Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập thuộc những phiên bản của tín hiệu được tổ hợp như thế nào tại bên thu để tăng tỉ số SNR thu được. Do đó hệ thống phân tập cũng có thể được phân loại theo loại phương pháp tổ hợp được sử dụng ở bên thu. Có 4 loại kĩ thuật tổ hợp chính bao gồm tổ hợp chọn lọc( Selection Combining – SC), tổ hợp chuyển mạch( Switched Combining – SWC), tổ hợp độ lợi bằng nhau( Equal Gain Combining - EGC), và tổ hợp tỉ số cực đại( Maximum Ratio Combining - MRC). Tổ hợp chọn lọc Tổ hợp chọn lọc là phương pháp tổ hợp phân tập đơn giản.
Xem xét một hệ thống phân tập thu có n R anten thu. Giản đồ khối của hệ thống tổ hợp chọn lọc được chỉ ra trên hình (1. Trong hệ thống này, tín hiệu có tỉ số SNR tức thời lớn nhất tại mỗi khoảng kí hiệu được lựa chọn như là đầu ra, do đó SNR tại đầu ra là bằng với tín hiệu đến tốt nhất. Trong thực tế tín hiệu có tổng công suất tín hiệu và nhiễu ( S + N) lớn nhất thường được sử dụng, do khó đo SNR.
Tổ hợp chuyển mạch Hệ thống phân tập tổ hợp chuyển mạch được chỉ ra trên hình vẽ (1.8), bên thu quét tất cả những nhánh phân tập và chọn một nhánh có SNR trên một ngưỡng được xác định trước. Tín hiệu này được lựa chọn như đầu ra cho tới khi SNR của nó hạ xuống dưới ngưỡng. Khi điều này xảy ra, bên thu bắt đầu quét lại và chuyển tới một nhánh khác. Hệ thống này cũng được gọi là phân tập quét.
So sánh với phân tập chọn lọc, phân tập chuyển mạch kém hơn do nó không liên tục cập nhật tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên, nó đơn giản hơn như không đòi hỏi cùng lúc và liên tục giám sát tất cả các nhánh phân tập. Cả hệ thống phân tập chọn lọc và hệ thống phân tập chuyển mạch, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một của tất cả những nhánh phân tập. Ngoài ra, nó không đòi hỏi bất kì kiến thức thông tin trạng thái của kênh.
Do đó hai hệ thống này có thể được sử dụng trong tổ hợp điều chế kết hợp cũng như không kết hợp. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập Tiền xử lí và Tiền xử lí và Tiền xử lí và đệm đệm đệm Chọn SNR tối đa Ra Hình 1.7 Phương pháp tổ hợp chọn lọc. Tiền xử lí và Tiền xử lí và Tiền xử lí và đệm đệm đệm Quét và chọn SNR vượt ngưỡng Ra Hình 1.8 Phương pháp tổ hợp chuyển mạch. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập c.
Tổ hợp tỉ số cực đại Tổ hợp tỉ số cực đại là phương pháp tổ hợp tuyến tính. Trong xử lí tuyến tính tổng quát, những đầu vào tín hiệu khác nhau có trọng số riêng và được cộng cùng nhau tạo thành một tín hiệu đầu ra. Những hệ số trọng số kênh có thể chọn theo nhiều cách. Tiền xử lí và Tiền xử lí Tiền xử lí đệm và đệm và đệm Tổng cộng Bộ tách Ra Hình 1.9 phương pháp tổ hợp tỉ số cực đại.9 chỉ ra sơ đồ khối của phân tập tổ hợp tỉ số cực đại.
Đầu ra của tín hiệu là tổ hợp tuyến tính của tất cả những tín hiệu thu như sau : nR r i .21) i 1 Trong đó r i là tín hiệu thu tại anten thứ i và α i là hệ số trọng số cho anten thu i. Trong bộ tổ hợp tỉ số cực đại, hệ số trọng số của mỗi anten thu được chọn tỉ lệ với tỉ số công suất nhiễu và điện áp tín hiệu của riêng nó. Gọi A i và Φ i là biên độ và pha của tín hiệu thu r i. Giả sử rằng mỗi anten thu có công suất nhiễu trung bình giống nhau, hệ số trọng số α i có thể trình bày như sau: 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập ji i Ai e (1.22) Phương pháp này được gọi là tổ hợp tối ưu do nó có thể cực đại SNR nối ra.
Nó chỉ ra rằng SNR đầu ra cực đại bằng tổng của những SNR tức thời của những tín hiệu độc lập. Trong hệ thống này, mỗi tín hiệu độc lập phải cùng pha, trọng số với biên độ tương ứng của nó và sau đó cộng lại. Hệ thống này đòi hỏi hiểu biết về fading kênh, biên độ và pha tín hiệu. Tổ hợp độ lợi bằng nhau.
Tổ hợp độ lợi bằng nhau là một phương pháp tổ hợp tuyến tính đơn giản. Nó không đòi hỏi ước lượng biên độ fading cho mỗi nhánh riêng lẻ. Thay vào đó, bên thu đặt biên độ của mỗi hệ số trọng số kênh là đơn vị j i e i (1.23) Theo cách này tất cả những tín hiệu thu là đồng pha và sau đó được cộng cùng nhau với độ lợi bằng nhau. Hiệu năng của bộ tổ hợp độ lợi bằng nhau chỉ dưới biên bộ tổ hợp tỉ số cực đại.10 so sánh độ lợi SNR của những phương pháp tổ hợp khác nhau sử dụng từ 1 tới 10 anten thu.10 So sánh độ lợi của những phương pháp tổ hợp khác nhau.
MRC cung cấp độ lợi cao nhất trong khi đòi hỏi độ phức tạp nhất. Số anten thu càng cao độ chênh lệch giữa MRC và bộ tổ hợp chọn lọc tăng.9 cũng chỉ ra độ lợi SNR cho hệ thống kết hợp giữa bộ tổ hợp chọn lọc và bộ tổ hợp tỉ số cực đại. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập Tóm lại, chương I đã nêu: - Mô hình kênh vô tuyến do ảnh hưởng của quá trình vật lí xảy ra khi truyền sóng khi vật cố định và di động và các hàm mật độ xác xuất của chúng với kênh fading Rayleigh, Rice, Doppler - Khái niệm về phân tập, các loại phân tập, và các phương pháp tổ hợp ở phía thu. Đó là những khái niệm cơ bản, sẽ được dùng khi xét hệ MIMO trong chương II.
17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 Mô hình kênh MIMO,các bài toán của hệ MIMO CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH MIMO, CÁC BÀI TOÁN CỦA HỆ MIMO 2. Khái niệm hệ thống MIMO Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) được định nghĩa là tuyến thông tin điểm - điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống. Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lí số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 2.2 Các độ lợi trong hệ thống MIMO Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi là: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian.
Độ lợi Beamforming Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện được Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng λ ( thông thường là λ/2 ), Beamforming thường thực hiện trong 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 Mô hình kênh MIMO,các bài toán của hệ MIMO môi trường ít tán xạ. Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập. TX RX Hinh 2.2 Kỹ thuật beamforming Độ lợi ghép kênh không gian Tận dụng kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten nhằm tăng dung năng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống.
Dung năng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. TX RX Hình 2.3 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Độ lợi phân tập Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tỷ lệ lỗi BER, chống fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại fading, thuật toán STBC ( Space- Time Block Code) và STTC( Space- Time Trellis Code) được áp dụng. 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 Mô hình kênh MIMO,các bài toán của hệ MIMO TX RX Hình 2.4 phân tập không gian 2.3 Mô hình hệ thống MIMO [5] Hình 2.5 Mô hình MIMO với N anten phát và M anten thu Ta xét một hệ thống, trong đó N tín hiệu được phát cùng lúc từ N đường truyền.
Ví dụ, trong hệ thống thông tin liên lạc không dây, ở mỗi khe thời gian t, những tín hiệu Ct,n n = 1,2,…., N được phát cùng lúc từ N anten phát. Những 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 Mô hình kênh MIMO,các bài toán của hệ MIMO tín hiệu là những đầu vào của một kênh nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) với M đầu ra. Mỗi tín hiệu được phát đi qua kênh không dây tới mỗi bên thu trong số M bên thu. Trong hệ thống truyền thông không dây với M anten thu, mỗi đầu ra của kênh là một sự xếp chồng tuyến tính của những phiên bản bị fading của những phiên bản đầu vào bị nhiễu.
Mỗi cặp anten phát và thu cung cấp một đường tín hiệu từ bên phát tới bên thu. Hệ số αn,m là độ lợi đường từ anten phát n tới anten thu m.5) mô tả một mô hình băng cơ sở rời rạc thời gian cho một kênh fading phẳng. Trên cơ sở mô hình này, tín hiệu r t,m nhận được tại thời điểm t tại anten m, được cho bởi: N rt,m = n 1 n ,m Ct,n + ηt,n (2.1) Trong đó ηt,n là mẫu nhiễu của anten thu m tại thời điểm t.