Bài giảng thông tin vô tuyến nâng cao hệ thống mimo

MIMO VÀ PHÂN TẬP thông tin được truyền đồng thời trên nhiều đường độc lập để đạt được độ tin cậy truyền dẫn cao.. Khái niệm MIMO Tùy thuộc vào số lượng anten phát, anten thu, phân cực và

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

THÔNG TIN VÔ TUYẾN NÂNG CAO

NỘI DUNG:

KHOA VIỄN QTĐT-SĐH

Giíi thiÖu

MIMO VÀ PHÂN TẬP

Các sơ đồ MIMO được xây dựng trên hai

kỹ thuật:

 Phân tập không gian thời gian

 Ghép kênh không gian

MIMO VÀ PHÂN TẬP

thông tin được truyền đồng thời trên nhiều đường độc lập để đạt

được độ tin cậy truyền dẫn cao.

thông tin được mã hóa và được truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khác nhau sao cho từng phần của từ

mã chỉ bị ảnh hưởng của các phađinh độc lập.

được đặt đủ cách xa nhau sao cho đảm bảo tính độc lập giữa các đường truyền dẫn.

tăng dung lượng nhờ truyền đồng thời nhiều luồng song song trên các anten khác nhau.

Khái niệm MIMO

Tùy thuộc vào số lượng anten phát, anten thu, phân cực vàcác chế độ của anten, các hệ thống thông tin vô tuyến cóthể được phân chia thành:

 SISO (Single input single output):hệ thống chỉ có một antenphát, một anten thu

 SIMO (Single input multi output): Hệ thống có một antenphát và nhiều anten thu

 MIMO (multi output multi output): Hệ thống có nhiềuanten phát và nhiều anten thu

Sự khác nhau giữa SISO và MIMO được thể hiện trên hình 1

Bit Symbol

năng tối ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tincậy) với độ phức tạp cho phép

H 1

Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộđiều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế như trên hình 2 và 3

Chuyển đổi mức và điều

chế

Giải điều chế

và giải chuyển đổi mức

Chuyển đổi mức và điều chế

Giải điều chế và giải chuyển đổi mức

Giải điều chế và giải chuyển đổi mức

Sơ đồ tổng quát kênh MIMO

Các hàm kênh MIMO

1

(2 ( )) ( , )) 0

, , , ,

1,1 2,1 ,1 1,2 2,2 ,2 ,

t t

c n m n m

n n

Các đường truyền cùng độ dài cùng

C A

A B

ax C d

C

ái niệm tương quan; nhất quán

b) Đáp ứng xung kim của hệ thống thay đổi theo thời gian

Dạng hàm thay đổi

PSD đầu vào

PSD đầu ra

2

0 ( ) ( )

xx

S f A d f f

2

0 ( ) ( )

Tín hiệu

ra y(t) Hàm truyền đạt

Hàm truyền đạt kênh phẳng trong

băng tần tín hiệu (kênh phađinh

phẳng)

Hàm truyền đạt kênh không

phẳng trong băng tần tín hiệu

(kênh phađinh chọn lọc tần số)

Y(f)

Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành

phần tán xạ

Các đường truyền khả phân giải

Các loại phađinh phạm vi hẹp

Cơ sở phân loại Loại Phađinh Điều kiện

Trải trễ đa đường Phađinh phẳng

Trải Doppler Phađinh nhanh T>TC; B<fd

B là độ rộng băng tần tín hiệu; BC là băng thông nhất quán; fd là trải Doppler; T

là chu kỳ ký hiệu; và  trải trễ trung bình quân phương.

Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp

Mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler

Bộ ước tớnh kờnh

*

Bộ tỏch tớn hiệu ML

1 ˆx

Nếu: coi và có cùng phân bố Gauss;

(ii) quyết định theo nguyên tắc ML, thì chọn nếu và chỉ nếu:

MIMO VÀ PHÂN TẬP

Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu

1 2

-x

2

x

* 1

x

Anten phát 1 Anten phát 2

Anten thu 1

3 4

Nhiễu và tạp âm Anten thu 2

Bộ ước tính kênh

M« h×nh kªnh MIMO SVD

M« h×nh kªnh SVD MIMO

r r 1

y (k)

y (k) :

n n 1

y (k)

y (k) :

SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận

kênh H

1/ 2 1

1/ 2

1/ 2 N

r t

N min n , n

1 2 N

N N 1

x (k)

x (k) :

N N 1

y (k)

y (k) :

N N 1

y (k)

y (k) :

N = min(n r ,n t )

 

n U x

D

n U x

V UDV U

n U x

UDV U

n x

UDV U

n Hx

U y

H

H H

H

H H

H

H H

 M« hinh hãa m¸y ph¸t

m r

1,1 1,2 1,r 2,1 2,2 2,r

m,1 m,2 m,r m r

V C is called the transmit precoding matrix

V is (rotation) unitary matrices

x(k) = V.x(k)

v v v

v v v

 M« hinh hãa nhiÔu vµ t¹p ©m

n K I

I I 1,1 1,2 1,K 2,1 2,2 2,K

is the baseband additive noise at interference the receive antennas

n n 1

(k)

w (k) :

M« hinh hãa m¸y thu

n m

w(k) 1,1 1,2 1,m 12,1 2,2 2,m 2

baseband transmitted is the baseband signal interference

n n 1z(k) C is the y(k) C is additive noise at the baseband the receive antennas received signals w( k )

y (k)

y (k) :

Dung lîng kªnh

Dung lîng kªnh

SISO-SIMO-MIMO

Định lý dung lợng kênh truyền: Dung lợng kênh có

độ rộng băng B (Hz), bị nhiễu loạn bởi tạp âm Gaussian trắng cộng AWGN có mật độ phổ công suất N0/2 và bị giới hạn băng thông B, đợc cho bởi

bits/s

P B

20 40

3.2 Gi¶i ph¸p dung lîng kªnh MIMO

Gi¶i ph¸p dung lîng kªnh

MIMO

3.2 Gi¶i ph¸p dung lîng kªnh MIMO

 

2

2 2

: 2

log 1 log det

th

H

Mr X :Tr R

Since = P/ , the capacity can also be expressed in terms of the power allocation to the i parallel channel as

log

; 0

i i

P P

B C

3.2 Gi¶i ph¸p dung lîng kªnh MIMO

2 2

2

2 1

H M

2

2 H

 Trêng hîp 1: C¶ nhiÔu vµ t¹p ©m lµ mét chuçi c¸c vector

w(k)  H x (k) z(k) 

H full SVD of H

H ww

w i

Dùng các chuyển đổi khả đảo V và U chuyển hệ thống

thành nhiều kênh AWGN song song

Dung lợng dới điều kiện hạn chế công suất trung binh i P

i p 



3.2 Giải pháp dung lợng kênh MIMO

E y(k)Thì

E u (k) sẽ hội tụ đến nghiệm MMSE

Gi¶i thuËt vµ m« pháng

Gi¶i thuËt vµ m« pháng

MMSE (k) H new , H I _ new , U MSE , sigma2

C  SubC C LMS (k)  SubC  H new , H I _ new , U LMS , sigma2 

optti (k) Opt H _ P , P,1

C¸c kÕt qu¶ m« pháng

4.2 KÕt qu¶ m« pháng

Bám nghiệm MMSE

Khi chiến lợc phát đơn giản kết hợp với định dạng máy thuMMSE cho ta hiệu năng gần với hiệu năng tối u nếu bámnghiệm MMSE Vì vậy, cần phải kiểm tra khả năng bámcủa các giải thuật thích ứng khi nghiệm thay đổi theo thờigian dới dạng dung lợng kênh.

Mô phỏng cho trờng hợp:

1 Ma trận độ lợi kênh H thay đổi do phađinh.

2 Ma trận độ lợi nhiễu HI thay đổi do phađinh.

4.2 Kết quả mô phỏng

Trờng hợp 1:

 Các thực thể của H là các quá trinh phađinh

Rayleigh độc lập với độ lợi trung binh đơn vị và tần số Doppler fD = 40 Hz.

 Không có nguồn nhiễu ngoài (HI=0).

 Tạp âm máy thu có phơng sai là

KÕt qu¶ m« pháng khi m=2 vµ n=2:

0 5 10 15

Optimal MMSE LMS

Gi¶i thuËt LMS b¸m nghiÖm MMSE kh¸ tèt

4.2 KÕt qu¶ m« pháng

0 5 10 15 20

Optimal MMSE LMS

KÕt qu¶ m« pháng khi m=2 vµ n=4:

HiÖu n¨ng b¸m cña gi¶i thuËt LMS lµ kÐm h¬n

4.2 KÕt qu¶ m« pháng

 C«ng suÊt cña mçi nguån nhiÔu lµ: 1/2

 Ph¬ng sai t¹p ©m t¹i mçi anten thu lµ: 0,02

4.2 KÕt qu¶ m« pháng

Optimal MMSE LMS

4.2 KÕt qu¶ m« pháng

Kết luận

Phần nội dung:

 Dung lợng: Rút ra dung lợng kênh với điều kiện nhiễu và tạp âm

AWGN song song và độc lập Chỉ khác là phai giai tơng quan

Kết luận

biệt khi kênh thay đổi theo thời gian Tuy nhiên Nếu dùng matrận V tối u thi nghiệm MMSE và các ma trận định dạng máy thu

đạt dung lợng kênh về cơ ban là nh nhau Dây là kết qua rấthấp dẫn vi các giai thuật thích ứng để bám nghiệm MMSE

Kết quả mô phỏng

 Tuy nhiên, việc cập nhật ma trận tiền mã hóa V vẫn rất khó

thực hiện Vi vậy, giới thiệu giải pháp bằng cách dùng một

chiến lợc phát đơn giản nhất có thể, mỗi kênh không gian

phát trên anten riêng có công suất bằng nhau Sau đó

thông qua mô phỏng cho thấy khi dùng giải pháp này kết

hợp với việc định dạng máy thu MMSE nhận đợc kết quả

đáng ngạc nhiên gần với dung lợng kênh tối u khi số lợng

anten thu đủ lớn

Kết quả mô phỏng

 Qua mô phỏng cho thấy khả nang bám của giải thuật LMS

theo nghiệm MMSE theo dung lợng kênh Theo đó, thực hiện

kiểm tra khả nang bám của giải thuật này bằng hai mô phỏng

riêng trong ba điều kiện riêng biệt sau: (i) H là quá trinh

 Nói chung LMS làm việc tốt và nơi tính hội tụ của nó là quá

chậm khi bám theo nghiệm MMSE mà không làm suy giảm đáng

kể dung lợng Cần có giải thuật có khả nang bám nhanh hơn

giải thuật LMS

 Chơng trình mô phỏng đợc xây dựng có tính Modul cho phép,

cải tiến, phát triển, nâng cấp sau này

 Do có tính Modul nên thuận lợi cho việc kiểm tra, đánh giá

khảo sát tín hiệu trong mô hình ở dạng rời rạc và liên kết

 Các kết quả mô phỏng cho phép đánh giá khảo sát dạng tín

hiệu tại các điểm trong mô hình hệ thống cũng nh các ảnh hởngcác thông số cơ đặc trng

 Phần chơng trình mô phỏng:

Kết luận

66

Khái niệm MIMO

Tùy thuộc vào số lượng anten phát, anten thu, phân cực vàcác chế độ của anten, các hệ thống thông tin vô tuyến cóthể được phân chia thành:

 SISO (Single input single output):hệ thống chỉ có một antenphát, một anten thu

 SIMO (Single input multi output): Hệ thống có một antenphát và nhiều anten thu

 MIMO (multi output multi output): Hệ thống có nhiềuanten phát và nhiều anten thu

Sự khác nhau giữa SISO và MIMO được thể hiện trên hình 1

Bit Symbol

năng tối ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tincậy) với độ phức tạp cho phép

H 1

Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộđiều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế như trên hình 2 và 3

Chuyển đổi mức và điều

chế

Giải điều chế

và giải chuyển đổi mức

Chuyển đổi mức và điều chế

Giải điều chế và giải chuyển đổi mức

Giải điều chế và giải chuyển đổi mức

Sơ đồ tổng quát kênh MIMO

SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận

kênh H

1/ 2 1

1/ 2

1/ 2 N

r t

N min n , n

1/ 2 N

H 12

z2

znr

Nhân số liệu

Dung lượng kênh

h N

t

SNRlog det , bps / Hz

 Dung lượng MIMO tăng tuyến tính với

min(nt;nr) và ma trận kênh phân chia thành

min(nt;nr) kênh song song độc lập

 Dung lượng kênh tăng tuyến tính do tăng hạng của H

Hiệu năng kênh MIMO

 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

 Hiệu suất sử dụng phổ tần

Hiệu năng MIMO

Đối với hệ thống MIMO nt×nr, ta có thể biểu diễn SNR đầu

ra và hiệu suất sử dụng phổ tần như sau: