Kỹ thuật phân tập tín hiệu ở mạng MIMO

Các kỹ thuật phân tập tín hiệu ở hệ thống MIMO Kỹ thuật phân tập không gian (space diversity) Kỹ thuật phân tập tần số (frequency diversity) Kỹ thuật phân tập thời gian (time diversity) Mã hóa không gian thời gian trong MIMO Hệ thống MIMO – OFDM

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP 5

1.1 Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu 5

1.2 Kỹ thuật phân tập 6

1.2.1 Khái niệm 6

1.2.2 Phân loại 7

1.2.3 Ứng dụng 9

CHƯƠNG 2 : MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN TẬP 11

2.1 Kỹ thuật phân tập không gian (space diversity): 11

2.1.1 Giới thiệu 11

2.1.2 Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp 13

2.2 Kỹ thuật phân tập tần số (frequency diversity): 14

2.3 Kỹ thuật phân tập thời gian (time diversity): 15

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TÍN HIỆU Ở HỆ THỐNG MIMO.16 3.1 Giới thiệu khái quát về MIMO 16

3.2 Dung năng của kênh MIMO 18

3.3 Mã hóa không gian - thời gian trong MIMO 21

3.3.1 Mã lưới không gian – thời gian (space-time trellis code) 23

3.3.2 Mã hóa không gian – thời gian (space – time blook code) 26

3.4 Hệ thống MIMO – OFDM 29

3.4.1 Kỹ thuật điều chế trực giao OFDM 30

3.4.2 Mô hình hệ thống MIMO – OFDM 31

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BER Bit error rate Tỷ lệ lỗi bit

EGC Equal Gain Combining Tổ hợp cùng độ lợi

IF Intermedium Frequency Tần số trung gian

ISI Intersymbols Interference Giao thoa giữa các ký hiệu

MIMO Multiple-Input, Multiple-Output Hệ đa lối vào đa lối ra

MRC Maximumal Ratio Combining Tổ hợp tỷ số cực đại

SC Selection Combining Tổ hợp lựa chọn

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SNR Signal Noise Rate Tỷ số tín trên tạp

STC Space-Time Code Mã hoá không gian-thời gian STBC Space-Time Blook Code Mã khối không gian-thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian-thời gian

MỞ ĐẦU

Môi trường thông tin vô tuyến luôn bị ảnh hưởng bởi tác động của nhiều yếu

tố tự nhiên như tạp âm, can nhiễu … khiến tính chất của nó biến đổi liên tục theothời gian Trong đó, nguyên nhân chủ yếu làm kênh vô tuyến di động bị biến độngrất nhiều là do Phading nhiều đường và trải tần Doppler Các hiệu ứng này làmphân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian Những ảnh hưởng

đó sinh ra trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, tác động tiêu cựcrất mạnh lên tỷ lệ lỗi bit trong bất kể loại điều chế nào Sự truyền theo nhiều đườngtruyền thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máythu làm cho tín hiệu bị méo hay nhòe đi một cách đáng kể do giao thoa giữa các kýhiệu với nhau

Chính vì vậy, các hệ thông tin di động luôn đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tínhiệu để cải thiện chất lượng kết nối trong môi trường vô tuyến di động đầy trởngại Có nhiều kỹ thuật khác nhau để chống lại các ảnh hưởng trên như kỹ thuậtcân bằng, mã kênh … và kỹ thuật phân tập là một trong những kỹ thuật quan trọnggiúp nâng cao hiệu suất băng tần, cải thiện chất lượng tín hiệu thu Nghiên cứu về

kỹ thuật phân tập là cần thiết, và đã có nhiều người đang nghiên cứu các ứng dụngcủa phân tập trong hệ vô tuyến đa người dùng

Khóa luận tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết về kỹ thuật phân tập: kháiniệm, phân loại và các phương pháp Đồng thời, tìm hiểu tác dụng của phân tậplàm giảm ảnh hưởng của phading gây gián đoạn thông tin trong hệ vô tuyến đangười dùng

Khóa luận được kết cấu thành 3 chương Chương 1 đề cập tổng quan về kỹthuật phân tập Chương 2 giới thiệu về một số kỹ thuật phân tập Chương 3 tìmhiểu về các kỹ thuật phân tập tín hiệu ở mạng MIMO

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN

TẬP

1.1 Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu

Trong các đường truyền thông vô tuyến, tín hiệu chịu nhiều tác động nhưphading nhiều đường, trải tần Doppler, ồn Gauss … Nếu theo những phương pháptruyền dẫn tương tự truyền thống thì tốc độ dữ liệu sẽ bị hạn chế thấp trên mộtbăng tần cho trước Khi chuyển sang kỹ thuật truyền thông số, cân bằng, phân tập

và mã kênh là ba kỹ thuật phổ biến để nâng cao hiệu suất băng tần, cải thiện chấtlượng tín hiệu thu

Cân bằng bù trừ sự giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) tạo nên bởi nhiều đườngtrong các kênh tán sắc theo thời gian Nếu độ rộng dải điều chế vượt quá độ rộngkết hợp của kênh vô tuyến, thì ISI xảy ra và các xung điều chế bị trải rộng theo thờigian Tác dụng của bộ cân bằng là khôi phục lại tín hiệu thu sao cho càng giống nócàng tốt Bộ cân bằng có thể là loại đặt trước (preset) hoặc thích nghi (adaptive),nhưng hầu hết các bộ cân bằng phải thích nghi vì nói chung kênh là không biếttrước và thay đổi theo thời gian

Phân tập là một kỹ thuật khác nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênhphading và thường được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều anten thu Phântập thường được dùng để giảm độ sâu và độ kéo dài của sự nhòe xảy ra tại bộ thutrong một kênh phading phẳng (dải hẹp) Kỹ thuật phân tập chung nhất gọi là phântập không gian, trong đó nhiều anten được phân cách có chủ định và được nối vớimột hệ thu chung Các kỹ thuật phân tập khác là phân tập theo sự phân cực anten,

Mã kênh dùng để cải thiện chất lượng kết nối thông tin di động bằng cáchcộng thêm các bit dữ liệu dư thừa trong bản tin phát Tại phần băng gốc của bộphát, một bộ mã kênh ánh xạ một dãy bản tin số thành một chuỗi mã đặc biệt khác

có chứa số bit lớn hơn số bit trong bản tin nguyên thủy Bản tin đã mã này sau đóđược điều chế để truyền trong kênh vô tuyến Mã kênh được dùng ở bộ thu để pháthiện hay sửa một vài (hay tất cả) lỗi do kênh đưa vào trong một chuỗi đặc biệt củacác bit bản tin Vì việc giải mã thực hiện sau phần giải điều chế ở bộ thu, sự mãhóa có thể coi như kỹ thuật tách sóng trước Các bit mã hóa thêm vào đã hạ thấptốc độ truyền dữ liệu nguyên thủy qua kênh (mở rộng độ rộng dải chiếm dụng vớimột tốc độ dữ liệu của bản tin cụ thể) Có hai loại mã kênh: mã khối và mã nhânchập (mã xoắn) Mã kênh thường được xử lý một cách độc lập với phương phápđiều chế Tuy nhiên, tổ hợp của mã hóa và điều chế tạo thành các sơ đồ điều chếđược mã hóa kiểu lưới sẽ thu được độ lợi mã hóa lớn mà không cần mở rộng độrộng dải

Ba kỹ thuật cân bằng, phân tập và mã kênh có thể sử dụng độc lập hoặc ghépđôi để cải thiện chất lượng kênh kết nối vô tuyến (có nghĩa là làm giảm tỷ lệ lỗi bit tức thời) nhưng khi tiếp cận thì giá thành, độ phức tạp và tính hiệu quả của mỗi kỹ thuật lại thay đổi rất nhiều trong các hệ thông tin không dây thực tế

1.2 Kỹ thuật phân tập

1.2.1 Khái niệm

Như chúng ta đã biết, hiện tượng phading nhiều đường được xem như là mộtđặc điểm cố hữu của kênh vô tuyến Vậy làm cách nào thông tin truyền qua hệ vôtuyến được đảm bảo? Câu trả lời chính là Phân tập

Trên thực tế, nếu một vài bản sao của tín hiệu mang thông tin được truyền điđồng thời trên các kênh phading độc lập, thì sẽ có ít nhất một tín hiệu thu không bị

suy biến bởi phading trên kênh Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin

cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiềukênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu đượchoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chốnglại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khácnhau

Nói cách khác, phân tập nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênh phading

và thường được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều anten thu, kết hợp tín hiệuthu đa đường đến từ cùng một nguồn phát Do đó, sẽ cải thiện được chất lượng tínhiệu thu bị suy giảm do phading

gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập vi mô (microdiversity).

Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập vĩ mô

(macrodiversity).Khoảng cách của các anten trong dàn thu và dàn phát được

chọn sao cho các tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan nhau Trongthực tế, không bao giờ đạt được hệ số tương quan bằng 0 (các tín hiệu khôngtương quan), hoặc thậm chí với một giá trị rất thấp, nhưng rất may mắn, điềunày không làm giảm nhiều giá trị lợi ích thiết thực đã thu được khi sử dụngphân tập

Hình 1.2-1: Phân tập không gian

2 Phân tập tần số (frequency diversity): truyền đồng thời cùng một tín hiệumang tin trên hai hoặc hơn hai kênh tần số vô tuyến khác nhau được bố trítrong cùng một dải tần Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống

vô tuyến số phân tập tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn sovới hệ vô tuyến tương tự, nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất

sử dụng phổ tần đã có không có hiệu quả cao

Hình 1.2-2: Phân tập tần số

3 Phân tập thời gian (time diversity): truyền cùng một tín hiệu mang tin ởnhững thời điểm khác nhau, với khoảng ngắt quãng giữa các thời điểm bằnghoặc lớn hơn thời gian kết hợp “coherence” của kênh Nếu khoảng ngắtquãng ít hơn thời gian “coherence” của kênh, chúng ta vẫn có thể thực hiệnphân tập nhưng sẽ hao phí thời gian thực

4 Phân tập phân cực (polarization diversity): truyền tín hiệu trên các nhánhphân cực khác nhau Ví dụ: phân cực ngang, phân cực dọc …

5 Phân tập người sử dụng (multiuser diversity) Đây là phân tập không giantrong hệ điện thoại di động: trạm gốc thực hiện việc tổ hợp, thu tín hiệu phát

ra từ các anten các người dùng khác nhau

Cũng có những ý kiến kết hợp các loại phân tập Nếu dựa vào việc triển khaianten đa đường trong kết nối vô tuyến, ta có thể phân loại phân tập không gianthành các dạng sau:

1 Phân tập thu (receive diversity), sử dụng một anten phát đơn lẻ và nhiềuanten thu

2 Phân tập phát (transmit diversity), sử dụng nhiều anten phát và một antenthu đơn lẻ

3 Phân tập phát – thu (diversity on both transmit and receive), kết hợp nhiềuanten phát và nhiều anten thu Rõ ràng việc kết hợp cả phân cực phát vàphân cực thu trong phân cực không gian là trường hợp tổng quát nhất

1.2.3 Ứng dụng

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chếảnh hưởng của phading Trong thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng

để hạn chế ảnh hưởng của phading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà

không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống đa lốivào đa lối ra (MIMO) vì:

• Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chấtlượng và dung lượng hệ thống Giảm ảnh hưởng của phading

• Tránh được hao phí băng thông tần số - yếu tố rất được quan tâm trong hoàncảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

CHƯƠNG 2 : MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN TẬP

2.1 Kỹ thuật phân tập không gian (space diversity):

2.1.1 Giới thiệu

Định nghĩa phân tập theo không gian là “truyền dẫn đồng thời cùng một tínhiệu trên một kênh vô tuyến bằng cách sử dụng hai anten (hoặc nhiều hơn) để thuhay để phát Giống như tên gọi, người ta dùng hai anten bố trí cách nhau mộtkhoảng nào đó để phát và thu cùng một thông tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin Khoảng cách giữa các anten liền kề nhau được chọn lựa sao cho các đầu ratương ứng của chúng về cơ bản là độc lập với các anten kia, hay nói cách khác, tínhiệu thu được riêng biệt không tương quan nhau Trong thực tế, không bao giờ đạtđược hệ số tương quan bằng 0, thậm chí với một giá trị rất thấp, song điều nàykhông làm giảm đáng kể lợi ích của phân tập

Hình 2.1-1: Bộ tổ hợp trong Phân tập không gian

Các phân tích cho thấy sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống (hay giảm thờigian gián đoạn do phading) nằm trong giải hệ số 10 đến 200 Sự cải thiện đượctăng cường bằng sự tăng tần số, dự phòng phading đặt anten cách nhau theo chiều

đứng và giảm độ dài của đoạn đường truyền Khoảng điển hình các anten ít nhất là

Trong đó: η: hiệu quả của chuyển mạch phân tập

S: khoảng cách các tâm anten (5 15)m f: tần số GHz

F: độ sâu phading V: khác nhau độ lợi anten d: độ dài đoạn truyền dẫn Gần đây sự đạt được độ lợi với anten đặt ngang hai bên tháp thay đặt đứng.Trong trường hợp này mỗi anten có góc ngẩng (elevation) khác nhau và nó giảithích tại sao thường được gọi là phân tập góc mặc dầu sự khác nhau góc ngẩng cóthể giữa chúng khác 10 trở lên là đủ sự khác nhau về cường độ tín hiệu thu trongmôi trường phading nhiều đường (đi của sóng) nhằm nhận sự cải thiện có nghĩathực tiễn

S

Phân tập không gian là lựa chọn đầu tiên cho bảo vệ hệ thống Nó rẻ vàkhông mở rộng băng tần như phân tập tần số

2.1.2 Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp

Các tín hiệu thu được của hệ thống phân tập không gian cần phải được tổhợp lại như hình 1.3-1 Điều này được tiến hành bằng cách sử dụng một bộ tổ hợpcông suất cực đại tổ hợp các tín hiệu thu được để cực đại hóa các mức tín hiệu thu,hoặc bằng cách sử dụng một bộ tổ hợp có độ phân tán bé nhất (bộ tổ hợp tán xạ tốithiểu) tổ hợp các tín hiệu thu được làm san phẳng đáp tuyến tần số biên độ và/hoặcđáp ứng tần số thời gian trễ nhóm của tín hiệu tổng hợp, hoặc bằng cách sử dụngmột chuyển mạch băng cơ bản phù hợp, lựa chọn tín hiệu có tỷ số lỗi bit tương đốithấp Nếu bộ chuyển đổi được khởi động bằng một độ đo tỷ số lỗi bit nhanh nhất,thì loại tổ hợp này rất hữu hiệu

Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp là:

1 Tổ hợp lựa chọn (SC – Scanning and Selection Combining), quét và lựachọn nhánh có tỷ số SNR tốt nhất

2 Tổ hợp với tỷ số tối đa (MRC – Maximual Ratio Combining), tổ hợp tất

cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ

lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k

3 Tổ hợp với cùng độ lợi (EGC – Equal Gain Combining)

Hình 2.1-2: Các bộ tổ hợp a) Quét lựa chọn SC b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ

tổ hợp tỷ số tối đa

2.2 Kỹ thuật phân tập tần số (frequency diversity):

Phân tập theo tần số có thể được định nghĩa là truyền đồng thời cùng một tínhiệu trên hai hoặc hơn hai kênh tần số vô tuyến được bố trí trong cùng một dải tần

Thông tin được phát ra đồng thời trên hai máy phát có tần số làm việc khácnhau Chúng được ghép chung ống dẫn sóng tới anten và bức xạ vào không gian(thường khác cực tính) Tại đầu thu thông tin được anten chọn lọc qua ống sóng và

bộ lọc chia tách hai đường sóng mang cho hai máy thu riêng Bộ tổ hợp bảo đảmcho tín hiệu đầu ra là lớn nhất Nếu hai tần số của máy phát rộng, phading lựachọn tần số có tác dụng thấp cả hai đường và cải thiện tốt thông tin Sự sai khác tần

số là 2% là tốt, 5% là rất tốt Nghĩa là 6 GHz đến ít nhất là 120MHz

Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống vô tuyến số phân tập tần

số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn so với các hệ số tiên đoán bởi vôtuyến tương tự, nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất sử dụng phổ tần

đã có không có hiệu quả cao Nhược điểm lớn nhất của phân tập tần số chính làbăng tần rộng

Trong một cấu hình nhiều kênh (N+1), trong đó có kênh bảo vệ dự phòngđơn, độ cải thiện phân tập tần số bổ sung có thể đạt được hơn kênh không có bảo

vệ, không có tổn hao vượt quá trong hiệu suất phổ, nhưng vì số kênh hoạt độngtăng hơn 1, nên hệ số cải thiện giảm so với giá trị thu được từ phương trình (1.24)

Để đạt được hệ số cải thiện, khi sử dụng trong hệ thống số, hệ thống chuyển mạchcần phải hoạt động theo phương thức không trùng hợp sao cho không xảy ra việcgiảm đáng kể kênh thông tin Thời gian thích hợp được coi là phù hợp với thời gianchuyển mạch là 10ms

2.3 Kỹ thuật phân tập thời gian (time diversity):

Hình 2.3-1: Sơ đồ phân tập thời gian

Kỹ thuật phân tập theo thời gian là kỹ thuật thu phát tín hiệu trên hai khe thời gian khác nhau Tức là các tín hiệu giống nhau được truyền trên các khethời gian, như vậy ở đầu thu sẽ nhận được các tín hiệu trên các khe thời gian

Từ đó máy thu se so sánh kết quả và chọn giá trị tốt nhất Hệ thống thông tinnếu sử dụng kỹ thuật phân tập thời gian sẽ cải thiện chất lượng hệ thống, tuy nhiên việc truyền như vậy sẽ gây lãng phí khe thời gian làm giảm tốc độ truyền

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TÍN HIỆU Ở

HỆ THỐNG MIMO

3.1 Giới thiệu khái quát về MIMO

Kỹ thuật MIMO (multiple – input, multiple – output techniques) trong lĩnhvực truyền thông là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu đểtruyền dữ liệu Kỹ thuật MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mãhóa …) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc độ dữ liệu

a Ưu điểm của MIMO:

1 Tăng độ phân tập của kênh truyền phading, do đó có thể giảm xác suất lỗi(BER hay SNR …)

2 Tăng dung lượng của kênh truyền, do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu(mà không cần tăng băng thông)

MIMO cải thiện hiệu quả sử dụng tần số cũng như dung lượng của hệ thốngthông tin hơn hẳn hệ thống 1 anten phát 1 anten thu SISO Việc nâng cao hiệu quảthu phát phụ thuộc vào số lượng anten thu phát và độ tán xạ của môi trường truyềndẫn

b Khuyết điểm của MIMO:

1 Chi phí giá thành cho thiết bị cao hơn (do phải dùng nhiều anten thu, phát

…)

2 Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp

Các kỹ thuật MIMO thông dụng gồm:

1 Mã hóa không gian thời gian (space – time codes STC): chia thành Mãkhối không gian thời – thời gian (STBC), Mã lưới không gian – thời gian(STTC), và Ghép kênh không gian (spatial multiplexage - SM)

2 Tạo chùm tia - Anten array (beamforming)

Kỹ thuật MIMO ngày nay đang được ứng dụng rất rộng rãi: MIMO-OFDM,MIMO – wifi, MIMO-UMTS, LTE, WiMax … nhờ tính tối ưu trong việc sử dụnghiệu quả băng thông, tốc độ dữ liệu cao, mạnh mẽ với kênh truyền phading …

Hình 3.1-1: Mô hình hệ MIMO - đa lối vào đa lối ra

Hình 3.1-1 biểu diễn một hệ thống MIMO với M thành phần anten phát và Nthành phần anten thu

Biểu thức chung cho tín hiệu cơ bản trong trường hợp này là:

ở đây y(t) là tín hiệu thu, s(t) là tín hiệu phát, n(t) là tín hiệu nhiễu, dấu hoa thị * làphép nhân chập, và H(t) là ma trận kênh MxN

Hình 3.1-2: Mô hình kênh cơ bản ở (3.1)

Nếu băng tần của tín hiệu đủ hẹp thì kênh có thể được coi là bất biến với tần số Do

đó chúng ta có ma trận kênh MIMO băng hẹp Ngược lại, chúng ta sẽ có ma trậnkênh MIMO băng rộng

Hình 3.2-1: Mô hình kênh MIMO

Trong trường hợp anten đa đường ở thu và phát như hình 3.1-2, kênh là đalối vào và đa lối ra, và dung năng của kênh có thể được xác định nhờ công thứcdung năng Shannon