Tài liệu 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 c...
14 trang |
Chia sẻ: hunglv | Lượt xem: 1527 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Anten thông minh trong hệ thống MIMO, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 19_Chuong 12.pdf