Anten thông minh trong hệ thống MIMO

Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 360 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Trong các thệ thống thông tin vô tuyến thông thường, đầu cuối của một tuyến thường là trạm gốc, và nó sẽ được trang bị ít nhất là 2 anten (ví dụ, 2 anten để phân tập thu hoặc một anten mảng có nhiều phần tử để định dạng búp sóng và để lái búp). Gần đây một số nhà phân phối máy điện thoại và chipset đã bắt đầu phát triển và thiết kế các điện thoại có anten đôi dùng cho việc phân tập tín hiệu thu di động (MRD). Trong một hệ thống MIMO, một tuyến thông tin sẽ có cả máy phát và máy thu được trang bị nhiều phần tử anten, như ở hình 12.1. Ý tưởng về MIMO là để dùng AA tại cả máy phát và máy thu được kết hợp với nhau thông qua quá trình điều chế tín hiệu theo không gian – thời gian và các kỹ thuật mã hóa để đạt được hiệu quả về phổ cao. Động cơ cho việc sử dụng kỹ thuật đó là để đạt được nhiều cải tiến hơn, như để tăng chất lượng dịch vụ và tăng doanh thu một cách đáng kể. Ví dụ về các ứng dụng sẽ sinh lợi nhuận từ các hệ thống MIMO bao gồm việc triển khai hệ thống cellular/PCS dựa trên các thiết bị đầu cuối người dùng cố định, các microcell, các picocell, và các mạng LAN vô tuyến, cũng như các thiết bị xách tay như laptop và PDA. Mã hóa và điều chế là các kỹ thuật cần thiết về thời gian. Hệ thống MIMO là một phương pháp xử lý tín hiệu theo không gian – thời gian mà trong đó miền thời gian được bổ sung bằng miền không gian thông qua việc dùng các anten phân bố đa không gian. Do đó, hệ thống MIMO được xem như là sự mở rộng của các anten thông minh. Do đó, ta có thể phân loại các chuỗi đa anten thành một tập hợp bao gồm các kỹ thuật không gian như anten thích nghi, định dạng búp sóng, phân tập không gian, cũng như đa hợp không gian (SM) và mã hóa không Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 361 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO gian – thời gian (STC) như MIMO. Các hệ thống đa anten có tiềm năng lớn trong việc tăng dung lượng thông tin đáng kể theo lý thuyết. Như đã đề cập ở phần trước, nguyên nhân làm giảm chất lượng của một hệ thống thông tin vô tuyến là các can nhiễu và hiện tượng đa đường. Các kỹ thuật đa anten khác này sẽ giải quyết được các nguyên nhân đó theo nhiều cách khác để hoặc làm giảm nhẹ tác động của chúng hoặc khai thác nó để tăng chất lượng hệ thống và tuyến thông tin. Một yếu tố then chốt của các hệ thống MIMO là khả năng khai thác hiệu ứng đa đường bằng cách dùng pha đinh ngẫu nhiên [1-5], một cách hiệu quả để tăng lợi ích của anten thông minh là tăng tốc độ truyền lên nhiều lần. Chương này sẽ trình bày tổng quát về các dạng hệ thống MIMO quan trọng, chỉ ra mối quan hệ của chúng với các phương pháp xử lý theo không gian khác, và tổng kết lại các vấn đề mấu chốt làm ảnh hưởng đến chất lượng của chúng. Có thể tham khảo thêm về các hệ thống MIMO này ở [6] và các tài liệu tham khảo có đề cập trong đó. Hình 12.1 Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 12.1. Nguyên lý của hệ thống MIMO Bảng 12.1 so sánh tất cả kỹ thuật kết nối đa anten có thể có. Nhìn chung, ta xác định số lượng anten phát MT và số lượng anten thu MR. Ta có thể xem kênh vô tuyến như là kênh vector có miền MR x 1 hoặc MT x 1. Nếu ta chỉ dùng một anten để truyền, thì tốc độ dữ liệu sẽ luôn bị giới hạn do chất lượng của anten đó. Một cách để khôi phục các yếu kém của kênh này là dùng một đa anten tại đầu cuối bộ thu để đảo tất cả hoặc một phần ảnh hưởng của kênh truyền. Trong trường hợp này anten phát sẽ phải có hình dạng cổ chai theo 1 hướng. Tuy nhiên, chất lượng thường sẽ tốt hơn so với khi dùng một anten tại mỗi đầu cuối. Có cách khác thể đạt được hiệu quả như trên là dùng nhiều anten tại đầu cuối máy phát khi không chỉnh sửa được máy thu (chẳng hạn điện thoại di động) nhằm tạo ra nhiều điều kiện tín hiệu sao cho khi đến máy thu đó sẽ giống hoặc gần giống với các điều kiện tín hiệu tại đó (đã được tích hợp trong nhiều anten) để dùng các góc rỗi khác bằng cách nào đó, như là phân tập cao hơn chẳng hạn. Chất lượng thu được này rất giống với trường hợp trên khi dùng cùng một số lượng anten. Mặt khác, trong các hệ thống MIMO, dữ liệu được truyền thông qua một kênh ma trận Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 362 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO được tạo bởi MT anten phát và MR anten tốt hơn là một kênh vector, và tạo ra các loại độ lợi mới ngoài việc chỉ có những lợi ích về độ lợi anten mảng hoặc lợi ích của việc phân tập. Có thể tham khảo ở [2] để biết cáchđể có thể phát đi các dòng dữ liệu độc lập một cách đồng thời qua các mode riêng của một kênh ma trận, trong các điều kiện hiện có. Như khảo sát ở phần trước, ta sẽ ký hiện tín hiệu đến là s(t) và tín hiệu thu là y(t), tín hiệu nhiễu thu được là n(t) và ma trận kênh là là H( ). Ta có ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 12.1.1 SISO Trong các hệ thống một ngõ vào một ngõ ra (SISO), như ở hình 12.2, MT = MR = 1, y(t) và s(t) là các vector 1 x 1, và ma trận kênh H( ) = h cũng là một vector 1 x 1. Dung lượng Shannon chuẩn hóa trong trường hợp này là ( | | ) ( ) Hạn chế của hệ thống SISO là rằng dung lượng của nó tăng rất chậm theo hàm log của SINR. Ngoài ra, hiệu ứng pha đinh có thể tạo ra các các biến thiên lớn về mức công suất tín hiệu, tăng giá trị phương sai. Chỉ có quá trình xử lý ở miền thời gian và miền tần số là có thể còn miền không gian thì được bỏ qua. 12.1.2 SIMO Trong trường hợp này, cả y(t) và h đều là vector MT x 1, trong khi s(t) là vector 1 x 1, như hình 12.3. Các ứng dụng của hệ thống SIMO bao gồm phân tập tín hiệu thu, định dạng búp són, lái búp và lái không. Dung lượng Shannon chuẩn hóa trong trường hợp này là ( ∑| | ) ( ) Tương tự như trường hợp SISO, dung lượng này tăng theo hàm log khi cả MT và SINR đều tăng lên. Tuy nhiên, dung lượng kênh trung bình cao hơn trường hợp SISO. Chất lượng thực tế phụ thuộc vào bản chất của kênh truyền và sự tương quan chéo của các phần tử anten. Khi độ tương quan thấp, hệ thống SIMO sẽ tạo ra một độ lợi phân tập để làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng pha đinh nếu được kết hợp phù hợp [7]. Khi các tín hiệu tới anten có độ tương quan cao (như trong trường hợp định dạng búp sóng), thì hệ thống sẽ tạo ra một độ lợi mảng để giảm hoặc triệt can nhiễu. Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 363 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Hình 12.2 Hệ thống SISO HÌnh 12.3 Hệ thống SIMO 12.1.3 MISO Trong trường hợp này, cả s(t) và h đều là vector MT x 1 và y(t) là một vector 1 x 1, như ở hình 12.4. Độ phân tập phát và quá trình định dạng búp sóng là các chuỗi mẫu đa ngõ ra và một ngõ vào (MISO). Dung lượng kênh chuẩn hóa trong trường hợp chưa biết thông số của kênh truyền (vòng mở) có dạng ( ∑| | ) ( ) Ta có thể thấy rằng SINR được chuẩn hóa bởi MT, và làm công suất tổng cố định. Và rằng không có độ lợi anten mảng nào trong trường hợp này và dung dượng tăng theo hàm mũ với SINR. Giả định rằng các hệ số kênh truyền là ∑| | ( ) Hình 12.4 Hệ thống MISO Qua đó, ta có Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 364 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO ( ) ( ) Thấy rằng, dung lượng không tăng khi số anten phát tăng. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là ta không thể tăng dung lượng bằng cách dùng các hệ thống phân tập phát vòng mở như STTD và STS. Thực tế, ta đã thấy ở Chương 7 rằng STS và STTD cho ra độ lợi phân tập, nó có thể được làm cân bằng để tăng dung lượng. Dung lượng này tăng lên không phải là kết quả của việc tăng số phần tử anten mà thực ra là dựa trên việc tăng SINR để tránh FER hay BLER cho sẵn so với trường hợp SISO. Mặt khác, khi kênh truyền là máy phát, như trường hợp phân tập phát theo vòng kín (TXAA và CLTD), khi đó ta có từ [6] như sau ( ∑| | ) ( ) Khi đó, với các hệ số kênh truyền trong biểu thức (12.5), dung lượng này sẽ bằng ( ) ( ) Điều này phù hợp với các kết quả ở Chương 9, khi nói CLTD tốt hơn STTD. 12.1.4 MIMO Trong trường hợp MIMO, s(t) làm vector , y(t) là vector , và H là ma trận X . Một thiết lập MIMO mẫu được mô tả ở hình 12.5. Cho ma trận kênh là [ ] ( ) Khi không biết về các dữ liệu của máy phát, dung lượng kênh sẽ bằng ( ) ( ) Hình 12.5 Hệ thống MIMO Biểu thức (12.10) có thể viết lại theo [6, 8] như sau ∑ ( ) ( ) Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 365 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Biểu thức (12.11) cho thấy rằng dung lượng kênh của hệ thống MIMO có thể được diễn tả bằng tổng của L kênh SISO hoặc nhiều ống dẫn dữ liệu theo không gian. Để làm tối đa dung lượng kênh truyền MIMO, ta cho một công suất tổng trên kênh truyền cố định y có ‖ ‖ ∑ , H phải trực giao [8] [ ] ( ) Từ đó, dung lượng kênh truyền sẽ tối đa khi ma trận kênh là ma trận chéo (ví dụ, khi các kênh phụ không tương quan, như các kênh phụ độc lập song song). Bất kỳ sự tương quan nào giữa các kênh truyền phụ khác đều cho kết quả là làm tăng hiệu ứng pha đinh và làm giảm dung lượng kênh truyền. Để có được dung lượng kênh rất cao này, ma trận kênh này phảy là ma trận chéo thông qua quá trình xử lý tín hiệu tại bộ thu. Dung lượng này có thể được viết lại thành dạng đơn giản sau ( ) ( ) Hình 12.6 mô tả hệ thống đa anten. Tín hiệu ngõ vào số được cho vào bộ tách nối tiếp sang song song sau khi đã mã hóa điều khiển lỗi và ánh xạ vào các ký hiệu điều chế phức. Bộ tách này tạo ra vài dòng ký hiệu riêng biệt và mỗi ký hiệu sau đó sẽ ánh xạ lên một trong số các anten phát, anten này có thể bao gồm quá trình tạo trọng số của các phần tử anten hoặc gán mã dự đoán anten theo không gian – thời gian. Tại bộ thu, các tín hiệu này được thu bằng nhiều anten và được khôi phục lại sau khi giải điều chế và giải ánh xạ. Đây có thể được xem như là sự mở rộng của ứng dụng anten thông minh thông thường. Sự thông minh của hệ tống đa anten này là ở thuật toán chọn trọng số và có thể cung cấp một tuyến các thông tin đáng tin cậy hơn trong các điều kiện truyền dẫn có hại như can nhiễu và hiệu ứng pha đinh đa đường Hình 12.6 Đa hợp theo không gian với MIMO Hình 12.7 so sánh chất lượng của tất cả 4 hệ thống với SINR và số lượng phần tử anten phát và thu. Đối với trường hợp anten mảng thích nghi (định dạng búp sóng), chỉ có ảnh hưởng của việc tăng độ lợi anten mảng được xem xét trong quá trình so sánh. Chất lượng thực tế sẽ tốt hơn khi áp dụng các khả năng giảm can nhiễu vào. Bảng 12.1 so sánh các kỹ thuật theo không gian khác nhau ở phần trước. Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 366 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO 12.2. Các phương pháp phát tín hiệu Ta thấy rằng có thể tăng chất lượng tín hiệu khi dùng hệ thống MIMO bằng cách dùng nhiều anten phát mà không cần tăng công suất phát, vì nó là phương pháp rất không hiệu quả nếu muốn tránh can nhiễu hoặc tăng hiệu quả sử dụng phổ. Đúng hơn là, trong hệ thống MIMO, có một điều kiện ràng buộc rằng công suất đỉnh Pmax được áp đặt vào mỗi anten phát để tổng công suất tại máy thu là Ptot = MTPmax tương đương với trường hợp một anten phát. Ta có thể cấp phát công suất tổng này qua mọi N mode riêng của kênh truyền trong nhiều hướng khác nhau, miễn là không vượt qua giới hạn công suất mỗi anten và công suất tổng. Các phương pháp thông thường bao gồm water filling, cấp phát công suất đồng nhất, định dạng búp sóng, và lái búp. Hình 12.7 Đồ thị so sánh chất lượng giữa các kỹ thuật không gan khác nhau. Bảng 12.1 Các hệ thống theo không gian đa phần tử Hệ thống MT MR Ví dụ Thuận lợi SISO 1 1 Không phân tập phát hoặc thu Không phân tập SIMO 1 >1 Phân tập thu, định dạng búp sóng, lái búp Phân tập tỉ lệ với MR Tạo độ lợi mảng, giảm can nhiễu bằng phương pháp định dạng búp sóng MISO >1 1 Phân tập phát, định dạng búp sóng, lái búp Phân tập tỉ lệ với MT Tạo độ lợi mảng, giảm can nhiễu bằng phương pháp định dạng búp sóng MIMO >1 >1 Dùng nhiều anten tại cả máy phát và máy thu Phân tập tỉ lệ với tích MR và MT Tạo độ lợi mảng (khi kết hợp phù hợp với việc ước lượng kênh truyền ưu tiên) Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 367 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO 12.2.1. Water Filling Cho một suất phát tổng Ptot = MTPmax. Phương pháp waterfilling sẽ phân bố công suất qua các mode riêng theo cách mà mode nào có phương sai nhiễu thấp nhất sẽ thu được phần tổng công suất lớn nhất. Kỹ thuật cấp phát công suất waterfilling là tối ưu trong điều kiện ràng buộc về công suất tổng. Tuy nhiên, chất lượng sẽ giảm sút khi công suất mỗi anten bị giới hạn. Có thể tham khảo cách cấp phát công suất cho N kênh song song ở phần [9]. 12.2.2. Cấp phát công suất đồng nhất Là phương pháp truyền tín hiệu dùng để cấp phát công suất tổng qua mọi mode. Phương pháp cấp phát công suất đồng nhất này hỗ trợ công suất Ptot /N cho mỗi mode; việc cấp phát công suất tổng này tạo ra công suất bằng nhau tại mỗi anten. Khi số lượng mode nhỏ hơn số anten phát, một tỉ số có thể được dùng để giới hạn lại điều kiện nào đó. Chú ý rằng kết quả sẽ giống như trường hợp công suất cực đại Pmax được cấp phát cho mỗi mode. 12.2.3. Định dạng búp sóng Việc cấp phát công suất cho quá trình định dạng búp sóng sẽ đặt tất cả công suất có thể có lên một mode riêng. Để đạt được dung lượng cần thiết, công suất phát tổng sẽ được gán cho mode riêng tương ứng với trị riêng cao nhất. Do đó, SINR sẽ tối đa trong điều kiện của việc dùng đơn mode. 12.2.4. Lái búp Trong vấn đề truyền dẫn có định dạng búp sóng đã diễn tả, cả biên độ và pha của mode riêng chính đều được dùng tại máy phát. Việc truyền dẫn lái búp cũng đặt công suất tổng lên tia dữ liệu riêng (mode riêng); tuy nhiên, thay vì dùng cả biên độ và pha của mode riêng chính, thì chỉ có thông tin về pha là được dùng. Thông tin về biên độ được loại bỏ bằng cách chuẩn hóa vector riêng chính như là tất cả hệ số của vector có bên độ duy nhất. Để bảo đảm rằng công suất đến mỗi anten phát là Pmax thì một tỉ số bằng với Pmax/Ptot được áp vào. Phương pháp lái búp tốt hơn hết là nên dùng công suất tổng hiện có bằng cách tăng công suất phát theo hướng người dùng mong muốn. Trong vấn đề định dạng búp sóng, tỉ số nhằm bảo đảm cho công suất cao nhất của anten sẽ bằng với giới hạn công suất của mỗi anten, trong khi hệ thống lái búp sẽ ép công suất trên tất cả Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 368 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO anten bằng Pmax, do đó, sẽ cho ra công suất phát tổng cao hơn và SINR hiệu quả cao hơn. 12.3. Các phương pháp MIMO Có vài phương pháp để thực hiện một hệ thống MIMO dựa trên việc có hoặc không có thông tin kênh truyền tại máy phát hay không. Bảng 12.2 là bảng tổng kết lại các hệ thống MIMO khác nhau Ta có thể đạt được chất lượng tốt nhất khi dùng các đầu cuối cố định, vì kích thước anten mảng thu không bị giới hạn nhiều do các điều kiện vật lý. Tốc độ pha đinh chậm, hoặc chính xác hơn là, việc thiếu tính di động sẽ làm ước lượng đúng kênh truyền, do đó sẽ chỉ cần phương pháp CSI cơ sở mà thôi. Hơn nữa, việc dùng các anten có hướng trong anten mảng thu sẽ làm cải thiện chất lượng hơn. Đối với các đầu cuối di động, nhưng thường cố định trong quá trình sử dụng (như laptop), kích thước anten mảng dù sao cũng sẽ bị giới hạn hơn nhưng việc dùng anten thu có hướng vẫn cần thiết hơn. Trong trường hợp này, một phương pháp kết hợp sẽ thích hợp hơn vì ta có thể thay đổi chế độ làm việc một cách tự động (do tính thích nghi) giữa các chế độ là toàn bộ, một phần, hoặc không có CSI. Cuối cùng, đối với các đầu cuối di động, kích thước anten mảng cũng như anten thu sẽ bị giới hạn rất nhiều (như điện thoại di động). Điều này sẽ tạo ra môi trường SINR từ thấp đến trung bình dẫn đến phương pháp CSI cục bộ hoặc full-CSI. Đây là bởi vì khi tính di động cao, tốc độ pha cũng sẽ nhanh, dẫn đến việc ước lượng kênh truyền kém chính xác hơn. Mặc dù tần số hồi tiếp có thể sẽ tăng lên để máy phát có thể ước lượng kênh truyền nhanh hơn sự thay đổi trong kênh này, điều này sẽ làm hiệu quả tăng đáng kể. Bảng 12.2 Các phương pháp MIMO Hệ thống MIMO Pros Cons Applications Máy phát được trang bị thông tin kênh cố định (CSI đủ) Chất lượng tốt nhất Tăng đáng kể khi cần hồi tiếp CSI Đầu cuối cố định Máy phát không có CSI (non CSI) Không yêu cầu hồi tiếp CSI Chất lượng tệ nhất Đầu cuối di động Máy phát có CSI giới hạn (CSI cục bộ) Vẫn cần một CSI hồi tiếp Chất lượng trung bình. Đầu cuối di động xách tay. 12.4. Thuận lợi của MIMO và các vấn đề chính về chất lượng Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 369 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Thuận lợi lớn nhất của hệ thống MIMO là khả năng cung cấp các độ lợi về dung lượng rất lớn trong các điều kiện hiện tại khi so vớ các kỹ thuật theo không gian khác [7, 10- 20]. Trong các hệ thống SIMO/MISO, dung lượng của chúng tăng khoảng 1 bps/Hz khi gấp đôi SINR, trong khi trong hệ thống MIMO, việc gấp đôi tỉ số SNR sẽ tăng dung lượng lên khoảng Nbps/Hz, N = min (MT, MR). Thận lợi khác của hệ thống MIMO là có thể làm tăng tính tin cậy của tuyến thông tin. Khi sự phân tập tăng, xác suất mà một tốc độ dữ liệu cho trước không thể duy trì là ( ) ( ) Với là một hằng số và N là bậc phân tập. Trong một hệ thống SIMO hay MISO, N = MR & MT, một cách tương ứng, trong khi trong hệ thống MIMO N = MR * MT. 12.5. Đặc tính truyền dẫn RF Các thuận lợi về chất lượng của hệ thống MIMO xảy ra khi kênh truyền dẫn RF bị phân tán hoàn toàn (vd: đa đường, pha đinh) chẳng hạn như các ứng dụng không có tầm nhìn thẳng (nonLOS) thường là có độ phân tán tốt. Trong các trường hợp LOS, việc sử dụng anten đối cực có thể bảo quản dung lượng bằng cách bắt nhiều tín hiệu đa đường hơn. Để đạt được tính trực giao ở (12.12), nhằm làm tăng tối đa dung lượng kênh truyền, thì các tín hiệu khi đến mỗi phần tử anten mảng phải không trực giao. Do đó, sự tương quan giữa các phần tử anten mảng có tác động lớn đến chất lượng hệ thống. Như đã thảo luận ở các chương trước, sự tương quan này là một hàm theo khoảng cách của mỗi phần tử anten mảng và độ rộng của góc đến. 12.6. Môi trường SINR Độ lợi của MIMO qua các hệ thống phân tập tăng lên theo SINR, như ở hình 12.7. Hình 12.8 biểu diễn ảnh hưởng của SINR so với chất lượng hệ thống. Ttrong trường hợp hệ thống bị hạn chế do can nhiễu (SINR thấp), độ lợi của MIMO sẽ giảm. Trong các trường hợp đó, các kỹ thuật quản lý can nhiễu được tăng cường, như điều khiển công suất và anten có hướng, có thể được dùng để tăng chất lượng cho một hệ thống MIMO. Ảnh hưởng của SINR lên dung lượng hệ thống MIMO Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 370 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Hình 12.8 Đồ thị so sánh về chất lượng của các kỹ thuật không gian khác nhau tại mức điều chế SINR thấp. Độ lợi về dung lượng của hệ thống MIMO so với hệ thống SISO cũng tăng lên khi SINR tăng. Hình 12.9 biểu diễn trường hợp này, và ta có thể thấy rằng độ lợi bờ cho các SINR sẽ nhỏ hơn 0 dB, nhưng ta có thể đạt được độ lợi đánh kể ở nơi có SINR cao. Ta thấy, khi SINR thì , với N = min(MT, MR), cho rằng công suất tổng tại cả hai hệ thống là như nhau. Có thể thấy điều này ở hình 12.9. Hình 12.10 cũng minh họa về mối quan hệ giữa hệ thống MIMO với chất lượng phân tập thu khi tổng số phần tử anten là giống nhau. Ta có thể thấy rằng MIMO bắt đầu có chất lượng vượt trội hơn phân tập thu khi có SINR cao, trên 10 dB, và độ lợi này tăng khi SINR tăng. Ta có thể tổng kết lại chất lượng của hệ thống MIMO đối với SINR ở bảng 12.3. Hình 12.9 Độ lợi của hệ thống MIMO so với hệ thống SISO 12.7. Đa hợp theo không gian Việc dùng kết hợp anten thu và phát như đã khảo sát ở phần trước sẽ cung cấp các dung lượng mà sẽ tăng tuyến tính theo số phần tử anten. SM trong hệ thống MIMO có Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 371 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO thể được dùng trong các trường hợp yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cao và xác xuất hỏng hóc rất thấp. Các yêu cầu hoạt động cần thiết để đạt được các độ lợi này theo SM có thể được tóm tắt như sau:  Sự phân tán tín hiệu nhiều đáng kể  Tốc độ dữ liệu cao hơn khoảng Doppler cực đại (ví dụ, cho người dùng cố định)  Điều chế cho các SNR cao Hình 12.10 Đồ thị so sánh MIMO và phân tập thu cho 4 anten tổng. Sự so sánh giữa chất lượng hệ thống MIMO và quá trình định dạng búp sóng, phân tập thu, phát được trình bày trong [21, 22]. Độ lợi phân tập phát và việc phát triển dung lượng kênh sẽ tăng khi số phần tử anten hoặc các nhánh phân tập tăng lên nhưng các độ lợi này sẽ giảm bớt nếu quá 4 phần tử [23]. Chất lượng của quá trình định dạng búp sóng sẽ tốt hơn khi tăng số lượng phần tử anten vì độ rộng búp sóng sẽ giảm và độ lợi mảng sẽ tăng lên. Tuy nhiên, khi độ rộng búp sóng giảm nhỏ hơn độ rộng của góc thì sẽ độ lợi sẽ không tăng nữa, có một ngưỡng trên về tốc độ bound ứng với số lượng phần tử anten. Hình 12.11 mô tả điều này, ta có thể thấy rằng trong các macrocell có AS dưới 150, thì ngưỡng trên của tốc độ bound ứng với số lượng phần tử này là 20 khi AS bằng 50 và khoảng 8 khi AS bằng 120. Hình 12.12 mô tả về chất lượng của các phương pháp khác nhau trong chương này. Ta thấy rằng đối với các người dùng có SINR cao (vd: gần trạm gốc), SM sẽ tốt hơn các kỹ thuật khác. Trong trường hợp SINR trung bình, cả quá trình định dạng búp sóng và SM đều có cùng chất lượng, trong khi việc định dạng búp sóng sẽ tốt hơn các kỹ thuật khác nếu người dùng có SNR thấy (vd: tại biên của cell) Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 372 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO Bảng 12.3 So sánh về chất lượng của MIMO Vùng có SINR thấp Vài bậc phân tập. Giảm khả năng mất tín hiệu cần tuyến biên thấp hơn hội tụ tốt hơn Tốc độ dữ liệu trung bình không tăng đáng kể Vùng có SINR từ trung bình đến cao Tốc độ dữ liệu trung bình tăng đáng kể trong hệ thống SIMO (bằng cách khai thác các kênh song song để tăng thông lượng tuyến thông tin). SNR cao thông lượng tăng theo bậc của tuyến thông tin (xem hình 12.9) Phân tập lớn sẽ làm tốc độ dữ liệu trên tuyến ít biến đổi. Hình 12.11 Tốc độ bound trên các phần tử anten cao hơn AS Hình 12.12 MIMO, định dạng búp sóng, và phân tập Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 373 Chương 12 Anten thông minh trong hệ thống MIMO 12.8. Kết luận Các kỹ thuật MIMO đang được đề xuất một cách rộng rãi như là kỹ thuật chính để làm tăng dung lượng kênh của các hệ thống cellular. Kỹ thuật này có thể làm tăng SINR và phát triển phổ một cách hiệu quả bằng cách kích hoạy chế độ truyền đa tia. Để sử dụng đầy để các chức năng có thể này, kỹ thuật MIMO nên được kết hợp với kỹ thuật thích nghi đường truyền, còn được gọi là kỹ thuật mã hóa và điều chế thích nghi, kỹ thuật này có thể ánh xạ giá trị SINR cao vào tốc độ dữ liệu người dùng cao. Đó là lý do tại sao về bản chất lại kết nối MIMO với HSPDA, một kỹ thuật mới và là một phần của 5 đặc điểm kỹ thuật chính của tiêu chuẩn 3GPP WCDMA/UTRA-FDD. HSPDA làm tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa trong một sóng mang WCDMA 5-MHz đạt 14.4 Mbps so với 384 Kbps theo chuẩn thông thường. Kết hợp MIMO với HSPDA sẽ làm tăng tốc độ dữ liệu lên 21.6 Mbps trong củng một băng thông 5-MHz [24]. Mặc dù có thể chỉ có vài ứng dụng di động đòi hỏi tốc độ dữ liệu rất cao này, nhưng động cơ thực tế để dùng MIMO là nhằm tăng lưu lượng của một sector. Trong các mạng WCDMA đã triển khai gần đây, lưu lượng sector thông thường chỉ khoảng 0.9-1 Mbps, sẽ tăng gấp đôi nếu dùng kỹ thuật HSPDA [25]. Việc định dạng búp sóng cố định bằng HSPDA được nghiên cứu ở [26]. Độ lợi về dung lượng có thể tối thiểu là 2.5 khi dùng 4 búp sóng. Điều đó sẽ làm lưu lượng sector phát triển xa hơn bằng HSPDA từ khoảng 2Mbps đến 5Mbps. Và ta biết rằng khi dùng các hệ thống MIMO, lưu lượng sector sẽ có thể tăng cao hơn nữa.