Lớp vật lý của Wimax di dộng: Công nghệ đa anten; MIMO; Tính năng tăng cường; Điều khiển tài nguyên

Báo cáo các mạng thông tin vô tuyến Học Viện Bưu Chính Viễn Thông Lớp vật lý của Wimax di dộng: Công nghệ đa anten; MIMO; Tính năng tăng cường; Điều khiển tài nguyên Báo cáo các mạng thông tin vô tuyến Nguyễn Viết Minh PTIT

Phân công công việc

Vũ Văn Cường B14DCVT185 Chương 1Chương 2

Bản word và slide

Chương 4

Nội dung

Danh mục hình vẽ

Danh mục bảng

Wimax dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 – 2004 và IEEE 802.16e -2005 và được thiết kế dựa trên nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ( OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing ) Để nâng cao hiệu suất của hệ thống ta

sử dụng hệ thống thu phát MIMO cùng với OFDM nhằm: tăng độtin cậy của hệ thống ( giảm BER), tăng tốc độ dữ liệu và do đó tăng dung lượng của hệ thống

Mục tiêu của bài báo cáo này nhằm tìm hiểu về kỹ thuật

MIMO sử dụng trong Wimax, các tính năng tăng cường của Wimax giúp Wimax có lợi thế hơn các hệ thống khác và

cuối cùng là các cách điều khiển tài nguyên trong Wimax

Chương 1: Các công nghệ đa anten trong IEEE

802.16e.

1.1 Các công nghệ Anten thông minh

Các công nghệ đa anten liên quan đến xử lý vectơ phức hay ma trận đối với các tín hiệu đưa đến nhiều anten OFDMA cho phép các xử lý này được thực hiện trên các sóng mang con vectơ phẳng Không cần sử dụng các bộ cân bằng để bù trừ phađinh chọn lọc Vì thế OFDMA rất thích hợp cho việc sử dụng các công nghệ anten thông minh MIMO/OFDM/OFDMA được coi

là nền tảng cho các hệ thống thông tin băng rộng thế hệ sau WiMAX hỗ trợ tất cả các công nghệ anten thông minh khác

nhau để tăng hiệu năng hệ thống Các công nghệ anten thông minh bao gồm:

• Tạo búp (beamforming): Nhờ khả năng tạo búp, hệ thống

sử dụng nhiều anten để truyền các tín hiệu quan trọng để nâng cao dung lượng và khả năng phủ sóng của hệ thống cũng như giảm khả năng mất dịch vụ

• Mã không gian - thời gian (Space Time Code – STC): Hỗ trợ phân tập truyền như mã Alamouti để cung cấp khả năng phân tập không gian và giảm dự trữ suy hao tín hiệu

• Ghép kênh không gian (SM): Hỗ trợ ghép kênh không gian

để tận dụng tốc độ đỉnh cao hơn và giảm thông lượng Nhờghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ được truyền trên hệthống nhiều anten Nếu phía thu cũng có hệ thống nhiều anten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn anten

Với hệ thống MIMO 2x2, SM tăng tốc đốc độ dữ liệu đỉnh gấp 2 lần Ở đường lên (UL), mỗi người dùng chỉ có một anten phát, 2 người dùng có thể truyền cùng với nhau trong cùng một khe thời gian giống như hai luồng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng một người dùng.

1.2 Sơ đồ phân tập phát sử dụng hai anten

Bộ xử lý mã không gian thời gian (STC) hoặc không gian (SM) cho phân tập phát được thể hiện bằng ma trận Ma trận định nghĩa khuôn dạng truyền dẫn trong đó chỉ số hàng chỉ thị

số anten còn chỉ số cột chỉ thị thời gian ký hiệu Đối với đường xuống sử dụng hai anten phát, có thể sử dụng một trong hai matrận sau cho sơ đồ vòng hở:

Trong đó và là hai ký hiệu OFDM liên tiếp và các ma trận

mã hóa không gian thời gian (ma trận A) hoặc không gian (ma trận B) được áp dụng trên toàn bộ ký hiệu OFDM

Nguyên lý mã hóa không thời gian như sau: Tại thời điểm: anten thứ nhất phát đi trong khi anten thứ 2 phát đi Tại thờiđiểm tiếp theo là : anten thứ nhất phát đi trong khi anten thứ

2 phát đi ( dấu * thể hiện phép toán lấy liên hợp phức Do tín hiệu phát đi từ hai anten phát trực giao với nhau nên việc giải

mã được đơn giản hóa

Nguyên lý mã hóa không gian: Tại thời điểm : anten thứ nhất phát đi trong khi anten thứ 2 phát đi

Nguyên lý được mô tả ở hình 1:

Hình 1-1: Sơ đồ phân tập phát sử dụng mã không gian (nửa trên hình vẽ) và không gian thời gian (toàn bộ hình vẽ).

Trong các sơ đồ đa anten, có thể sử dụng cả mã hóa

ngang lẫn mã hóa đứng Trong trường hợp mã hóa ngang, các luồng được mã hóa kênh để tìm và sửa lỗi và điều chế độc lập trước khi được đưa đến khối xử lý mã không gian hoặc khối xử

lý mã không gian thời gian sau đó được đưa đến bộ sắp xếp sóng mang con để sắp xếp kênh con và chèn hoa tiêu sao đấy qua bộ IFFT để biến đổi Fourier cuối cùng nâng tần và đua ra anten phát Đối với sơ đồ mã hóa hóa đứng, các luồng đựơc điều chế và mã hóa chung trước đi được đưa đến khối xử lý mã không gian hoặc khối xử lý mã không gian thời gian:

Hình 1-2 Sơ đồ mã hóa ngang (a) và đứng (b) cho hai

anten phát.

Vì số anten tại MS bị hạn chế do không gian chiếm ( thiết

bị MS cần nhỏ gọn), nên đường lên chỉ có thể sử dụng 2xSTC(mã STC với hai anten phát) 2xSTC Alamouti và ghép kênhkhông gian (SM) có thể được sử dụng trên UL PUSC ( PartiallyUsed Sub-Channel – kênh con sử dụng một phần) và các vùngAMC (Adaptive Modulation and Coding – Điều chế và mã hóathích ứng) để cải thiện hiệu năng hệ thống

1.3 Sơ đồ đa anten phát cho đường xuống

Do không bị giới hạn bởi không gian trạm gốc nên đường xuống có thể sử dụng các sơ đồ MIMO với 2xSTC (STC với hai anten phát), 3xSTC (STC ba anten phát, 4x STC (STC bốn anten phát) bao gồm cả OSTBC ( Orthogonal Space-Time Block Code –

mã khối không gian thời gian trực giao) và SM Ngoài ra STC có thể được đánh trọng số trước khi đưa lên các anten.

Sơ đồ truyền dẫn đường xuống được định nghĩa bằng các

ma trận với hàng chỉ thị chỉ số anten còn cột chỉ thị thời gian kýhiệu OFDM

Các sơ đồ truyền dẫn tương ứng với các cấu hình anten khác nhau như sau: trong đó A – Ma trận mã hóa không thời gian; B – Ma trận mã hóa không gian ; C – Ma trận mã hóa khối không thời gian trực giao

• Đường xuống 2 anten có thể sử dụng các ma trận được định nghĩa dưới đây:

• Đường xuống 4 anten có thể sử dụng các ma trận được định nghĩa dưới đây:

1.4 Mã phân tập nhảy tần

Ngoài các mã không gian/thời gian, WiMAX cũng định

nghĩa phân tập nhẩy tần (FHDC - Frequency Hopping Diversity Code: mã phân tập nhẩy tần) trên cơ sở sử dụng hai anten với

mã hóa trong miền thời gian và tần số Trong trường hợp này các ký hiệu được mã hóa không gian và tần số là các kênh con Trong FHDC anten thứ nhất phát các ký hiệu không mã hóa (giống như truyền dẫn anten đơn), anten thứ hai phát ký hiệu được mã hóa trên hai kênh con liên tiếp trên cơ sở sử dung ma trận Allamouti 2x2 của mã hóa không thời gian STC Minh họa như hình dưới:

Hình 1-3 Mã phân tập nhẩy tần, FHDC

1.5 MIMO vòng kín

Các sơ đồ phân tập phát và ghép kênh không gian của WiMAX đựơc xét trong các phần trên không đòi hỏi thông tin trạng thái kênh (CSI) tại máy phát Tuy nhiên hiệu năng của MIMO sẽ tăng lên nhiều nếu máy phát biết được CSI CSI cho

phép chọn chế độ MIMO phù hợp (số lượng anten, số luồng phátđồng thời, ma trận mã hóa không gian/thời gian) cũng như tính toán ma trận mã hóa tối ưu để đạt được dung lượng hệ thống cực đại Máy phát có thể biết được CSI dựa trên tính đổi lẫn của kênh truyền (kênh đường xuống giống kênh đường lên) trong trường hợp TDD ( Ghép song công phân chia theo thời gian) hoặc bằng cách sử dụng kênh phản hồi trong trường hợp FDD ( ghép song công phân chia theo tần số ).

Hình 1-4 Sơ đồ khối chung cho MIMO vòng kín của WiMAX

Sơ đồ trên khác với MIMO vòng hở có thêm bộ tiền mã hóa Ma trận tiền mã hóa là một ma trận phức có số dòng bằng

số anten phát và số cột bằng số đầu ra của khối mã hóa không gian/thời gian Ma trận tiền mã hóa tuyến tính trộn theo không gian các luồng song song giữa các anten kết hợp với điều chỉnh biên và pha tương ứng

Để có thể xác định biên và pha cho các trọng số khác

nhau, máy phát đòi hỏi một số phản hồi từ MS Trong trường

hợp MIMO vòng kín, thông tin phản hồi đơực chia làm hai loại chính: phản hồi dài hạn và phản hồi ngắn hạn Phản hồi dài hạncung cấp thông tin liên quan đến số lượng cực đại các luồng song song (hạng của ma trận tiền mã hóa) cần dược sử dụng cho truyền dẫn đường xuống Phản hồi ngắn hạn cung cấp

thông tin liên quan đến các trọng số của ma trận tiền mã hóa cần sử dụng

IEEE 802.16e-2005 định nghĩa năm cơ chế để BS có thể ước tính ma trận tiền mã hóa cho hoạt động MIMO vòng kín:

1 Lựa chọn anten MS chỉ dẫn BS nên sử dụng anten (các anten) nào cho truyền dẫn để đạt được dung lượng kênh cực đại hoặc cải thiển độ tin cậy đường truyền

2 Chia nhóm anten MS chỉ dẫn BS để đạt đựơc sắp xếp(hoán vị) tối ưu thứ tự các an ten sẽ được sử dụng với

ma trận mã hóa không gian/thời gian hiện thời

3 Phản hồi dựa trên bảng mã MS chỉ dẫn BS cách đạt xây dựng ma trận tiền mã hóa tối ưu dựa trên các giátrị trong một bảng mã đựơc định nghĩa trước

4 Phản hồi kênh lượng tử MS lượng tử hóa kênh MIMO

và gửi các thông tin này cho BS trên các bản tin phảnhồi MIMO (MIMO-Feedback) BS có thể sử dụng kênh MIMO lượng tử này để tính toán ma trân mã hóa trứơctối ưu

5 Thăm dò kênh BS sử dụng tín hiệu thăn dò kênh dành riêng được quy định trứơc để nhận được thông tin chính xác về CSI

1.5.1 Lựa chọn anten

Khi số anten phát lớn hơn số luồng song song đầu vào, phản hồi chọn anten chỉ cho BS rằng anten nào trong số các anten khả dụng sẽ tối ưu cho truyền dẫn MS tính toán dung lượng kênh MIMO cho từng tổ hợp anten và chọn tổ hợp cho phép đạt đựơc dung lượng kênh cực đại Sau đó MS thông báo lựa chọn các anten này trên kênh phản hồi nhanh thứ cấp Chọnlọc anten là một cơ chế phản hồi tiết kiệm băng thông và là tínhnăng rất hữu ích tại tốc độ di động cao khi tốc độ phản hồi khá cao

ra cách hoán đổi và số anten phát cần sử dụng bằng cách sử dụng kênh phản hồi nhanh sơ cấp

1.5.3 Phản hồi dựa trên bảng mã

Phản hồi dựa trên bảng mã cho phép MS xác định rõ ràng

mã trận tiền mã hóa cần sử dụng cho truyền dẫn đường xuống

Tiêu chuẩn định nghĩa bảng mã khác nhau cho các tổ hợp khác nhau của số luồng đầu vào và số anten phát Có 2 bảng mã định nghĩa tiêu chuẩn là: bảng mã thứ nhất có 8 phần tử và bảng mã thứ hai có 64 phân tử Nếu chọn ma trận tiền mã hóa

có 8 phần tử, MS có thể thông báo điều này cho BS bằng cách

sử dụng một kênh phản hồi 3 bit Trái lại nếu chọn bảng mã có

64 phần tử, MS có thể thông báo điều này cho BS bằng cách sử dụng kênh phản hồi 6 bit Cách chọn hai bảng mã cho phép hệ thống cân đối giữa hiệu năng và hiệu suất phản hồi

1.5.4 Phản hồi kênh lượng tử

Phản hồi kênh lượng tử cho phép MS thông báo rõ ràng cho BS về thông tin trạng thái kênh MIMO MS lượng tử hóa các thành phần thực và ảo của kênh MIMO theo một số nhị phân 6 bit sau đó gửi thông tin này đến BS trên kênh kênh tiếp nhanh Hồi tiếp kênh lượng tử đòi hỏi băng thông lớn hơn nhiều so với phương pháp dựa trên bảng mã Chẳng hạn đối với hệ thống có bốn anten phát và hai anten thu, kênh phản hồi lượng tử đòi hỏi16x6 bit cho tín hiệu phản hồi, trong khi đó phương pháp bảng

mã chỉ cần 6 bit Do đòi hỏi băng thông rộng, nên có lẽ chế độ phàn hồi này chỉ có thể áp dụng cho các điều kiện đi bộ và

dừng

1.5.5 Thăm dò kênh

Trong chế độ TDD ( ghép song công theo thời gian ), thăm

dò kênh bao gồm việc MS phát một tín hiệu tất định để BS đánhgiá kênh đường lên Nếu các kênh đường lên và đường xuống được hiệu chỉnh đúng, BS có thể sử dụng kênh đường lên để

ước tính kênh đường xuống do tính chất giống nhau của hai kênh này Khi nhận đựơc chỉ dẫn từ BS, MS gửi tín hiệu thăm dò kênh trong vùng thăm dò được ấn định Các sóng mang con trong vùng thăm dò đựơc chia thành các băng tần thăm dò cách biệt với mỗi băng chứa 18 sóng mang con liên tục BS có thể chỉ dẫn MS thực hiện thăm dò kênh trên tất cả các sóng mang con được phép hay chỉ một tập con Chẳng hạn khi 2048 sóng mang con được sử dụng, số sóng mang con khả dụng là

1728 Như vậy toàn bộ băng thông được chia thành

1728/18=96 băng tần thăm dò Để có thể đánh giá kênh đường xuống trong môi trường di động, BS có thể chỉ dẫn MS thực hiệnthăm dò kênh định kỳ

1.6 Sơ đồ thích ứng mã không gian/thời gian và tạo búp

Các tính năng sử dụng anten tiên tiến của WiMAX di động bao gồm tạo búp và mã hóa không gian thời gian được trình bày ở bảng 1.1

Ma trận A

Anten phát Anten thu

Anten phát Anten thu

SM cộng tác haingười sử dụng( cùng SM)

Bảng 1-1 Các tính năng tùy chọn anten tiên tiến

WiMAX di động cho phép chuyển mạch thích ứng giữa các tùy chọn nói trên để đạt được lợi ích của việc sử dụng các công nghệ anten thông minh tốt nhất trong các điều kiện kênh khác nhau Chẳng hạn SM cho phép đạt dung lượng đỉnh Tuy nhiên khi điều kiện kênh xấu, tỷ lệ lỗi gói (PER: Packet Error Rate) có thể cao vì thế vùng phủ đáp ứng PER đích bị giới hạn STC có thể được sử dụng để đảm bảo vùng phủ rộng nhưng giảm dung lượng WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch MIMO thích ứng

(AMS: Adaptive MIMO Switching) giữa các chế độ MIMO để đạt được hiệu suất sử dụng phổ tần cực đại mà không làm giảm vùng phủ

Hình 1-5 Chuyển mạch thích ứng cho các chế độ MIMO

Bảng dưới đây tổng kết tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết với các tỉ lệ DL/UL khác nhau giả định băng thông kênh là 10MHz,

độ rộng khung là 5ms gồm 44 biểu trưng dữ liệu OFDM (trong tổng số 48 biểu trưng OFDM) và kênh con hoá kiểu PUSC Với

hệ thống MIMO 2x2, hướng xuống của người dùng và tốc độ dữ liệu đỉnh sector có thể gấp đôi (theo lý thuyết) Tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa hướng xuống (DL) là 63.36 Mbps khi tất cả biểu

trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng xuống (DL) Với đường lên UL cùng SM, tốc độ dữ liệu đỉnh của đoạn ô được nhân đôi trong khi tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không đổi Tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng hướng lên và tốc độ dữ liệu đỉnh của đoạn ô lần lượt là 14.11 Mbps và 28.22 Mbps khi tất cả các biểu trưng

dữ liệu chỉ dành cho hướng lên (UL) Bằng cách áp dụng các tỉ

lệ DL/UL khác nhau, băng thông có thể được điều chỉnh giữa DL

và UL để cung cấp các mẫu lưu lượng khác nhau

Bảng 1-2 Các tốc độ số liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO khác nhau (cho kênh 10 MHz, khung 5ms, kênh con PUSC, 44

ký hiệu OFDM số liệu)

Chương 2: Sơ đồ truyền dẫn MIMO trong IEEE

Hình 2-6 Kiến trúc MIMO đường xuống

Đối với SU-MIMO ( Single user – MIMO), mỗi người sử dụng được lập biểu lên một khối tài nguyên (RU: Resource Unit) và chỉ có một khối mã hóa sửa lỗi trước (FEC) tại đầu vào của bộ

mã hóa MIMO (mã hóa MIMO thẳng đứng hay SFBC tại phía phát) do SU-MIMO chỉ cho phép truyền và nhận dữ liệu từ một người dùng môt lúc Đối với MU-MIMO (Multi -MIMO), nhiều

người sử dụng có thể được lập biểu đồng thời lên một RU và nhiều khối FEC tồn tại tại đầu vào của bộ mã hóa MIMO (mã hóa MIMO ngang tại phía phát) do MU-MIMO cho phép truyền vànhận dữ liệu từ nhiều người dùng cùng một lúc.

Khối tiền mã hóa sắp xếp các luồng đến anten bằng cách tạo ra các ký hiệu số liệu đặc thù anten tùy théo chế độ MIMO đựơc lựa chọn Khối phản hồi chứa thông tin phản hồi CQI ( Chỉ thị chất lượng kênh) và CSI ( Thông tin trạng thái kênh) từ AMS (Trạm di động tiên tiến theo chuẩn 802.16m)

Khối lập biểu lập biểu người sử dụng đến các RU và quyết định mức MCS, các thông số MIMO (chế độ MIMO, cấp hạng) Khối này chịu trách nhiệm đưa ra một số quyết định liên quan

đế từng ấn định tài nguyến, gồm:

1 Kiểu ấn định: ấn định sẽ được phát theo ấn định phân

bố hay chia lô

2 SU hay MU-MIMO: ấn định tài nguyên sẽ hỗ trợ SU hay MU-MIMO

3 Chế độ MIMO: Sơ đồ MIMO sẽ vòng kin (CL: Closed Loop) hay vòng hở (Open Loop)

4 Định nhóm người sử dụng: Đối với MU-MIMO các

người sử dụng nào sẽ đựơc ấn định đến cùng một khối tài nguyên

5 Cấp hạng: Đối với các chế độ ghép kênh không gian trong SU-MIMO, số luồng sẽ đựơc sử dụng cho người

sử dụng được ấn định đến đơn vị tài nguyên

6 Mức MSC trên một lớp: điều chế và tỷ lệ mã sẽ đựơc

sử dụng cho mỗi lớp

7 Khuếch đại: các giá trị khuếch đại công suất sẽ sử dung trên các sóng mang số liệu và hoa tiêu

8 Chọn băng: Vị trí của ấn định tài nguyên chia lô trongbăng tần

Sắp xếp lớp vào luồng đựơc thực hiện bởi bộ mã hóa

MIMO Bộ mã hóa MIMO là một bộ xử lý dãy ký hiệu (Batch

Processor) thực hiện xử lý đồng thời M ký hiệu đầu vào

Đầu vào mộ mã hóa MIMO là một vectơ Mx1 được biểu diền như sau:

Trong đó là ký hiệu thứ i trong dãy

Bộ sắp xếp ký hiệu vào từ lớp vào luồng trước hết được thực hiện theo chiều không gian

Đầu ra của bộ mã hóa MIMO là một ma trận MIMO STC (Space Time Code) được biểu diễn theo phương trình x và là đầu vào của bộ tiền mã hóa :

x==S(s)