Đề tài HỆ THỐNG MIMO-SDM

Đề tài HỆ THỐNG MIMO-SDM Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng thông tin mọi lúc mọi nơi...

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

DANH SÁCH NHÓM THẢO LUẬN

Nguyễn Thị Thoa Bùi Thị Thanh Thủy Đào Thị Thảo

Lê Thị Thu Hoàng Thị La Trương Quang Soát Nguyễn Trí Quyết Nguyễn Xuân Nam

MỤC LỤC

I Tổng quan về MIMO 5

1.1 Lịch sử phát triển 5

1.2 Hệ thống MIMO 6

1.3 Mô hình toán học 7

II Phân kênh theo không gian SDM 9

2.1 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính 11

2.1.1 Bộ tách tín hiệu ZF(zero forcing) 12

2.1.2 Bộ tách tín hiệu MMSE 16

2.2 Các bộ tách tín hiệu phi tuyến 18

2.2.1 Bộ tách tín hiệu QRD 18

2.2.2 Bộ tách tín hiệu V-Blast 20

III Ứng dụng của hệ thống MIMO 24

3.1 Wi-Fi 24

3.2 Ứng dụng trong mạng thế hệ 3G, LTE 27

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sửdụng thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết Từ nhữngnhu cầu sử dụng thông tin đơn giản như điện thoại, điện tín, điện báo…đếnnay nhu cầu về truy cập và trao đổi thông tin ngày càng gia tăng và đòi hỏinhững tính năng đa dịch vụ Bên cạnh nhu cầu về tốc độ đa truy nhập, tính diđộng cho phép truy cập mọi lúc mọi nơi cũng là một nhu cầu không thểthiếu

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụngcông nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truycập phân chia theo mã băng rộng) kết hợp với giao thức truy nhập tốc độ caoHSDPA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download dữliệu tốc độ cao lên tới 14.4Mbps Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hìnhtrực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ lên tới hàng trăm Mbps, thậmchí lên tới Gbps, vẫn còn là một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiêncứu nhiều hơn nữa Để đáp ứng được nhu cầu truyền thông dữ liệu tốc độcao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động thì các hệ thống truyền dẫn

đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là mộttrong những cử viên sáng giá nhất

Trong chủ đề thảo luận “Hệ thống MIMO/SDM” nhóm chúng em tìm hiểu

gồm những nội dung:

I Tổng quan về hệ thống MIMO

II Phân kênh theo không gian SDM III Ứng dụng của hệ thống MIMO

SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền

và hiệu suất băng thông Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wirelessphân tập nhờ sử dụng các anten thu phát

Bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu xót về kiến thức chúng em rấtmong thầy giáo đánh giá và bổ sung kiến thức giúp chúng em hoàn thiệnhơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện!

I Tổng quan về MIMO

1.1 Lịch sử phát triển

- Năm 1994: Paulrai & Kaailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất,nêu ra khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnhviệc ứng dụng cho phát thanh quảng bá

- Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST nhằm hợp các luồngtruyền trên kênh fading nhanh

- Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên

về dung năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó

- Năm 1998, sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫncao được làm bởi Bell labs

- Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Jospan WirelessInc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênhkhông gian

SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền

và hiệu suất băng thông Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wirelessphân tập nhờ sử dụng các anten thu phát

1.2 Hệ thống MIMO

MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiềuanten ở máy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền Chuỗi tín hiệu phátđược mã hóa theo cả hai miền không gian và thời gian nhờ bộ mã hóa khônggian thời gian (STE: Space-Time Encoder) Tín hiệu sau khi được mã hóa

không gian - thời gian được phát đi nhờ N anten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với M anten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra được gọi là kênh MIMO M ×N Trong các

trường hợp đặc biệt khi N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thốngphân tập thu SIMO và phân tập phát MISO.

Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO

Để tránh ảnh hưởng giữa các anten phát và các anten thu với nhau, khoảngcách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử anten ở các mảng anten phát hoặcthu là

1.3 Mô hình toán học

Chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản là kênh truyền có hệ sốtruyền xác định (không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và đượcbiết trước qua phép ước lượng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian Một

hệ thống gồm N anten phát và M anten thường được gọi là hệ thống MIMOMxN Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ngõ vào - ngõ

ra như sau:

y = Hs + ztrong đó:

z là thành phần tạp âm;

H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thông tin về độ lớn,

về pha của đường truyền giữa N anetn phát và M anten thu

Mô hình toán học được diễn tả như sau:

Hình 1.2: Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống MIMO

= H +

Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệthống:

y = Hs + z

với PT là tổng công suất phát từ N anten phát

1.4 Dung lượng kênh MIMO

Dung lượng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xácsuất lỗi tương đối nhỏ nào đó Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnhhưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss:

Trong thực tế do các tác động của pha-đinh, kênh truyền biến độngtheo thời gian và thường được mô phỏng hóa bằng các biến số ngẫu nhiêntuân theo phân bố Rayleigh Dung lượng kênh truyền được xác định:

=

II Phân kênh theo không gian SDM

Chuẩn 802.11n đạt được cải tiến đáng kể về tốc độ dữ liệu thông quaviệc sử dụng MIMO/SSM( nhiều đầu vào, nhiều đầu ra-ghép kênh phân chiatheo không gian)

Nếu trên đường truyền có sự biến động, anten thu sẽ nhận ra tín hiệu saikhác từ anten truyền Anten phát sẽ phát tín hiệu trên một hình vòm rộng,trên đường truyền tín hiệu sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ, tán xạ…do tác độngcủa những vật cản trong môi trường xung quanh

Hình 2.1 Phân kênh theo không gian SDM

Hình trên thể hiện 3 đường tín hiệu đến anten thứ 2 Tín hiệu mạnh nhất là a

và thông tin mang trên nó sẽ được giải mã Hai đường khác đến với mứcnăng lượng thấp hơn và dịch đi một khoảng thời gian va pha so với tín hiệu

a Do vậy nó có thể làm suy giảm tỉ số SNR với a Mỗi một anten nhận sẽnhận được một tín hiệu chiếm ưu thế từ một anten phát khác Vì vậy hệthống có thể tận dụng bằng cách truyền những tín hiệu khác nhau trên mộtanten Đây là một ưu điểm nổi bật của MIMO

Ưu điểm của SDM

- Tăng dung lượng

- Cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu

Nguyên lý: Ở máy phát, dòng dữ liệu phát được bộ DEMUX chia nhỏ thành

N luồng sn(t) song song và truyền đồng thời qua N anten phát Vì vậy, tốc

độ truyền dẫn tăng N lần so với hệ thống sử dụng một anten phát, một antenthu (SISO) thông thường Tại máy thu các luồng tín hiệu sẽ được tách riêng

ra rồi ghép lại bằng bộ ghép kênh MUX

Hình 1.1 Phương pháp phân kênh theo không gian

Tuy nhiên, do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nêntăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh giữacác luồng tín hiệu, vì vậy làm tăng BER Để giảm nhỏ BER của hệ thốngmáy thu sử dụng M ≥ N anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả để thực hiệntách riêng từng luồng tín hiệu.

Dựa theo tính chất tuyến tính của phương pháp tách tín hiệu, các bộ tách tínhiệu MIMO-SDM được phân loại thành hai nhóm lớn là các bộ tách tín hiệutuyến tín và các bộ tách tín hiệu phi tuyến

Hình 2.2 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM

2.1 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính

Một bộ tách tín hiệu tuyến tính là bộ kết hợp tuyến tính biểu diễn bởi

ma trận trọng số W Dựa trên ma trận trọng số W, vector ước lượng được là:

Các giá trị ước lượng được ^

s này sau đó được đưa qua bộ quyết định

để lựa chọn đầu ra bộ tách tín hiệu

Hình 2.3 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM

2.1.1 Bộ tách tín hiệu ZF(zero forcing)

Như ta đã biết, trong hệ thống MIMO, kênh truyền được biểu diễn làmột ma trận mà các phần tử của nó là các kênh fading đa đường Giá trịkênh này không được biết trước tại bộ thu tín hiệu vô tuyến Do vậy, người

ta thiết kế các bộ ước lượng kênh nhằm giúp khôi phục giá trị kênh truyền,

và nhờ đó khôi phục chính xác tín hiệu đã phát

Bộ tách tín hiệu ZF còn có tên gọi là bộ tách tín hiệu LS (LeastSquare: bình phương nhỏ nhất) Bản chất của bộ tách tín hiệu LS là giả sửtạp âm bằng không rồi sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tìmcác tín hiệu phát sn Việc này tương đương với giải một hệ M phương trìnhvới N ẩn số

Trong phương pháp tách ZF ta đã bỏ qua thành phần tạp âm, nên ta cóphương trình toán học sau:

Y= Hs (z=0)

S tín hiệu phát ban đầu.

H là ma trận kênh truyền

Ta giả định rằng ma trận kênh truyền, tín hiệu y thu được đã biết Vìvậy ta cần phải đi tìm tín hiệu phát s Để tìm s ta cần tìm ma trận trọng số Wthỏa mãn tính chất WH=I

Mặt khác hàm chi phí để tìm s được định nghĩa như sau :

ŝ = arg minsˆ {||y – Hŝ| 2

2

| }Trong đó ||.| 2

2

| biểu diễn phép lấy chuẩn (norm) của vector ma trận.Tức là chúng ta cần tìm ŝ sao cho tối giản hóa giá trị bình phương sai số sau:

2 2

Hay bỏ qua thành phần tạp âm z chúng ta có thể biểu diễn lại ŝ như sau :

ŝ = (HH H)-1HH Hs

Qua biểu thức trên ta thấy bộ tách tín hiệu ZF đã tách riêng ra từng tínhiệu phát Sn và loại bỏ can nhiễu từ tín hiệu khác Hay can nhiễu từ cácanten khác đã bị cưỡng bức bằng không

Kết hợp với các biểu thức ở trên ta tìm được ma trận trọng số W như sau

†

) ( ˆ

y H H H s

y W

H H

H

, M ≥ N

Vì giá trị W chỉ phụ thuộc vào ma trận kênh truyền H nên máy thu chỉ cần ước lượng ma trận H và sử dụng nó để tách các tín hiệu phát sn ở phíathu.

Do H+ là phép đảo ma trận giả bên trái (số hàng phải lớn hơn số cột)tương ứng với số anten thu lớn hơn số anten phát nên trong trường hợp nàychỉ áp dụng khi M> N Tuy nhiên, sử dụng phương pháp SVD kết hợp với số

nhân Lagrange chúng ta có thể tìm được ŝ dạng tương tự.

ŝ =HH (HH H)-1y Trong đó H †† = HH (HH H)-1 được gọi là phép đảo ma trận bên phải (right

pseudo-inverse) của H Và có kết quả tương đương như sau:

H H

H

H

H H H W

y H H H s

y W

) ( ˆ

Vector tín hiệu gửi đi là s= (1+i, -1-i, 1+3i)T,

Sau khi tín hiệu đi qua kênh truyền H thì vector Y nhận được sẽ là :

Y=Hs =

0.9 2.6

2 2.7 1.1 1.1 1.3 6.8

i i i i

Lối ra bộ ước lượng ZF ^

s được tính như sau :

^

s = H + y =

1.71 1.07 1.76 1.75 0.56 3.13

i i i

So sánh với tín hiệu gửi đi đã biết trước trên vị trí giản đồ chùm sao

Ta chọn tín hiệu là điểm chòm sao gần nhất trong bảng chòm sao ở bên phát( khoảng cách gần nhất ứng với xác xuất lớn nhất.)

Sau khi xác định được ta thu được vevtor quyết định sẽ là :

_

1 1

- Bộ tách tín hiệu ZF đơn giản

- Có yêu cầu độ phức tạp tính toán thấp

Nhược điểm :

- Do tạp âm bị bỏ qua nên khi thiết kế ma trận trọng số W nên bộ táchtín hiệu này chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm (noiseamplification) Vì vậy, bộ tách tín hiệu ZF thường thích hợp với các kênhtruyền có tỷ số SNR cao

2.1.2 Bộ tách tín hiệu MMSE

Bộ tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean Square Error: Sai số trungbình bình phương tối thiểu) để làm giảm thiểu sai số bình phương trung bìnhMSE

Khác với bộ tách tín hiệu ZF bộ tách MMSE còn xem xét đến cả đặc tính tạp

âm tại các nhánh anten thu

Ma trận trọng số: Phân tích hàm chi phí để tìm ma trận trọng số:

Tức là chúng ta đi tìm ma trận trọng số W để tối giản hóa giá trị trung bìnhsai số bình phương giữa vector phát và vector ước lượng được, nghĩa là :

||s - wH

y||2 = minKhi phát đi một tập tín hiệu sn € S ở phía phát, tín hiệu phát sau khi thu được

ở phía thu sẽ được trừ đi tín hiệu ước lượng để tìm ra giá trị min

Ví dụ:

Khi bên phát phát đi một tập tín hiệu có mức điện áp khác nhau (doảnh hưởng của fading đa đường) :

1V2V3V4V5V…

Giả xử như tín hiệu ước lượng được là 3,8V

Để tìm được W min ta sẽ lần lượt thay từng tín hiệu phát trừ đi tín hiệu ướclượng

Đặc điểm của MMSE

Ưu điểm:

- Khắc phục được nhược điểm của phương pháp ZF vì nó có tính đếnthành phần tạp âm z ở phía phát nên không chịu ảnh hưởng của hiệu ứngkhuếch đại tạp âm

- Đơn giản hơn và trong thực tế dễ triển khai nhờ các thuật toán thíchnghi như LMS, RLS…

- Độ tính toán phức tạp thấp

- Có phẩm chất BER hay SNR tốt hơn so với bộ tách ZF

Nhược điểm:

- Số lượng anten sử dụng lớn

- Đạt được tỉ số lỗi bit BER tương đối thấp

2.2 Các bộ tách tín hiệu phi tuyến

2.2.1 Bộ tách tín hiệu QRD

Phương pháp này phân tích ma trận kênh truyền H thành tích của hai

ma trận Q và R (M≥N):

H= Q.RTrong đó:

R Є C NxN là ma trận tam giác trên có dạng:

Q Є C MxN là một ma trận đơn nhất có tính chất QH.Q= Q-1.Q =1

Nhân cả 2 vế của phương trình hệ thống y= H.s + z với QH ta có:

QH.y = QH.H.s + QH.zThay H= Q.R và phương trình trên

y’N-1 = RN-1,N-1. SN-1 + RN-1,N SN + z’N-1 y’N = RN,N SN + z’N

Với z’: thành phần tạp âm Gauss độc lập Do R và một ma trận tam giáctrên nên phần tử y’i chỉ phụ thuộc và thành phần dưới y’j với j >i Hay ta cóthể biểu diễn phần tử dưới dạng như sau y’i như sau:

Từ các phương trình trên ta dễ dàng tách được tín hiệu mong muốn từthành phần y’N , do thành phần y’ của lớp cuối cùng N không chịu ảnhhưởng nhiễu từ các anten trước nên nó được tách dầu tiên Sau đó nó đượcthay thế vào để khử nhiễu cho các thành phần lớp trên nó Và như vậy tatách lần lượt được các tín hiệu thu ở các anten tương ứng

2.2.2 Bộ tách tín hiệu V-Blast

Về nguyên lý bộ tách tín hiệu V-Blast cũng tương tự như bộ táchQRD Nó sử dụng phương pháp tách tín hiệu vòng lặp triệt nhiễu nối tiếp,tức là tại mỗi vòng lặp, sẽ chỉ có tín hiệu của một lớp được tách ra Tín hiệuvừa tách được phản hồi lại vòng tiếp theo để triệt tiêu hoàn toàn khỏi tínhiệu thu nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nó đến quá trình tách các tín hiệu ở cáclớp còn lại Như vậy tín hiệu của lớp sau cùng được tách sẽ không bị ảnhhưởng của các lớp khác, do vậy càng tách sau thì tín hiệu có phẩm chất càngtốt (tức là ít lỗi hơn)

Hình sau mô tả nguyên lý làm việc của bộ tách tín hiệu V-Blast

Hình 2.4 Mô tả nguyên lý tách tín hiệu của bộ tách V-BlastDựa vào mô hình trên ta có thể giải thích nguyên lý tách như sau:Tập các tín hiệu thu được từ các nhánh sẽ được đưa đồng thời vào bộ táchtín hiệu tuyến (có thể là tách bằng phương pháp ZF hoặc MMSE) KhốiOrder and Select sẽ cho phép chọn và sắp xếp ưu tiên thứ tự nhánh nào đượctách trước, khối này sẽ đưa ra chỉ số ki của nhánh có sai số bình phươngtrung bình MSEmin để thực hiện tách ra nhánh đó bằng một trong hai phươngpháp tách tuyến tính trên bằng việc tính toán các hàm chi phí tương ứng đốivới từng phương pháp.

Tín hiệu tương ứng với lớp đã xác định được :

Trong đó wki là cột thứ ki của ma trận trọng số W đã được tính toán

Tín hiệu sau khi tách được ở vòng này sẽ được phản hồi lại IC để triệt tiêukhỏi tập tín hiệu thu Tập tín hiệu còn lại sẽ được tách lần lượt ở các vòngtiếp theo.

Trong đó hki là vector được xây dựng từ cột ki của ma trận H

Ở các vòng sau thì tập tín hiệu giảm dần, do vậy tín hiệu tách được sẽ tốthơn Do vậy khi thực hiện tách, để đảm bảo chất lượng cho tín hiệu ở cácnhánh thì ta ưu tiên tách các tín hiệu “khỏe” trước và các tín hiệu “yếu”được tách sau

Đặc điểm V-Blast

V-Blast được nói đến với kênh truyền MIMO đạt được tốc độ dữ liệucao Luồng data được chia thành các luồng data nhỏ hơn độc lập nhau và gửi

đi trên các anten khác nhau Khi nghiên cứu V-Blast ta thấy chưa đạt được

sự trao đổi phân tập hợp kênh tối đa tại tốc độ thấp: khả năng phân tập lớnnhất của các luồng dữ liệu bị giới hạn bởi số anten thu Tuy nhiên, V-blastcũng không phải là tối đa cho kênh truyền tốc độ cao Ví dụ cho kênh truyền2x1 cho rằng một trong số các kênh truyền có hệ số là 0 và các kênh còn lạithỏa mãn (0,1) Khi đó phân tập đạt được bởi luồng dữ liệu được gửi trênanten phát đầu tiên với độ lợi phân tập và độ lợi hợp kênh nên kiến trúc nàykhông đạt được sự trao đổi tối ưu cho kênh truyền MIMO

So sánh giữa ZF, MMSE, QR và V-Blast