Kỹ thuật mã trước đường xuống trong hệ thống MIMO kích thước lớn : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 02 03

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt BER Bit error rate Tỉ số giữa bit lỗi trên số bit phát đi BPSK Binary phase shift keying Điều chế pha nhị phân CCI Co-c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS TRỊNH ANH VŨ

HÀ NỘI – 2014

Mô ̣t lần nữa em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong trường , trong khoa đã ta ̣o mo ̣i điều kiê ̣n giúp đỡ em hoàn thành khóa ho ̣c Cảm ơn gia đình bạn bè luôn bên cạnh cổ vũ động viên để em có được kết quả như ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn !

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận án này dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác Nội dung của luận án có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí, bài báo khoa học được liệt

kê trong danh mục các tài liệu tham khảo

Hà nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thâ ̣t

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

Danh mục các chữ viết tắt 4

Danh mu ̣c hình vẽ 5

MỞ ĐẦU 6

Chương I Tổng quan về kỹ thuật đa truy cập 7

1.1 Kỹ thuật đa truy cập theo tần số, thời gian và mã code 7

1.2 Đa truy cập theo không gian mô hình phân tán 14

1.3 Hệ thống MIMO kích thước lớn 17

Chương II Kỹ thuật mã trước đường xuống trong MIMO kích thước lớn 21

2.1 Ma trận nghịch đảo và ma trận giả nghịch đảo 22

2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu 25

2.2.1 Kỹ thuật tách tín hiệu ZF ( Zero- Forcing) 26

2.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu MF (Matched filter) 29

2.3 Đường xuống và đường lên trong MIMO kích thước lớn 33

Chương III Mô phỏng và so sánh 41

3.1 Sơ đồ mô phỏng 41

3.2 Chương trình mô phỏng 42

3.3 Kết quả mô phỏng 43

Kết luận 46

Tài liệu tham khảo 47

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt

BER Bit error rate Tỉ số giữa bit lỗi trên số bit phát đi BPSK Binary phase shift keying Điều chế pha nhị phân

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

CDMA Code division multiple access Đa truy cập theo mã

DS Direct sequency Trải phổ theo dãy trực tiếp

FDD Frequency division duplex Phân chia tần số song công

FDMA Frequency division multiple access Đa truy cập theo tần số

FH Frequency hopping Trải phổ theo nhảy tần

LMS Least mean square Trung bình bình phương nhỏ nhất

LS Least square Bình phương nhỏ nhất

MF Matched Filter Bộ lọc phù hợp

MIMO multiple input multiple output nhiều đầu vào và nhiều đâu ra

ML Maximum likelihood Khả năng tối đa

MMSE Minimum mean square error Trung bình bình phương lỗi nhỏ nhất

MS Mobile station Trạm di động

MSE Mean square error Trung bình bình phương lỗi

NOP Near optimal Gần tối ưu

OFDM

Orthogonal Frequency division

multiple Đa truy cập phân tần trực giao OFDMA

Orthogonal Frequency division

multiple access Đa truy cập phân tần trực giao PIC Parallel Interference cancellation Triệt nhiễu song song

QPSK Quadature phase shift keying Điều chế pha trực giao

Rx Receiver Máy thu sóng

SDM Spatial division multiple Kênh theo không gian

SDMA Space division multiple access

Đa truy cập phân chia theo không gian

SIC Successive Interference cancellation Triệt nhiễu nối tiếp

SIR Signal to interference radio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to noise radio Tỉ số cường độ tín hiệu so với nhiễu

SS Spread spectrum Độ rộng băng tần

STE Space Time Encoder Mã hóa không gian thời gian

TDD Time division duplex Phân chia thời gian song công

TDMA Time division multiple access Đa truy cập theo thời gian

TH Time hopping Trải phổ theo nhảy thời gian

Tx Tranmitter Máy phát sóng

ZF Zero – Forcing Cưỡng bức bằng không

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân câ ̣n

Hình1.2 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD

Hình 1.3 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD

Hình 1.4 Nguyên lý TDMA

Hình 1.5 Các phương pháp đa truy cập

Hình 1.6 Sơ đồ khối của hê ̣ thống thông tin số điển hình với trải phổ

Hình 1.7 Vùng phủ sóng của trạm gốc ở vô tuyến tổ ong

Hình 1.8 Mô hình kênh MIMO

Hình 1.9 Mô hình truyền nhâ ̣n 3 anten trên tra ̣m cơ sở và 2 thuê bao

Hình 1.10 Mô hình MIMO tâ ̣p hợp lớn

Hình 2.1 Trạm cơ sở truyền QAM qua ma trận mã trước đến các thiết bị đầu cuối Hình 2.2 Thông lươ ̣ng có ích tối ưu

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng

Hình 3.2 Hê ̣ thống 4x16

Hình 3.3 Hê ̣ thống 4x24

Hình 3.4 Hê ̣ thống 4x32

Hình 3.5 Hê ̣ thống 4x64

MỞ ĐẦU

Các thế hê ̣ thông tin di động từ 1-2-3G đã phát triển kỹ thuật xử lý và khai thác sử dụng tối đa trong miền thời gian và tần số Đến thế hệ 4G sử dụng kỹ thuật nhiều anten trong không gian cũng đã được triển khai, tuy nhiên chưa hiệu quả Việc khai thác sử dụng triệt để miền không gian cho hệ thống nhiều người dùng mới đang ở giai đoạn nghiên cứu cho thế hê ̣ 5G tiếp theo với một trong các mục tiêu phát triển là xây dựng hê ̣ thống MIMO kích thước lớn Hê ̣ thống này đem lại nhiều lợi ích kinh tế khi triển khai hệ thống cũng như cải thiện tốc đô ̣ truyền tin đồng thời cho nhiều người dùng

MIMO kích thước lớ n là hướng nghi ên cứu rô ̣ng trong đó nghiên cứu r ất nhiều vấn đề như các kỹ thuâ ̣t tách sóng đường lên , mã trước đường xuống, cách tính toán số anten trên trạm cơ sở và phương pháp truyền ti n hiê ̣u quả…Luâ ̣n văn này giới thiê ̣u về kỹ thuâ ̣t mã trước đường xuống trong hê ̣ thống MIMO kích thước lớn Luận văn tìm hiểu các thuật toán như Zero-Forcing, Matched filter đây là các công cụ hữu ích trong việc phân tích dữ liệu giúp truyền tin hiệu quả Trong

đó cũng cho cái nhìn tổng quan về sự khác biệt giữa truyền tin truyền thống với truyền tin theo MIMO kích thước lớn Công cụ mô phỏng Matlab cũng được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền tin khi sử dụng các thuật toán đã đưa ra, từ đó đưa ra đánh giá và nhận xét tương ứng Đây chỉ là sự tìm hiểu bước đầu về một công nghệ mới đang được nghiên cứu phát triển cho thế hệ thông tin di động thứ 5

Chương I Tổng quan về kỹ thuật đa truy nhập

MIMO kích thước lớn có sự khác biệt với điện thoại tế bào truyền thống ở kỹ thuật đa truy nhập Phần này nêu lại các kỹ thuật đa truy cập cổ điển để so sánh với

hệ thống MIMO kích thước lớn, song không đề cập đến vấn đề xảy ra tranh chấp giữa những người dùng mà chỉ để cập cách thức phân chia tài nguyên cho nhiều người dùng chung

1.1 Kỹ thuật đa truy cập theo tần số, thời gian và mã code (FDMA, TDMA, CDMA)

1.1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA)

Trong phương pháp này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B MHz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz ( hình 1.1) Các máy vô tuyến đầu cuối khi truy nhập sẽ được cấp phát một trong các kênh đó Phương pháp này cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa các kênh kề phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao động Máy thu đường xuống hoặc đường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần sốđược phân

Hình 1.1 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân câ ̣n

Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của máy thuê bao phải hoặc

được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảng thời gian phát thu

khác nhau Phương pháp thứ nhất được gọi là phép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn phương pháp thứ hai được gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex) Phương pháp thứ nhất được mô tả ở (hình 1.2) Trong phương pháp này băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai nửa : một nửa thấp ( Lower Half Band) và một nửa cao ( Upper Half Band) Trong mỗi nửa băng tần người ta bố trí các tần

số cho kênh ( xem hình 1.2a) Trong (hình 1.2a) các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số được gọi là cặp tần số thu phát hay song công, một tần

số sẽ được sử dụng cho máy thu của cùng một kênh, khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát hay song công Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băng được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận ( Δx), khoảng cách này phải được chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp

âm cho trước( SNR: Signal to Noise Radio) hai kênh cạnh tranh nhau không thể gây nhiễu cho nhau Như vậy mỗi kênh song công bao gồm một cặp tần số : mỗi tần số

ở băng tần thấp và một băng tần cao để đảm bảo trạn thu phát song công Thông thường ở đường phát đi từ trạm gốc ( hay bộ phát đáp) xuống trạm đầu cuối ( thu ở trạm cuối ) được gọi là đường xuống, còn đường phát đi từ trạm đầu cuối đến trạm gối ( hay trạm phát đáp) gọi là đường lên Khoảng cách giữa hai tần số đường xuống và đường lên là Δy như trên hình vẽ Trong thông tin di động tần số đường xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đường lên để suy hao ở đường lên thấp hơn đường xuống do công suất phát từ máy cầm tay không thể lớn Trong thông tin vệ tinh thì tùy thuộc vào hệ thống , tần số đường xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần số đường lên, chẳng hạn ở các chế độ sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn người ta thường sử dụng tần số đường lên cao đường xuống

Hình 1.2 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD

Ký hiệu:

∆x : Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận

∆y: Khoảng cách tần số thu phát

B: Băng thông cấp phát cho hê ̣ thống

fo : Tần số trung tâm

fi : Tần số trung tâm

fj : Tần số trung tâm

Trong phương pháp thứ hai ( FDMA/TDD) cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhưng phân chia theo thời gian) khi này các băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần (phương pháp ghép kênh song công theo thời gian : TDD) Phương pháp này được mô tả ở (hình 1.3) Trong hình này cho thấy kênh vô tuyến giữa trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử dụng

một tần số fi cho cả phát và thu Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trước tiên

trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Tx, sau đó

nó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Rx, Sau đó nó lại phát ở khe Tx

Hình 1.3 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD

Ký hiệu:

∆x : Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân câ ̣n

B: Băng thông cấp phát cho hê ̣ thống

fi : Tần số chung cho cả đường xuống và đường lên

Về mặt kết cấu, FDMA có nhược điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền được một Erlang vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lượng thì phải cần N bộ thu phát cho mỗi trạm Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tấn số vô tuyến cho các kênh này Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với song công theo thời gian(FDMA/TDD) Ở phương pháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian thu phát luân phiên (hình 1.3) Phương pháp FDMA ít nhạy cảm với sự phân tán thời gian do truyền sóng lan, không cần đồng bộ và không xảy ra trễ do không xử lý tín hiệu nhiều vì vậy giảm trễ hồi âm

1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian( TDMA)

Hình 1.4 cho thấy hoạt động của một hệ thống theo nguyên lý đa truy nhập phân chia theo thời gian Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian TB Sự truyền dẫn này được gọi là cụm Sự phát đi một cụm được đưa vào cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc này Mỗi sóng mang thể hiện một cụm sẽ chiếm toàn bộ độ

rộng của kênh vô tuyến được mang bởi tần số sóng mang fi

Hình 1.4 Nguyên lý TDMA

Ký hiệu:

TSi: Khe thờ i gian dành cho người sử du ̣ng

TB: Khe thờ i gian của mô ̣t cu ̣m

TF : Thờ i gian của mô ̣t khung

Phương pháp vừa nêu ở trên sử dụng cặp tần số song công cho TDMA được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/FDD (FDD: Frequency Division Duplexing) Trong phương pháp này đường lên (từ máy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian(TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc Đường xuống là

các tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM: Time Division Multiplexing) được phát từ trạm gốc cho các máy đầu cuối (xem hình 1.5a) Để có được phân bố tần số thông minh hơn, phương pháp TDMA/TDD được sử dụng Trong phương pháp này

cả hai đường lên và đường xuống đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu phải được phát đi ở các khoảng thời gian khác nhau ( xem hình 1.5b)

Hình 1.5 Các phương pháp đa truy cập

a) TDMA/FDD

b) TDMA/TDD

1.1.3 Đa truy cập theo mã ( CDMA)

CDMA là phương thức đa truy cập mà ở đó mỗi kênh được cung cấp một cặp tần số và một mã duy nhất Đây là phương thức đa truy mã Phương thức này dựa trên nguyên lý trải phổ Tồn tại ba phương pháp trải phổ sau:

- Trải phổ theo chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequency)

- Trải phổ theo nhảy tần (FH: Frequency Hopping)

- Trải phổ theo nhảy thời gian (TH: time Hopping)

Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề rất được quan tâm Các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tấn càng tốt Với hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này Với

hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn, phụ thuộc vào chỉ số điều chế Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết

có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc vào kiều điều chế(BPSK, QPSK )

Còn trong các hệ thống trải phổ ( kí hiệu là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường là hàng trăm lần trước khi phát nên nếu chỉ có một người sử dụng, băng tần SS như vậy là không hiệu quả Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng họ có thể dùng chung một băng tần SS khi đó hệ thống trở nên hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ

Hình 1.6 là sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin SS điển hình cho hai cấu hình vệ tinh và mặt đất Nguồn tin có thể là số hay tương tự Nếu là tương tự thì trước hết phải được số hóa bằng sơ đồ biến đổi tương tự sang số như: điều xung

mã, diều chế delta Bộ nén tín hiệu loại bỏ hay giảm độ dư thông tin nguồn số Sau

đó đầu ra được mã hóa bởi bộ lập mã hiệu chỉnh lỗi( mã hóa kênh) để đưa vào các bit dư cho việc phát hiện hay sửa lỗi có thể xảy ra khi truyền dẫn tín hiệu qua kênh

vô tuyến Phổ tín hiệu cần phát được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết sau đó

bộ điều chế sẽ chuyển phổ này đến dải tần được cấp cho truyền dẫn Sau đó tín hiệu

đã điều chế được khuếch đại , được phát phát qua kênh truyền dẫn, kênh này có thể là dưới đất hoặc vệ tinh Kênh này có thể làm giảm chất lượng như: nhiễu , tạp âm và suy hao công suất tín hiệu Lưu ý rằng đối với SS thì các bộ nén/giãn và mã hóa/giải mã thì hiệu chỉnh lỗi là tùy chọn Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng vị trí của các chức năng trải phổ và điều chế có thể đổi lẫn Hai chức năng này thường được kết hợp và thực hiện ở một khối Tại phía thu thì máy thu khôi phục lại tín hiệu ban

đầu bằng cách thực hiện các quá trình ngược với phía phát: giải điều chế tín hiệu thu, giải trải phổ, giải mã và giãn tín hiệu để nhận được một tín hiệu số Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số này được biến đổi sang tương tự bẳng một bộ biến đổi số sang tương tự Lưu ý rằng ở một hệ thống thông thường (không phải SS), các chức năng trải phổ và giải trải phổ không có ở sơ đồ khối (hình 1.6) Thực ra đây chính là sự khác nhau giữa hệ thống thường và hệ thống SS

1.2 Đa truy nhập theo không gian mô hình phân tán

Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) được sử dụng ở tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong: cả hệ thống tương tự và hệ thống số Các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong cho phép đa truy nhập đến một kênh vô tuyến chung (hay tập các kênh) trên cơ sở ô tùy theo vị trí của máy di động trên mặt đất)

Hình 1.6 Sơ đồ khối của mô ̣t hê ̣ thống thông tin số điển hình với trải phổ Yếu tố hạn chế đối với kiểu SDMA này là hệ số tái sử dụng tần số Tái sử dụng tần số là khái niệm chủ yếu ở vô tuyến tổ ong, trong đó nhiều người sử dụng chia sẻ đồng thời một tần số Những người sử dụng này phải đủ xa nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh Tập các tần số trong cùng một ô có thể được lặp lại ở các ô khác trong hệ thống nếu đảm bảo đủ khoảng cách giữa các ô sủ dụng cùng tấn số để ngăn chặn nhiễu giao thoa đồng kênh

Có rất nhiều sơ đồ SDMA trong các hệ thống tổ ong hiện nay : ô mini, ô micro,

ô phân đoạn, ô dù che và các anten thông minh Đây là các phương pháp phân chia không gian trong đó các máy di động làm việc với độ phân giải không gian cao hơn và nhờ vậy rút ngắn khoảng cách giữa các người sử dụng mà không vi phạm các quy định về nhiễu đồng kênh

Hình 1.7 Vùng phủ sóng của trạm gốc ở vô tuyến tổ ong

a) Phủ sóng vô hướng

b) Phủ sóng có hướng : mỗi ô lệch nhau 1200

So sánh dung lượng hệ thống của các phương pháp truy cập FDMA,TDMA, CDMA

Trong FDMA và TDMA tổng băng tần Bt được chia thành M kênh truyền dẫn, mỗi kênh có độ rộng băng tần tương ứng là Bc Vì thế dung lượng vô tuyến cho FDMA và TDMA được xác định như sau:

Kmax= M

2 3

𝐶 𝐼

Trong đó: Kmax: là số người sử dụng cực đại trong một ô, M=Bt/Bc: là tổng số kênh tần số hay số kênh tương đương, Bt là tổng băng tần được cấp phát Bc : là kênh vô tuyến tương đương cho một người sử dụng, đối với hệ thống TTDĐ FDMA thì Bc bằng băng thông kênh vô tuyến, còn đối với TDMA thì Bc bằng băng thông kênh vô tuyến trên số khe thời gian,

Gp : là độ lợi xử lý, λ : là hệ số điều khiển công suất hoàn hảo

Eb/N’0 : là hệ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu

ν : là thừa số tích cực tiếng

η: là độ lợi phân đoạn ô

f: là thừa số tái sử dụng tần số

Sử dụng các phương trình trên ta tính được KmaxCDMA=920 người/ô

Trong ví dụ trên dung lượng hệ thống CDMA gấp 920/59=15.6 lần FDMA và gấp 7.36 lần TDMA

1.3 Hệ thống MIMO kích thước lớn

MIMO kích thước lớn dựa trên sự phát triển của kỹ thuật MIMO (Multiple Input - Multiple Output) nói chung trong đó cả đầu phát lẫn đầu thu tín hiệu đều sử dụng nhiều anten có thể để truyền nhận dữ liệu MIMO nói chung có khả năng tăng tốc

độ dữ liệu, tăng tầm phủ sóng và tăng độ tin cậy Có 3 cách khai thác kỹ thuật MIMO là: Kỹ thuật mã không thời gian, kỹ thuật hợp kênh không gian và kỹ thuật

mã trước [1]

Với kỹ thuật mã không – thời gian, chuỗi tín hiệu trước khi phát được mã hóa thành ma trận từ mã theo hai chiều không gian và thời gian (STE: Space- Time

Encoder) Tín hiệu sau đó được phát đi nhờ M anten phát Máy thu sử dụng N

anten thu để tách ra chuỗi dữ liệu phát Kênh tổng hợp giữa máy phát(Tx) và máy

thu (Rx) có M đầu vào và N đầu ra được gọi là kênh MIMO M x N Các ký hiệu

trong ma trận từ mã được phối hợp lặp lại, ngoài phân tập thu có thêm phân tập phát Kỹ thuật này làm tăng độ tin cậy, cải thiện lỗi bit

Hình 1.8 Mô hình kênh MIMO MxN

Với kỹ thuật hợp kênh không gian: dữ liệu được chia thành M luồng song song phát trên M anten Bên thu sử dụng N anten thu (N>M) thu được các chồng chập tín hiệu ở bên phát Các thuật toán V-Blast cho phép tách được M luồng song song ra và sau đó có thể hợp kênh làm tốc độ dữ liệu tăng lên M lần Kỹ thuật này

chỉ đảm bảo phân tập thu, độ tin cậy có giảm hơn kỹ thuật mã không thời gian, nhưng lại có ưu điểm cung cấp tốc độ dữ liệu cao

MIMO kích thước lớn (Massive MIMO) lại khai thác ở góc độ mã trước [2] Kỹ thuật này khác với các kỹ thuật trên là bên phát phải luôn biết trước kênh và do đó

có thể xử lý bù kênh trước khi phát, tạo sự đơn giản tối đa cho bên thu Ngoài ra M anten phát được đặt ở trạm cơ sở N anten thu chính là N người di động (để đơn giản ta chỉ cho mỗi máy 1 anten) với M>N Để minh họa kỹ thuật này ta dùng mô hình đơn giản sau:

Hình 1.9 Mô hình truyền nhâ ̣n 3 anten trên tra ̣m và 2 thuê bao Trạm cơ sở dùng 3 anten T1,T2,T3 quản lý 2 thuê bao di động A,B Tại thời điểm bắt đầu pha truyền dẫn, các thuê bao A, B gửi pilot đến các anten của trạm cơ sở (có 2 thuê bao thì cần 2 khe thời gian cho pilot) Tiếp đó trạm cơ sở cần một khe thời gian để ước lượng ma trận kênh H dựa trên pilot và tính được ma trận nghịch đảo G của H Để đơn giản ở đây ta bỏ qua tạp âm Gause (trên thực tế cộng thêm vào tín hiệu thu)

a h a h a h H

3 2 1

3 2 1

0 1 32 31

22 21

12 11 3

2 1

3 2 1

1

g g

g g

g g b h b h b h

a h a h a h HH

Khi có ma trận giả nghịch đảo G, mã trước tiến hành bằng cách nhân 2 dòng dữ liệu (muốn gửi đến 2 thuê bao) với ma trận G này thành ma trận đã mã trước C đưa ra 3 anten phát đi

Các dòng dữ liệu phát đi từ 3 anten này lại đi qua kênh theo chiều downlink lại được nhân với ma trận kênh truyền, nên cuối cùng các người dùng sẽ nhận được dữ liệu của mình (mà không cần xử lý gì cả)

Trong xử lý hệ thống trên cần chú ý:

- Hệ thống truyền dẫn là song công theo TDD

- Kênh truyền có tính thuận nghịch (giống nhau) theo 2 chiều uplink và downlink

- Thời gian xử lý ước lượng kênh và mã trước phải nhỏ hơn thời kết hợp kênh (Coherent time, thời gian này có độ lớn tỷ lệ với nghịch đảo độ trải Doppler)

để phần thời gian còn lại dành cho truyền dữ liệu

- Chiều không gian sẽ được khai thác triệt để bên cạnh chiều tần số và thời gian, do đó tài nguyên cho truyền thông sẽ tăng lên nhiều lần

Khi M lớn hơn N rất nhiều xuất hiện những tính năng xử lý truyền dẫn mới khác với hệ MIMO thông thường, gọi là MIMO kích thước lớn (Massive MIMO), sẽ được trình bày trong phần sau

Hình 1.10 Mô hình MIMO tâ ̣p hợp lớn

Hệ thống MIMO kích thước lớn (TDD) hiện đang nghiên cứu như một kiến trúc

mạng di động mới với nhiều tính năng hấp dẫn: Thứ nhất, dung năng có thể được

tăng lên về mặt lý thuyết bằng cách cài đặt ăng-ten bổ sung cho BS hiện có nên

MIMO kích thước lớn thay thế cho nhiều tế bào kích thước hẹp, cách truyền thống

để tăng năng lực mạng lưới Thứ hai, mảng ăng-ten lớn ở BS có thể làm giảm công

suất phát đường lên (UL) và xuống (DL) thông qua việc kết hợp đồng bộ và sự

tăng khẩu độ ăng-ten Khía cạnh này không chỉ liên quan theo quan điểm kinh doanh mà còn giải quyết vấn đề môi trường cũng như các vấn đề sức khỏe Thứ ba,

nếu kênh thuận nghịch được khai thác, tiêu đề liên quan đến quy mô huấn luyện

kênh cho N thiết bị đầu cuối người dùng sẽ độc lập với số M ăng-ten trạm gốc (BS) Tức là, ăng-ten bổ sung ở BS không làm tăng dãy pilot, do đó chỉ luôn luôn

có lợi Thứ tư, nếu M>>N, mã trước tuyến tính trở nên đơn giản và thiết bị tách là

tối ưu, tạp âm nhiệt, nhiễu, và lỗi ước lượng kênh sẽ biến mất, và hoạt động chỉ

còn bị giới hạn bởi ô nhiễm pilot gây ra bởi việc tái sử dụng dãy pilot trong các tế bào lân cận Các phần sau sẽ khảo sát chi tiết hơn các tính chất của MIMO kích thước lớn [3,4]

Kết luận chương I

Chương I giới thiệu cái nhìn tổng quan về các phương pháp đa truy cập, theo tần số, thời gian, mã code, đa truy cập theo không gian Từ đó so sánh được những lợi ích và hạn chế của từng kỹ thuật đa truy cập Đặc biệt là giới thiệu về hệ thống

MIMO kích thước lớn với các ưu điểm trong phương pháp truyền tin hiệu quả Đưa ra nguyên lý truyền tin và các cách biến đổi tín hiệu trong hệ thống này Về mặt lý thuyết hệ thống MIMO kích thước lớn có thể mang lại là : dung năng tăng, công suất bên phát và bên thu giảm, với số lương thuê bao lớn nhưng vẫn đạt được tốc độ truyền tin

Chương II Kỹ thuật mã trước đường xuống trong hệ thống MIMO kích thước lớn

Trong phần trước ta thấy rằng, có 2 bước then chốt trong hệ thống MIMO kích thước lớn là: Ước lượng kênh truyền (ma trận H) dựa trên các pilot do người dùng

di động phát hướng lên, sau đó mã trước các dữ liệu phát xuôi (nhân với A=H-1) Cả

2 bước này đều thực hiện tại trạm cơ sở (BS) và liên quan đến các kỹ thuật MF và

ZF

Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc việc ước lượng kênh càng chính xác càng tốt nên kỹ thuật MF là lựa chọn ưu tiên trong các kỹ thuật tuyến tính Còn ZF thực hiện trong mã trước thực chất là nghịch đảo ma trận kênh có độ phức tạp tính toán cao, tuy nhiên như ta thấy khi số anten trạm cơ sở rất lớn ma trận đảo kênh sẽ tiến đến như một bộ lọc MF (matched filter) giảm độ phức tạp rất nhiều Sau đây ta sẽ khảo sát cơ sở các phương pháp này

Trước tiên ta nhắc lại các kiến thức về nghịch đảo ma trận

2.1 Ma trận nghịch đảo và giả nghịch đảo

Định nghĩa: ma trận nghịch đảo của ma trận A là ma trận A-1 sao cho:

A.A-1 = I = A-1.AChú ý là điều này đúng với cả nhân bên phải và bên trái, và chỉ tồn tại với ma trận vuông, không kỳ dị (tức là định thức của nó khác không)

1 Cách đơn giản để tìm ma trận nghịch đảo với ma trận kích thước nhỏ là dùng qui tắc Crame:

Ví dụ :

Cho ma trận sau :𝐴 = 1 3

2 4 = 𝑎 𝑏

𝑐 𝑑 Khi đó tìm được ma trận ngịch đảo như sau: