Chương 1 trình bày tổng quan về hệ MIMO, những lợi điểm của hệ này so với hệ SISO truyền thống. Chương 2 giới thiệu về mô hình kênh. Chương 3, trình bày về dung năng kênh MIMO trong một số trường hợp. Và chương 4 tìm hiểu về những giới hạn tồn tại trong hệ MIMO đơn người dùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 2 Chƣơng I - GIỚI THIỆU CHUNG [5], [8] 1.
Sự ra đời của MIMO Hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO đang dần được khẳng định, và nhờ vào đó, con người có thể giao tiếp với nhau mọi lúc mọi nơi, một cách thuận lợi hơn. Nhưng để đạt được những thành tựu như vậy, thì hệ thống thông tin không dây phải đối phó được với phading, trong đó có phading đa đường và can nhiễu giữa các tín hiệu. Theo truyền thống, việc thiết kế hệ thống thông tin không dây tập trung chủ yếu vào việc tăng độ tin cậy của tín hiệu ở nơi thu, qua không gian với sự có mặt của phading và can nhiễu, được coi là một vấn đề lớn. Gần đây, do tài nguyên là phổ tần số hầu như đã sử dụng hết, nên vấn đề tăng cường hiệu suất phổ trong hệ phading do hiện tượng đa đường, được coi như một bài toán cần có lời giải.
Từ yêu cầu đó, năm 1996 một nhóm nghiên cứu trong trường Đại học Standford đã giới thiệu mô hình MIMO. Đây là thành công đầu tiên của công nghệ trong phòng thí nghiệm, được công bố tại trung tâm nghiên cứu không dây thuộc Bell Labs ở New Jersy tháng 9, 1998. Sau đó là thành công trong việc chứng minh mô hình ngoài trời được Gigabit Wireless, inc và Đại học Standford giới thiệu vào tháng 6, 1999. Tháng 9, 2002 Isopan Wireless, inc đã giới thiệu sản phẩm đầu tiên… Và gần đây, đã có rất nhiều bài báo và các sự kiện đã đóng góp to lớn đến việc xây dựng nền tảng trong lĩnh vực này.
Trong số đó, phải kể đến bài báo mã hóa không thời gian, đây là bước ngoặt lớn cho hệ thống thông tin không dây, và hứa hẹn một dung năng khổng lồ mà hệ thống đa anten trong kênh truyền phading mang lại. Tại đó, đã được chứng minh rằng: với giả thiết sự thăng giáng độc lập và nguồn ồn khác nhau tại các anten khác nhau, dung năng của hệ thống đa anten so với hệ thống đơn anten có thể là rất lớn. Chẳng hạn: nếu số lượng anten thu bằng số lượng anten phát, dung năng truyền có thể tăng tuyến tính xấp xỉ số lượng này. Cấu trúc hệ thống MIMO Có hai phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để xử lý những vấn đề gây ra bởi hiện tượng phading là tính phân tập và tạo chùm tia.
Ý tưởng cơ bản của phân tập là để thực hiện hai hay nhiều bản sao của cùng một tín hiệu thông tin, được truyền thông qua các kênh phading độc lập, khi đó sẽ làm giảm đồng thời xác suất của tất cả các thành phần bị phading. Trong khi đó, phương pháp tạo chùm lại tập trung năng lượng về hướng mà cả SNR và SIR đều tăng. Các hệ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 thống MIMO sử dụng cả hai phương pháp ở trên để chống lại phading và có những lợi điểm của việc đưa vào độ lợi phân tập tại cả hai phía qua hệ liên kết, trong đó mỗi một phía là một anten mảng (xét chi tiết ở phần sau). Một hệ thống đa anten thu và phát thông thường được trình bày thông qua các hình 1.2 như sau: Hình 1.
Sơ đồ khối phát của hệ thống đa anten thông thường Hình 1. Sơ đồ khối thu của hệ thống đa anten thông thường 1.1 Khối phát Theo sơ đồ khối của hình 1.1, dữ liệu đầu tiên được mã hóa và được ghép xen. Khi đó có một khối dữ liệu gồm Nt ký hiệu được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp - song song, sau đó được điều chế. Cuối cùng, mỗi một ký hiệu được cấp tới một trong số Nt anten, vì vậy mà Nt ký hiệu được truyền đi.
o Bộ mã hóa: Là một thiết bị dùng để chuyển đổi tín hiệu (chẳng hạn như một dòng bít) hay dữ liệu được chuyển thành một mã. Mã có thể dùng cho bất kỳ mục đích nào như là nén thông tin cho việc truyền dẫn, và lưu trữ mật mã hóa. Một bộ mã hóa kênh được sử dụng để đưa thêm một số dư thừa vào trong chuỗi thông tin TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 nhị phân, và điều này đã khiến cho bộ thu có thể loại bỏ được các hiệu ứng của ồn và can nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền dẫn. o Bộ ghép xen Ghép xen được sử dụng trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu số để chống lại lỗi cụm, các lỗi này dưới dạng các bit theo một dòng.
Vì vậy, một sơ đồ sửa lỗi điển hình, trong đó coi rằng phân bố lỗi là có dạng phân bố đều, có thể tránh được khó khăn này. Ghép xen được sử dụng để ngẫu nhiên hóa lỗi bít trước khi dữ liệu được giải mã. Tại nơi phát, các bit mã hóa được hoán vị theo một cách nhất định để đảm bảo rằng các bit liền kề được cách nhau một vài bit sau khi ghép xen. Còn tại nơi thu, sự hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã.
Kiểu ghép xen thường được sử dụng là xen khối (block interleaver) gồm NB bit = d cột x m hàng, trong đó chuỗi dữ liệu vào, được đưa vào một ma trận theo cột và được đọc theo hàng, khi đó bit xen thứ i liên hệ với bit mã hóa thứ k ở lối vào là: id k id ( N B 1) floor (1.1) B N o Bộ điều chế Bộ điều chế thực hiện chức năng điều chế, và đảm nhiệm như một giao diện với kênh thông tin. Mục đích cơ bản của điều chế số là để ánh xạ chuỗi thông tin nhị phân, thành những dạng sóng tín hiệu. Điều chế thực chất là một qúa trình thay đổi một dạng sóng để sử dụng tín hiệu đó cho việc truyền tải một bản tin, và thường sử dụng các bộ điều chế M - QAM, MPSK, v. Khối thu Theo hình 1.2, đầu tiên véc tơ thu được đưa tới bộ giải điều chế.
Sau đó, mỗi khối Nt các ký hiệu đã được giải điều chế, được chuyển đổi từ song song sang nối tiếp thông qua bộ chuyển đổi song song nối tiếp. Sau đó được ghép xen và giải mã. Vì vậy dữ liệu được truyền đi bởi Nt anten phát sẽ được khôi phục lại tại bộ thu. o Bộ giải điều chế Một bộ giải điều chế được sử dụng để khôi phục lại nội dung thông tin từ tín hiệu thu được, có thể sử dụng các bộ giải điều chế gần giống nhất ML (Maxium Likelihood), truyền tuyến tính và BLAST SIC với véc tơ cưỡng ép 0/lỗi trung bình bình phương nhỏ nhất (ZF/MMSE) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 o Bộ giải ghép xen Tại phía thu, sau khi giải điều chế, một bộ giải ghép xen được sử dụng để loại bỏ những ảnh hưởng của việc ghép xen.
Bộ giải ghép xen đẩy dữ liệu thành chuỗi thích hợp và chuyển nó tới bộ giải mã. Nó sắp xếp dữ liệu thành dạng mảng hình chữ nhật, giống như bộ ghép xen nhưng nó đọc ra thành hàng. o Bộ giải mã Một bộ giải mã có chức năng ngược lại của bộ mã hóa, việc giải mã để thông tin ban đầu có thể được khôi phục. Có thể dùng một số thuật toán cho việc giải mã các mã nhân chập, chẳng hạn như thuật toán Viterbi, v.v… Trong đó, thuật toán Viterbi được sử dụng phổ biến vì thu được hiệu năng theo kiểu gần giống nhất.
Ƣu điểm cơ bản của hệ thống MIMO Như đã nói, hệ thống MIMO ra đời với mục đích: đáp ứng các nhu cầu truy cập tốc độ cao, do việc tăng các hiệu ứng môi trường và sức ép cạnh tranh từ mạng có dây LAN, thêm vào đó, trong tương lai của hệ thống audio/video gia đình vẫn sẽ đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao. Bên cạnh đó, hệ thống MIMO ra đời với hy vọng có thể cải thiện được những giới hạn của kênh truyền SISO, do tính năng đáng chú ý của hệ thống MIMO là khả năng truyền dẫn tốt trong kênh truyền chịu tác động của hiện tượng đa đường. Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau: a) Cải thiện được công suất tại nơi thu Xét một hệ thống SIMO 1 anten phát và 2 anten thu, thì tại nơi thu 2 anten sẽ nhận được các tín hiệu s1, s2 khác nhau của cùng một tín hiệu s phát. Do điều kiện truyền dẫn khác nhau, nên hai tín hiệu thu được này sẽ có sự sai khác về biên độ và pha.
Thông tin trạng thái kênh truyền được nhận biết một cách chính xác tại nơi thu, và công suất tại nơi thu có thể được cải thiện nếu áp dụng một thuật toán xử lý tín hiệu để kết hợp s1, s2 thích hợp. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Độ lợi mảng Hay nói cách khác, SNR ở đầu ra là tổng của tất cả các SNR trên các đường truyền riêng biệt, khi đó sẽ thu được độ lợi mảng (hình 1.3) và chất lượng tín hiệu được nâng cao. Cũng có thể độ lợi mảng được sử dụng để đo sự tăng công suất tín hiệu thu trung bình (trong hệ MIMO, độ lợi mảng là một hàm của các giá trị riêng lớn nhất trong ma trận kênh truyền, và phụ thuộc vào số lượng anten thu/phát.) b) Tăng dung năng của hệ thống.
Tăng dung năng của hệ thống hay làm giảm can nhiễu mà không cần phải tăng băng thông. Can nhiễu trong hệ thống không dây cũng giống như trong mạng điện thoại tế bào, nguyên lý cơ bản khi sử dụng lại tần số để tăng dung năng của hệ thống, tuy nhiên sẽ xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI, nhiễu này cộng vào ồn làm giảm hiệu năng của hệ thống.4 minh họa rõ ý tưởng cơ bản của phương pháp làm giảm can nhiễu trong hệ thống MIMO xét với hai máy thu. Với tín hiệu mong muốn s, tín hiệu không mong muốn i cùng đến tại máy thu, và ký hiệu phân chia không gian tương ứng là [s1s2 ]T và [i1i2]T TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Suy giảm can nhiễu Để có thể tăng tỷ số tín trên can nhiễu, thì bộ thu có thể lợi dụng sự khác nhau về không gian tín hiệu để giảm nhiễu.