hạn trên đạt được trong trường hợp thuận lợi nhất khi ma trận kênh là biến ngẫu nhiên độc lập và phân bố đồng đều (i.i.d). Với điều kiện đường truyền thuận lợi và một tỷ số SNR cao thì tốc độ có thể đạt được tỷ lệ tuyến tính với số nhỏ hơn trong số anten phát và số anten thu. 1.2.2.2 . MIMO đa người dùng (MU-MIMO) Công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO), về cơ bản khác với SUMIMO bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau 7 cùng lúc, bằng cách tác động sâu hơn vào giao thức đa truy nhập. MU-MIMO có thể được chia thành hai loại: kênh MIMO quảng bá (MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC) cho đường xuống; và kênh MIMO đa truy nhập ( MIMO Multiple Access Channel hay MIMO MAC) cho đường lên. Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống MIMO kênh quảng bá ( MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC). Hình 1.2. Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC 1.2.3. Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi nhằm giảm ảnh hưởng của pha-đinh đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về pha-đinh thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của pha-đinh là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng của pha-đinh dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập nằm dưới mức đó. Do vậy, bằng cách kết hợp một cách 8 thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của pha-đinh và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu. Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được trình bày, các kỹ thuật phân tập được phân chia thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian. 1.2.3.1. Phân tập thời gian Phân tập theo thời gian là tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau và có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Xét hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ. ht t Không xen kênh Từ mã X0 Từ mã X1 Từ mã X2 Từ mã X3 Xen kênh Hình 1.3. Phân tập theo thời gian Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã X2 bị triệt tiêu bởi pha-đinh nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và tôi có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi pha-đinh. Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu pha-đinh không tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ pha-đinh. 1 𝑐 (1-2) = 𝑓𝑐 𝑣 + 𝑓𝑐 9 Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa.Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được pha-đinh độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến độ trễ giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường pha-đinh nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền pha-đinh chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến gây trễ đáng kể. 1.2.3.2 . Phân tập tần số Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin.Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của pha-đinh một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng pha-đinh trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau. Trong truyền thông di động, máy phát thường được truyền đến các phiên bản của tín hiệu cho máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số. 1.2.3.3 . Phân tập không gian Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten .Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu không tương quan với nhau. Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường và tần số đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai. 10 Hình 1.4. Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO Tùy thuộc vào việc sử dụng một hoặc nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành bốn loại: - Không sử dụng phân tập không gian (hệ thống SISO) - Phân tập anten phát (hệ thống MISO) - Phân tập anten thu (hệ thống SIMO) - Phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO) Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt pha-đinh đa đường. 1.2.4. Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO 1.2.4.1. Dung lượng kênh MIMO Dung lượng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó. Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss: bits (1-3) C = W𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝜌) [ ] s Trong đó: W : băng tần của kênh truyền (Hz) 𝜌 : tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) 11 Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu điễn tổng quát như sau: 𝐶𝑀𝐼𝑀𝑂 𝜌 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑊 𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 + 𝐻𝐻𝐻 ) [ 𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 < 𝑁𝑇 ] (1-4) 𝑁𝑇 𝑠 = 𝜌 𝐻 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑊 𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 + 𝐻 𝐻) [ ] 𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 ≥ 𝑁𝑇 { 𝑁𝑇 𝑠 H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa 𝑁𝑇 anten phát và 𝑁𝑟 là số anten thu. Trong thực tế do các tác động của pha-đinh, kênh truyền biến động theo thời gian và thường được mô phỏng hóa bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh. Dung lượng kênh truyền được xác định: ̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐶𝑀𝐼𝑀𝑂 𝜌 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝐸𝐻 {𝑊𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 + 𝐻𝐻𝐻 )} [ 𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 < 𝑁𝑇 ] (1-5) 𝑁𝑇 𝑠 = 𝜌 𝐻 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝐸𝐻 {𝑊𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 + 𝐻 𝐻)} [ ] 𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 ≥ 𝑁𝑇 { 𝑁𝑇 𝑠 1.2.4.2 . Độ lợi trong hệ thống MIMO Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng 𝜆 (thông thường là 𝜆/2), beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ. Khi môi trường tán xạ mạnh, hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập. TX RX Hình 1.5. Kỹ thuật beamforming