Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật MIMO và Ứng dụng của kỹ thuật MIMO

I. Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật MIMO 1. Khái niệm Mimo là gì ? MIMO được viết tắt bởi (multi input multi output) trong truyền thông (communications ). MIMO  là kỹ thuật sử dụng nhiều ăngten phát và nhiều ăngten thu để truyền và nhận dữ liệu. Kỹ thuật Mimo tận dụng sự phân tập ( không gian, thời gian, mã hóa,… ) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu. MIMO là 1 trong các hệ thống thông tin không dây. 2. Lịch sử phát triển của kỹ thuật MIMO Kĩ thuật MIMO xuất hiện rất sớm từ những năm 70 do A.R Kaye và D.A George đề ra năm 1970 và W. van Etten năm 1975, 1976. Giữa thập niên 80, Jack Winters và Jack Salz làm việc tại Bell Labs đã đưa ra những ứng dụng dung kỹ thuật tạo búp bóng được sử dụng trong hệ Mimo sau này. Năm 1993, Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath đề xuất khái niệm hợp kênh không gian sử dụng hệ Mimo. Năm 1996, Greg Raleigh và Gerard J.Foschini đưa ra phương pháp mới sử dụng kỹ thuật MIMO dựa trên việc biểu diễn dung năng như hàm phụ thuộc vào số anten thu phát. Năm 1998, lần đầu tiên trong lịch sử Bell Labs chứng minh thí nghệm mô hình hợp kênh không gian (SM). Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ MIMO OFDMA được đưa ra thị trường bởi hiệp hội Iospan Wireless Inc. Sản phẩm này hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. Năm 2006, một số công ty viễn thông lớn ( Beceem Communications, Samsung, Runcom Technology… ) tập trung phát triển kỹ thuật MIMOOFDMA làm giải pháp cho chuẩn di động bang thông rộng WIMAX IEEE 802.16e. Cũng trong năm 2006 một số công ty ( Broadcom, Intel… ) phát triển công nghệ MIMOOFDMA chuẩn bị cho kỹ thuật chuẩn Wifi theo tiêu chuẩn IEEE 802.11n. Trong tương lai kỹ thuật MIMO vẫn rất còn quan trọng trong hệ 4G, và vẫn đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm phát triển, tính đến năm 2013 nhờ có nền tảng kỹ thuật MIMOOFDMA mà chúng ta đã có mạng 4G LTE. Ở Việt Nam, do điều kiện kỹ thuật công nghệ còn khá xa với thế giới nên việc nghiên cứu cũng gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong quá trình xây dựng và test một hệ MIMO. Tuy nhiên, vài năm trở lại đây ở Việt Nam đã bắt đầu được tiếp cận với một công nghệ mới

Bài Thảo Luận Nhóm 3 Môn: Trường Điện Từ & Kỹ Thuật Anten

Lớp: Điện- Điện Tử

STT Họ và Tên Ngày sinh Đánh giá của nhóm

1 Nguyễn Trung Hiếu 03/10/1993 Tốt

4 Trần Việt Hoàng 05/02/1993 Tốt

5 Nguyễn Đình Hồng 10/03/1993 Tốt

10

Nội Dung

 Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật MIMO

 Ứng dụng của kỹ thuật MIMO

I Giới thiệu tổng quan về kỹ

thuật MIMO

1 Khái niệm Mimo là gì ?

- MIMO được viết tắt bởi (multi input multi output) trong truyền thông (communications )

- MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu Kỹ thuật Mimo tận dụng sự phân tập ( không gian, thời gian, mã hóa,… ) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ

dữ liệu

- MIMO là 1 trong các hệ thống thông tin không dây

2 Lịch sử phát triển của kỹ thuật MIMO

• Kĩ thuật MIMO xuất hiện rất sớm từ những năm 70 do A.R Kaye và D.A

George đề ra năm 1970 và W van Etten năm 1975, 1976

• Giữa thập niên 80, Jack Winters và Jack Salz làm việc tại Bell Labs đã đưa ra những ứng dụng dung kỹ thuật tạo búp bóng- được sử dụng trong hệ Mimo sau này

• Năm 1993, Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath đề xuất khái niệm hợp kênh không gian sử dụng hệ Mimo

• Năm 1996, Greg Raleigh và Gerard J.Foschini đưa ra phương pháp mới sử dụng kỹ thuật MIMO dựa trên việc biểu diễn dung năng như hàm phụ thuộc vào số anten thu phát

• Năm 1998, lần đầu tiên trong lịch sử Bell Labs chứng minh thí nghệm mô

hình hợp kênh không gian (SM)

• Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ MIMO- OFDMA được đưa ra thị trường bởi hiệp hội Iospan Wireless Inc Sản phẩm này hỗ trợ

cả mã phân tập và hợp kênh không gian

• Năm 2006, một số công ty viễn thông lớn ( Beceem Communications, Samsung, Runcom Technology… ) tập trung phát triển kỹ thuật MIMO-OFDMA làm giải

pháp cho chuẩn di động bang thông rộng WIMAX IEEE 802.16e Cũng trong năm

2006 một số công ty ( Broadcom, Intel… ) phát triển công nghệ MIMO-OFDMA chuẩn bị cho kỹ thuật chuẩn Wifi theo tiêu chuẩn IEEE 802.11n

• Trong tương lai kỹ thuật MIMO vẫn rất còn quan trọng trong hệ 4G, và vẫn đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm phát triển, tính đến năm 2013 nhờ có nền tảng kỹ thuật MIMO-OFDMA mà chúng ta đã có mạng 4G LTE

• Ở Việt Nam, do điều kiện kỹ thuật công nghệ còn khá xa với thế giới nên việc

nghiên cứu cũng gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong quá trình xây dựng và

test một hệ MIMO Tuy nhiên, vài năm trở lại đây ở Việt Nam đã bắt đầu được tiếp cận với một công nghệ mới

3 Phân loại kỹ thuật MIMO

MIMO có thể chia thành 3 mảng chính:

 Mã trước ( Precoding ).

 Hợp kênh không gian- SM.

 Mã phân tập.

Mã trước ( Precoding )

• Mã trước là cách tạo song búp nhiều lớp Trong cách tạo búp song đơn lớp mỗi anten phát sẽ phát các tín hiệu giống nhau với các trọng số pha thích hợp

để cực đại công suất ở đầu thu Kết quả là tạo búp song làm tang hệ số công suất thông qua cấu trúc tổng hợp, và làm giảm hiệu ứng fading do đa đường Nếu môi trường không có tán xạ thì cách tạo búp song này rất có hiệu quả.

• Trên thực tế khi sử dụng nhiều anten nhận thì bên phát không thể tạo búp song để cực đại tín hiệu trên tất cả các anten nhận Khi đó mã trước cần được

sử dụng.

• Trong kỹ thuật này, nhiều luông tín hiệu độc lập được phát đồng thời từ các anten phát với các trọng số thích hợp sao cho thông lượng tại bộ thu cực đại

Mã trước yeu cầu bên phát phải biết thông tin trạng thái kênh (CSI).

Hợp kênh không gian- SM

• Hợp kênh không gian: yêu cầu cấu hình anten phù hợp, trong hợp

kênh không gian tín hiệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc

độ thấp hơn, mỗi luồng được phát bởi một anten khác nhau trên

cùng một băng tần Nếu các luồng tín hiệu này đến bộ thu có sự khác biệt kí hiệu không gian thích hợp thì bộ thu có thể tách biệt các luồng này, tạo thành các kênh song song

• Hợp kênh không gian rất hữu hiệu làm tang dung lượng đáng kể trong trường hợp tỉ số SNR cao Số luồng không gian cực đại chính bằng

hoặc nhỏ hơn số anten nhỏ nhất ở bên phát và bên thu

• Hợp kênh không gian không yêu cầu bên phát phải biết kênh

Mã phân tập

• Mã phân tập là kỹ thuật khi bên phát không biết thông tin trạng thái kênh, không như kỹ thuật SM Mã phân tập chỉ phát đi một luồng tín hiệu được mã hóa theo kỹ thuật được gọi là mã hóa theo không-thời gian Các anten phát tín hiệu mã hóa trực giao Kỹ thuật phân tập khai thác tính độc lập của fading trong hệ nhiều anten để nâng cao sự

phân tập của tín hiệu Vì bên phát không biết kênh nên mã phân tập không tạo búp sóng

Trong thực tế người ta có thể kết hợp kỹ thuật hợp kênh không gian với mã trước khi bên phát biết trạng thái kênh, hoặc kết hợp với

mã phân tập trong trường hợp ngược lại

II Ứng dụng của kỹ thuật MIMO

• Lợi ích chính của hệ MIMO là tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của kênh truyền Kỹ thuật hợp kênh không gian đòi hỏi độ phức tạp của bộ thu, do đó nó thường được kết hợp với kỹ thuật hợp kênh để phân chia theo tần số trực giao (OFDM), hoặc OFDMA Chuẩn IEEE

802.16e kết hợp chặt chẽ với kỹ thuật MIMO-OFDMA và chuẩn IEEE 802.11n sử dụng MIMO-OFDM

• Hệ MIMO cũng được sử dụng trong chuẩn di động 3GPP & 3GPP2 và đang được phát triển kỹ thuật truyền thông MIMO nâng cao như kỹ thuật xuyên lớp, kỹ thuật nhiều người dung và ad- hoc trongMIMO

Xuyên lớp MIMO

• Để giải quyết các vấn đề xuyên lớp xảy ra trông hệ thống MIMO, do

đó làm tang hiệu quả sử dụng kênh Kỹ thuật xuyên lớp này cũng làm tang hiệu quả sử dụng kênh SISO

• Các kỹ thuật xuyên lớp thường gặp là: điều chế và mã hóa thích nghi (AMC), liên kết thích nghi

MIMO nhiều người dùng

• Để khai thác sự giao thoa công suất của nhiều người sử dụng như là một tài nguyên không gian cho kỹ thuật xử lý phát triển tiên tiến, còn trong chế độ một người dùng, hệ thống MIMO chỉ sử dụng nhiều

anten

• Ví dụ cho xử lý phát triển tiên tiến của hệ MIMO nhiều người dùng là giao thoa có liên quan đến mã trước

Ad- hoc MIMO

• Là một kỹ thuật rất hữu dụng cho mạng tế bào trong tương lai, nó tập trung vào mạng vô tuyến mắt cáo hay mạng vô tuyến ad-hoc Trong mạng ad-hoc nhiều nút phát liên lạc với nhiều nút thu Để có thể tối

ưu hóa dung năng của kênh Ad-hoc, khái niệm và kỹ thuật MIMO

được áp dụng cho các liên kết trong cụm thu và phát Không giống với

hệ anten trong hệ MIMO một người dùng, các nút này được đặt như một mạng phân bố

• Để đạt được dung năng trong mạng này cần quản lí sự phân bố tài

nguyên sóng vô tuyến hiệu quả như sự hoạt động đồng thời của các nút và khái niệm mã trang nhiễm bẩn

Nhận xét

Tóm lại hệ MIMO với những kỹ thuật phân tập, mã trước và nhiều người

dùng đang được quan tâm nghiên cứu phát triển hứa hẹn đem lại cho chúng

ta nhiều lợi ích hơn nữa trong truyền thông vô tuyến.

Ưu điểm:

Làm tăng tốc độ dữ liệu và độ tin cậy kênh truyền.

Làm nâng cao chất lượng tín hiệu nâng cao độ lợi thu, phát theo không gian.

Giảm hiện tượng fading trong truyền thông.

Tăng hiệu suất sử dụng, công suất, triệt can nhiễu.

Nhược điểm:

Chi phí cho thiết bị và nghiên cứu khá cao, nên chưa được phổ biến rộng dãi.

Giải thuật xử lý tín hiệu cao hơn, phức tạp hơn.

Lớp DHDT5AHN 2011-2015

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đình Hồng