Bài giảng Hệ thống mimo

BÀI GIẢNG MÔN HỌC THÔNG TIN VÔ TUYẾN NÂNG CAO NỘI DUNG: KHOA VIỄN QTĐT-SĐH 1. Giíi thiÖu 2. M« h×nh kªnh SVD MIMO 2.1 X©y dùng m« h×nh kªnh SVD MIMO 2.2 M« t¶ 3. Dung l­îng kªnh SISO-SIMO-MIMO 3.1 Dung l­îng kªnh tèi ­u. 3.2 Dung l­îng kªnh cËn tèi ­u (SubOptimal) 4. Gi¶i thuËt vµ m« pháng 4.1 Gi¶i thuËt m« pháng 4.2 KÕt qu¶ m« pháng 5. KÕt luËn MIMO VÀ PHÂN TẬP Các sơ đồ MIMO được xây dựng trên hai kỹ thuật: Phân tập không gian thời gian Ghép kênh không gian MIMO VÀ PHÂN TẬP Khái niệm phân tập: Phân tập là kỹ thuật truyền dẫn trong đó thông tin được truyền đồng thời trên nhiều đường độc lập để đạt được độ tin cậy truyền dẫn cao. Các kỹ thuật phân tập: Phân tập thời gian: Bằng cách mã hóa và đan xen, trong đó thông tin được mã hóa và được truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khác nhau sao cho từng phần của từ mã chỉ bị ảnh hưởng của các phađinh độc lập. Phân tập không gian: Dùng nhiều anten phát và/hoặc anten thu được đặt đủ cách xa nhau sao cho đảm bảo tính độc lập giữa các đường truyền dẫn. Ghép kênh không gian: Dùng nhiều anten phát/thu cho phép tăng dung lượng nhờ truyền đồng thời nhiều luồng song song trên các anten khác nhau. Khái niệm MIMO Tùy thuộc vào số lượng anten phát, anten thu, phân cực và các chế độ của anten, các hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân chia thành: SISO (Single input single output):hệ thống chỉ có một anten phát, một anten thu SIMO (Single input multi output): Hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu MIMO (multi output multi output): Hệ thống có nhiều anten phát và nhiều anten thu. Sự khác nhau giữa SISO và MIMO được thể hiện trên hình 1. M và M-1 phải được thiết kế để đảm bảo đạt được hiệu năng tối ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tin cậy) với độ phức tạp cho phép H 1 Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộ điều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế như trên hình 2 và 3. H 2 Phân loại sơ đồ MIMO H 3 Phân loại sơ đồ MIMO Sơ đồ ghép kênh không gian BLAST H 5 Sơ đồ tổng quát kênh MIMO H 11 Các hàm kênh MIMO Đáp ứng xung kim kênh SISO Đáp ứng xung kim kênh MIMO Mô hình elip của Parsons và Bajwa Mô hình hóa kênh vô tuyến di động Mô hình đường trễ đa nhánh Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian Đặc tính kênh vô tuyến di động Tính phụ thuộc thời gian Tính phụ thuộc tần số Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ Các đường truyền khả phân giải Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp Mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler Sơ đồ phân tập thu với kết hợp thu tỷ lệ cực đại MRRC MIMO VÀ PHÂN TẬP Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu M« h×nh kªnh MIMO SVD SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận kênh H Trong đó U và V là các ma trận nhất phân, “h” là chuyển vị Hermitian và U.UH = UH.U = I V.VH = VH.V = I N = min(nr,nt) M« hinh hãa m¸y ph¸t M« hinh hãa nhiÔu vµ t¹p ©m M« hinh hãa m¸y thu M« hinh hãa m¸y thu Dung l­îng kªnh SISO-SIMO-MIMO §Þnh lý dung l­îng kªnh truyÒn: Dung l­îng kªnh cã ®é réng b¨ng B (Hz), bÞ nhiÔu lo¹n bëi t¹p ©m Gaussian tr¾ng céng AWGN cã mËt ®é phæ c«ng suÊt N0/2 vµ bÞ giíi h¹n b¨ng th«ng B, ®­îc cho bëi Trong ®ã P lµ c«ng suÊt ph¸t trung b×nh Dung l­îng kªnh SISO Dung l­îng kªnh SISO ®­îc viÕt l¹i Do kªnh v« tuyÕn pha®inh ngÉu nhiªn vµ thay ®æi theo thêi gian nªn dung l­îng kªnh cã thÓ ®­îc viÕt lµ H lµ biªn ®é kªnh Gausian phøc c«ng suÊt ®¬n vÞ kÝch th­íc 1x1 Dung l­îng kªnh SIMO ThÊy râ, dung l­îng cña kªnh SIMO ®­îc c¶i thiÖn so víi kªnh SISO . ViÖc t¨ng dung l­îng do ph©n tËp kh«ng gian lµm gi¶m pha®inh vµ c¶i thiÖn SNR. Tuy nhiªn c¶i thiÖn SNR bÞ h¹n chÕ v× SNR t¨ng ë bªn trong hµm log Dung l­îng kªnh MIMO: m anten phat vµ n anten thu ThÊy râ, ­u ®iÓm cña hÖ thèng MIMO vÒ dung l­îng. Khi n=m=N th× HHH/N tiÕn ®Õn IN v× vËy dung l­îng tiÖm cËn ®Õn Dung l­îng t¨ng tuyÕn tÝnh theo sè anten ph¸t Gi¶i ph¸p dung l­îng kªnh MIMO Kªnh tÜnh Dung l­îng kªnh MIMO víi CSIT & CSIR Dung l­îng kªnh MIMO víi CSIR & noCSIT ý t­ëng chñ ®¹o lµ chän ui mét c¸ch thÝch øng ®Ó gi¶m thiÓu lçi trung b×nh qu©n ph­¬ng MSE Tr­êng hîp 1: C¶ nhiÔu vµ t¹p ©m lµ mét chuçi c¸c vector ngÉu nhiªn Gaussian iid Dïng c¸c chuyÓn ®æi kh¶ ®¶o V vµ U chuyÓn hÖ thèng thµnh nhiÒu kªnh AWGN song song Dung l­îng d­íi ®iÒu kiÖn h¹n chÕ c«ng suÊt trung binh Tr­êng hîp 2: Rww kh«ng ph¶i lµ béi cña ma trËn ®¬n vÞ NghiÖm cho ma trËn ®Þnh d¹ng m¸y thu ChiÕn l­îc ph¸t cËn tèi ­u ®¬n gi¶n Gi¶i thuËt LMS: Thùc hiÖn qu¸ tr×nh lÆp Gi¶i thuËt vµ m« pháng C¸c kÕt qu¶ m« pháng B¸m nghiÖm MMSE Khi chiÕn l­îc ph¸t ®¬n gi¶n kÕt hîp víi ®Þnh d¹ng m¸y thu MMSE cho ta hiÖu n¨ng gÇn víi hiÖu n¨ng tèi ­u nÕu b¸m nghiÖm MMSE. V× vËy, cÇn ph¶i kiÓm tra kh¶ n¨ng b¸m cña c¸c gi¶i thuËt thÝch øng khi nghiÖm thay ®æi theo thêi gian d­íi d¹ng dung l­îng kªnh. M« pháng cho tr­êng hîp: 1. Ma trËn ®é lîi kªnh H thay ®æi do pha®inh. 2. Ma trËn ®é lîi nhiÔu HI thay ®æi do pha®inh. Tr­êng hîp 1: C¸c thùc thÓ cña H lµ c¸c qu¸ trinh pha®inh Rayleigh ®éc lËp víi ®é lîi trung binh ®¬n vÞ vµ tÇn sè Doppler fD = 40 Hz. Kh«ng cã nguån nhiÔu ngoµi (HI=0). T¹p ©m m¸y thu cã ph­¬ng sai lµ C«ng suÊt ph¸t tæng TÇn sè lÊy mÉu lµ 2048Hz. KÕt qu¶ m« pháng khi m=2 vµ n=4: HiÖu n¨ng b¸m cña gi¶i thuËt LMS lµ kÐm h¬n Lý do: Tèc ®é héi tô cña gi¶i thuËt LMS phô thuéc trùc tiÕp vµo sè l­îng ®iÒu kiÖn cña ma trËn t­¬ng quan Khi m=2 vµ n=2 thi thµnh phÇn cã h¹ng ®Çy ®ñ lµ 2 vµ cã sè ®iÒu kiÖn võa ph¶i. Vi vËy, tÝnh héi tô cña gi¶i thuËt LMS t­¬ng ®èi nhanh Khi m=2 vµ n=4 thi thµnh phÇn Cã sù lÖch lín gi÷a c¸c gi¸ trÞ riªng trong Ryy dÉn ®Õn nhiÒu ®iÒu kiÖn h¬n vµ hiÖu n¨ng b¸m chËm h¬n. T¨ng sè anten thu th× nghiÖm MMSE trë nªn thay ®æi theo thêi gian h¬n vµ nhËy c¶m víi c¸c thay ®æi trong kªnh h¬n. Tr­êng hîp 2: H lµ ngÉu nhiªn nh­ng ®­îc cè ®Þnh trong mçi m« pháng. HI lµ qu¸ tr×nh pha®inh Rayleigh ®éc lËp cã c¸c ®é lîi ®¬n vÞ trung b×nh vµ tÇn sè Doppler fD: 40 Hz. Sè nguån nhiÔu: K=2 Sè anten ph¸t: m=2 Sè anten thu: n=4 C«ng suÊt ph¸t tæng lµ: 1 C«ng suÊt cña mçi nguån nhiÔu lµ: 1/2 Ph­¬ng sai t¹p ©m t¹i mçi anten thu lµ: 0,02 PhÇn néi dung: Dung l­îng: Rót ra dung l­îng kªnh víi ®iÒu kiÖn nhiÔu vµ t¹p ©m ®Òu lµ Gaausan. Chän c¸c ma trËn U vµ V sao cho t¹o c¸c kªnh AWGN song song vµ ®éc lËp. ChØ kh¸c lµ phai giai t­¬ng quan nhiÔu vµ t¹p ©m tr­íc khi ®Þnh d¹ng m¸y thu U. ­íc tÝnh vµ cËp nhËt: viÖc tÝnh to¸n vµ cËp nhËt c¸c ­íc tÝnh ®ñ chÝnh x¸c cho c¸c ma trËn U vµ V tèi ­u lµ rÊt khã khan ®Æc biÖt khi kªnh thay ®æi theo thêi gian. Tuy nhiªn NÕu dïng ma trËn V tèi ­u thi nghiÖm MMSE vµ c¸c ma trËn ®Þnh d¹ng m¸y thu ®¹t dung l­îng kªnh vÒ c¬ ban lµ nh­ nhau. D©y lµ kÕt qua rÊt hÊp dÉn vi c¸c giai thuËt thÝch øng ®Ó b¸m nghiÖm MMSE. Tuy nhiªn, viÖc cËp nhËt ma trËn tiÒn m· hãa V vÉn rÊt khã thùc hiÖn. Vi vËy, giíi thiÖu gi¶i ph¸p b»ng c¸ch dïng mét chiÕn l­îc ph¸t ®¬n gi¶n nhÊt cã thÓ, mçi kªnh kh«ng gian ph¸t trªn anten riªng cã c«ng suÊt b»ng nhau. Sau ®ã th«ng qua m« pháng cho thÊy khi dïng gi¶i ph¸p nµy kÕt hîp víi viÖc ®Þnh d¹ng m¸y thu MMSE nhËn ®­îc kÕt qu¶ ®¸ng ng¹c nhiªn gÇn víi dung l­îng kªnh tèi ­u khi sè l­îng anten thu ®ñ lín. Qua m« pháng cho thÊy kh¶ nang b¸m cña gi¶i thuËt LMS theo nghiÖm MMSE theo dung l­îng kªnh. Theo ®ã, thùc hiÖn kiÓm tra kh¶ nang b¸m cña gi¶i thuËt nµy b»ng hai m« pháng riªng trong ba ®iÒu kiÖn riªng biÖt sau: (i) H lµ qu¸ trinh pha®inh Rayleigh; (ii) HI lµ qu¸ trinh pha®inh Rayleigh. Nãi chung LMS lµm viÖc tèt vµ n¬i tÝnh héi tô cña nã lµ qu¸ chËm khi b¸m theo nghiÖm MMSE mµ kh«ng lµm suy gi¶m ®¸ng kÓ dung l­îng. CÇn cã gi¶i thuËt cã kh¶ nang b¸m nhanh h¬n gi¶i thuËt LMS. Ch­¬ng tr×nh m« pháng ®­îc x©y dùng cã tÝnh Modul cho phÐp, c¶i tiÕn, ph¸t triÓn, n©ng cÊp sau nµy. Do cã tÝnh Modul nªn thuËn lîi cho viÖc kiÓm tra, ®¸nh gi¸ kh¶o s¸t tÝn hiÖu trong m« h×nh ë d¹ng rêi r¹c vµ liªn kÕt. C¸c kÕt qu¶ m« pháng cho phÐp ®¸nh gi¸ kh¶o s¸t d¹ng tÝn hiÖu t¹i c¸c ®iÓm trong m« h×nh hÖ thèng còng nh­ c¸c ¶nh h­ëng c¸c th«ng sè c¬ ®Æc tr­ng. PhÇn ch­¬ng tr×nh m« pháng: Khái niệm MIMO Tùy thuộc vào số lượng anten phát, anten thu, phân cực và các chế độ của anten, các hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân chia thành: SISO (Single input single output):hệ thống chỉ có một anten phát, một anten thu SIMO (Single input multi output): Hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu MIMO (multi output multi output): Hệ thống có nhiều anten phát và nhiều anten thu. Sự khác nhau giữa SISO và MIMO được thể hiện trên hình 1. M và M-1 phải được thiết kế để đảm bảo đạt được hiệu năng tối ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tin cậy) với độ phức tạp cho phép H 1 Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộ điều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế như trên hình 2 và 3. H 2 Phân loại sơ đồ MIMO H 3 Phân loại sơ đồ MIMO Sơ đồ ghép kênh không gian BLAST H 5 Sơ đồ tổng quát kênh MIMO H 11 SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận kênh H Mô hình kênh SVD MIMO H 12 Mô hình kênh SVD tối ưu H 13 Dung lượng kênh Hiệu năng kênh MIMO Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Hiệu suất sử dụng phổ tần Hiệu năng MIMO