- Trần quốc thuận Kỹ thuật mimo cho hệ thống thông tin di động 4g Chuyên ngành: điện tử -viễn thông luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: pgs.ts đào ngọc chiến Hà nội – 2012 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 1 LỜI CAM ĐOAN Tụi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiờn cứu trong luận văn là kết quả nghiờn cứu trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tỏc giả luận văn Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC Kí HIỆU 3G Third Generation Mobile Communications System Hệ thống thụng tin di động thế hệ ba 3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề ỏn của cỏc đối tỏc thế hệ ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề ỏn thứ 2 của cỏc đối tỏc thế hệ ba 4G Fourth Generation Mobile Communication System Hệ thống thụng tin di động thế hệ bốn ACI Adjacent - Chanel Interference Nhiễu kờnh liền kề AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại DĐ tiờn tiến ARQ Automatic Repeat reQuest Yờu cầu phỏt lặp tự động AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp õm Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi BLAST Bell Labs Layered Space-time architecture Kiến trỳc khụng gian thời gian phõn lớp của phũng thớ nghiệm Bell BPSK Binary Phase Shift Keying Modulation Điều chế khúa dịch pha hai trạng thỏi CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kờnh CSI Channel State Information Thụng tin trạng thỏi kờnh CDF Cumulative Distribution Function Hàm phõn bố tớch lũy CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phõn chia theo mó D-BLAST Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time Mó khụng gian thời gian phõn lớp phũng thớ nghiờm Bell theo đường chộo DOA Direction Of Arrival Tạo bỳp dựa trờn phương tới E-GPRS Enhanced General Packet Radio Service Dịch vụ vụ tuyến gúi tổng hợp cải tiến E-RAN Evolved Radio Access Network Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 3 phỏt triển E- UTRAN Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phõn chia theo tần số GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vụ tuyến GSM EDGE GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vụ tuyến gúi tổng hợp HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yờu cầu phỏt lại tự động lai ghộp HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy cập gúi đường xuống tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy cập gúi tốc độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gúi đường lờn tốc độ cao Inter AS MM Inter Access System mobility Management Ký hiệu cho quản lý di động giữa cỏc hệ thống truy nhập IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP IMT International Mobile Telecommunication Thụng tin di động quốc tế ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa cỏc ký hiệu LTE Long Term Evolution Phỏt triển dài hạn MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu và nhiều đầu ra MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service Dịch vụ quảng bỏ đa phương tiện ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 4 MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bỡnh phương trung bỡnh cực tiểu MRC Maximum Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ cực đại MRRC Maximum Ratio Receive Combiner Kết hợp thu tỉ lệ cực đại MS Mobile Station Trạm gốc NACK Not Acknowledge Khụng cụng nhận nhận OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao PCRF Polcy and Charging Rules Function Chức năng cỏc qui tắc tớnh cước và chớnh sỏch PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch phase QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biờn cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Modulation Điều chế khúa dịch pha cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RX Receiver Mỏy thu SAE System Architecture Evolution Phỏt triển kiến trỳc hệ thống SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu cộng tạp õm SM Spatial Multiplexing Ghộp kờnh khụng gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tớn hiờu trờn tạp õm SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra STBC Space Time Block Code Mó khối khụng gian thời gian STC Space Time Coding Mó hoỏ thời gian khụng gian SVD Singular Value Decomposition Phõn chia giỏ trị đơn SSDT Site Selection Diversity Transmission Truyền dẫn phõn tập lựa chọn trạm Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 5 TD-SDMA Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access Đa truy nhập phõn chia theo mó đồng bộ - phõn chia theo thời gian TX Transmitter Mỏy phỏt UE User Equipment Thiết bị người sử dụng ULA Uniform Linear Array Mảng anten tuyến tớnh đồng nhất UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thụng tin di động toàn cầu URA Uniform Rectangular Array Mảng anten chữ nhật đồng nhất UPE User Plan Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụng UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhập vụ tuyến UMTS UTRAN UMTS Teresstrial Radio Access Mạng truy nhập vụ tuyến UMTS V-BLAST Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time Mó khụng gian thời gian phõn lớp phũng thớ nghiờm Bell theo chiều đứng WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phõn chia theo mó băng rộng WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng tương hợp toàn cầu đối với truy nhập vi ba W-STC Wrapped STC Mó khụng gian thời gian quấn nhau ZF Zero Forcing ẫp buộc về khụng A Biờn độ đỉnh của tớn hiệu vượt trội b Cỏc bớt thụng tin được phỏt bởi nguồn phỏt B Băng thụng tổng BC Băng thụng nhất quỏn Bd Độ rộng băng tần của số liệu hay thụng tin C Dung lượng ES Năng lượng ký hiệu ƒc Tần số trung tõm Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 6 h Vector kờnh hnm Độ lợi kờnh giữa anten phỏt thứ n và anten thu thứ m H Ma trận kờnh Gx+ Ký hiệu cho Gx phỏt triển hay mở rộng Nr Số anten thu Nt Số anten phỏt Ni Độ sõu của bộ đan xen trong mạch mó húa và đan xen Nb Số bỳp sẽ phỏt Nu Số người sử dụng N0 Mật độ phổ cụng suất AWGN (W/Hz) P Cụng suất nrP Xỏc suất lỗi bớt Paverage Xỏc suất lỗi trung bỡnh R1, R2, R3 Tờn của cỏc điểm tham khảo trong mụ hỡnh E-UTRAN Rb Tốc độ bit rc Tỷ lệ mó Rtb Tốc độ bit tổng của hệ thống RS Tốc độ ký hiệu RSource Tốc độ nguồn phỏt SE Dung lượng tức thời Tb Thời gian bit TC Thời gian nhất quỏn T Chu kỳ ký hiệu Tr{} Vết của ma trận X Ma trận điều chế khụng gian thời gian Y Ma trận NbL của cỏc tớn hiệu thu Wx+ Ký hiệu của Wx cú thờm hỗ trợ di động giữa cỏc hệ thống Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 7 Giỏ trị trung bỡnh quõn phương của tớn hiệu thu của từng thành phần Gauss 2 Cụng suất trung bỡnh theo thời gian của tớn hiệu thu của từng thành phần Gauss Biến ngẫu nhiờn của điện ỏp đường bao tớn hiệu thu ∆f Băng thụng súng mang con của hệ thống OFDM η Tạp õm Gauss phức Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 8 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 -So sỏnh thụng số và hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trờn đường xuống và HSDPA. - Bảng 3.1 -Mó húa và chuỗi ký hiệu phỏt cho sơ đồ phõn tạp phỏt hai anten Bảng 3.2 -Định nghĩa cỏc kờnh giữa anten phỏt và anten thu Bảng 3.3 -Ký hiệu cỏc tớn hiệu thu tại hai anten thu Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 9 DANH MỤC CÁC HèNH VẼ Hỡnh 1.1 -Mụ hỡnh kờnh MIMO với Nt anten phỏt và Nr anten thu Hỡnh 1.2 - Mảng tuyến tớnh đồng dạng cú nt phần tử cỏch nhau Hỡnh 1.3 -Dóy truyền dẫn đa anten Hỡnh 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit 2/02N là mật độ phổ cụng suất tạp õm song biờn Hỡnh 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mó khối khụng gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x Hỡnh 2.1 -Mụ hỡnh phỏt triển của mạng TTDĐ từ 2G trở đi Hỡnh 2.2 -Thớ dụ về chuyển đổi trạng thỏi trong kiến trỳc E- UTRAN Hỡnh 2.3 -Trễ mặt phẳng U Hỡnh 2.4 -Kiến trỳc mụ hỡnh B1 của E-UTRAN cho trường hợp khụng chuyển mạng Hỡnh 2.5 -Kiến trỳc mụ hỡnh B2 của E-UTRAN trong đú Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Hỡnh 2.6 -Kiến trỳc mụ hỡnh E-UTRAN theo TR Hỡnh 2.7 -Kế hoạch nghiờn cứu tiờu chuẩn E-UTRAN Hỡnh 2.8 -Lộ trỡnh phỏt triển 3GPP. - Hỡnh 2.9 -Lộ trỡnh phỏt triển cỏc cụng nghệ thụng tin di động lờn 4G Hỡnh 3.1 -Mụ hỡnh kờnh MIMO với Nt anten phỏt và Nr anten thu Hỡnh 3.2 -Phõn chia kờnh pha đinh phẳng MIMO thành cỏc kờnh pha đinh phẳng song song tương đương dựa trờn SVD Hỡnh 3.3 -BER cho cỏc kờnh khụng gian pha đinh phẳng điều chế BPSK trong AWGN Hỡnh 3.4 -Mụ hỡnh SVD MIMO tối ưu Hỡnh 3.5 -Mụ hỡnh phõn tập anten thu kết hợp chọn lọc Hỡnh 3.6 -Mụ hỡnh phõn tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại Hỡnh 3.7 -MRRC hai nhỏnh Hỡnh 3.8 -Sơ đồ phõn tập hai nhỏnh phỏt với một mỏy thu của Alamouti Hỡnh 3.9 -Sơ đồ phõn tập phỏt hai nhỏnh với hai mỏy thu Alamouti Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 10 Hỡnh 3.10 -Cấu trỳc mó STBC Hỡnh 3.11 -Hệ thống phõn tập chọn lọc anten Hỡnh 3.12 -Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phỏt và ba anten thu Hỡnh 3.13 -Thớ dụ về cấu trỳc cỏc mó khụng gian thời gian phõn lớp dử dụng cho phộp kờnh khụng gian. - ..76 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 11 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC Kí HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU LỜI NểI ĐẦU CHƯƠNG I. - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO Tổng quan, khỏi niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO Tổng quan, khỏi niệm về MIMO Ưu điểm MIMO Nhược điểm MIMO Một số khỏi niệm cơ bản trong hệ MIMO Tài nguyờn truyền dẫn Trực giao căn bản: Thời gian, tần số, mó Phõn tỏch khụng gian hay phõn cực Kỹ thụật hướng bỳp súng, bộ tạo bỳp súng Kỹ thụật hướng bỳp súng Bộ tạo bỳp súng Khỏi niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit Cỏc khỏi niệm về phõn tập Phõn tập đa đường Phõn tập vĩ mụ Phõn tập thời gian Phõn tập anten thu Phõn tập anten phỏt CHƯƠNG II. - Tổng quan mạng thụng tin vụ tuyến hiện tại Nghiờn cứu lộ trỡnh tiến tới mạng thụng tin vụ tuyến 3G & 4G của mạng thụng tin vụ tuyến trờn thế giới. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 12 2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiờn cứu phỏt triển E- UTRAN của LTE trong 3GPP Lộ trỡnh tiến tới mạng thụng tin vụ tuyến 3G & 4G của mạng thụng tin vụ tuyến trờn thế giới. - Cỏc tớnh năng chung của E – UTRAN Kiến trỳc mụ hỡnh E- UTRAN Kế hoạch nghiờn cứu phỏt triển E- UTRAN và lộ trỡnh tiến tới 4G Kế hoạch nghiờn cứu phỏt triển E- UTRAN Lộ trỡnh tiến tới 4G Mụ hỡnh MIMO tổng quỏt Cỏc mụ hỡnh hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phõn chia giỏ trị đơn SVD(Singular Value Decomposition Mụ hỡnh hệ thống SVD MIMO Mụ hỡnh hệ thống SVD MIMO tối ưu Dung lượng kờnh SVD MIMO Cỏc mụ hỡnh phõn tập thu Mụ hỡnh phõn tập anten thu tổng quỏt Mụ hỡnh phõn tập anten thu kết hợp chọn lọc Mụ hỡnh phõn tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại Mụ hỡnh phõn tập anten thu kết hợp thu tỷ lệ cực đại với tỏch súng khả giống cực đại (MRRC- Maximum Ratio Receive Combining Cỏc mụ hỡnh phõn tập phỏt Mụ hỡnh phõn tập anten phỏt tổng quỏt Sơ đồ Alamouti hai anten phỏt với M anten thu Mó khối khụng gian thời gian STBC tổng quỏt Thiết kế STBC Mó Alamouti Cỏc STBC bậc cao Hệ thống phõn tập lựa chọn anten thớch ứng Tiền mó húa phõn tập tuyến tớnh Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 13 3.5 Cỏc mụ hỡnh MIMO ghộp kờnh khụng gian W-STC (Wrapped STC: Mó khụng gian thời gian quấn nhau Mụ hỡnh MIMO đa người dựng sử dụng hệ thống truyền chuyển tiếp Mụ hỡnh MIMO sử dụng bộ chuyển đổi kết hợp hai sơ đồ ghộp kờnh và phõn tập CHƯƠNG IV. - KẾT LUẬN Kết luận - Những phần việc mà luận văn đó làm Hướng nghiờn cứu tiếp theo Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 14 LỜI NểI ĐẦU Những năm gần đõy cựng với sự lớn mạnh về nhu cầu sử dụng thụng tin vụ tuyến núi chung và thụng tin di động núi riờng đó thu hỳt nhiều sự quan tõm, nghiờn cứu nhằm phỏt triển hoàn thiện cỏc hệ thống mạng khụng dõy tốc độ cao. - Do đú thỳc đẩy hướng nghiờn cứu phải cải tiến kỹ thuật điều chế nhằm tăng hiệu suất cũng như chất lượng phổ của hệ thống khụng dõy. - Kỹ thuật MIMO trong mạng vụ tuyến gần đõy thực sự nổi bật và nú là mụ hỡnh băng thụng rộng đỏp ứng được thỏch thức trờn, bởi MIMO đỏp ứng được việc truyền tin trờn nhiều kờnh khỏc nhau – việc này sẽ giỳp chỳng ta biểu diễn, mụ phỏng hệ thống dưới dạng ma trận thu gọn và như vậy sẽ hứa hẹn nhiều kỹ thuật xử lý tớn hiệu mới ra đời. - MIMO (Multiple input Multiple output) một cỏch tổng quỏt là hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra. - Trong thụng tin vụ tuyến nú là hệ đa anten phỏt đa anten thu và được ỏp dụng nhằm. - Cỏc tớn hiệu được phỏt đồng thời qua kờnh vụ tuyến trờn cựng một phổ tần và được thu bởi N anten của hệ thống thu. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 15 - Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo bỳp súng và điều khiển hướng phỏt xạ khụng tại cả mỏy phỏt và thu. - Khi truyền qua cỏc kờnh khụng tương quan giữa hệ thống phỏt và thu, tớn hiệu từ mỗi anten phỏt tại vị trớ thu cú sự khỏc nhau về tham số khụng gian. - Hệ thống mỏy thu cú thể sử dụng sự khỏc biệt này để tỏch cỏc tớn hiệu cú cựng tần số được phỏt đồng thời từ cỏc anten khỏc nhau. - Khỏi niệm “phõn tập phỏt/thu” (như ở trờn chớnh là một trong những dạng của mụ hỡnh MIMO) đều được sử dụng cho cỏc hệ thống 3G như WCDMA, CDMA2000. - Đõy cũng là một trong số cỏc lý do tại sao cỏc hệ thống thế hệ 3G như WCDMA lại cung cấp dung lượng, dịch vụ tốt hơn nhiều so với cỏc hệ thống 2G như GSM và IS-95 Hiện nay cỏc tiờu chuẩn vụ tuyến được phỏt triển liờn tục, vỡ thế tương lai sẽ chứa đựng nhiều tăng cường trong cỏc giải phỏp sử dụng nhiều anten. - Một giải phỏp được tiếp nhận cho hệ thống nhiều anten thực tế là cõn nhắc giữa ghộp kờnh phõn tập, nhiễu đa người dựng và lập biểu thụng qua cỏc mụ hỡnh MIMO, mỗi mụ hỡnh này cũng cú những ưu nhược điểm nhất định đũi hỏi phải vừa nghiờn cứu lý thuyết vừa cú triển khai thực tiễn. - Ứng dụng triển khai hệ thống WCDMA và CDMA2000 ở một số Cụng ty Viễn thụng di động mang lại hiệu quả và lợi ớch cho khỏch hàng rất cao, với cỏc ứng dụng truyền thụng hữu ớch như điện thoại truyền hỡnh, định vị và tỡm kiếm thụng tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao. - Trờn thực tế hiện nay cụng nghệ MIMO là Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 16 cụng nghệ nền tảng của hệ thống 3G, 4G và cỏc mạng khụng dõy khỏc (WLAN, WiMax. - Hiện nay trờn thế giới cú rất nhiều sản phẩm của nhiều hóng ứng dụng cho mạng khụng dõy theo chuẩn 802.11a/b/g đó tớch hợp MIMO nhằm tăng tốc độ ( cú thể lờn tới 108Mbps), mở rộng vựng truyền súng, tăng hiệu suất phổ tần, tạo sự tin cậy cao… Trong luận văn này, Tụi nghiờn cứu một số kỹ thuật MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) ứng dụng cho hệ thống thụng tin di động 4G. - Chương II: Xu hướng phỏt triển và lộ trỡnh tiến tới 3G và 4G của mạng thụng tin vụ tuyến trờn thế giới. - Chương III: Một số mụ hỡnh MIMO được đề xuất ỏp dụng trong việc xõy dựng mạng thụng tin thế hệ 4G. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 17 Với năng lực và thời gian hạn chế Luận văn này khụng thể trỏnh khỏi những khiếm khuyết. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 18 CHƯƠNG I. - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO 1.1 Tổng quan, khỏi niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO 1.1.1 Tổng quan, khỏi niệm về MIMO Từ những thập niờn 90 của thế kỷ trước người ta đó cảnh bỏo rằng nhu cầu người dựng mạng vụ tuyến sẽ gia tăng rất mạnh trong cỏc thập niờn tiếp theo, vấn đề đặt ra là làm thế nào cải thiện tốc độ số liệu, chất lượng, dung lượng và độ linh hoạt của hệ thống. - Khi tốc độ truyền số liệu của hệ thống mạng vụ tuyến được cải thiện sẽ đồng nghĩa việc thu hỳt người dựng sử dụng cỏc dịch vụ gia tăng tốc độ cao trờn mạng khỏc ngoài thoại thụng thường như. - Video conferencing - Video surveillance - Streaming video, music - Interactive gaming - Mobile IP - VoIP Cú rất nhiều Viện nghiờn cứu, nhúm nghiờn cứu, phũng thớ nghiệm đó tập trung nghiờn cứu rất sõu sắc về MIMO bởi người ta cho rằng: cụng nghệ MIMO thực sự là nền tảng của hệ thống 3G, 4G và cỏc mạng khụng dõy khỏc. - Khi tớn hiệu vụ tuyến được gửi từ phớa phỏt sẽ phản xạ qua rất nhiều vật thể trong mụi trường truyền súng tạo thành nhiều đường riờng biệt rồi mới tới được phớa thu và ta cú thể tận dụng hiện tượng này làm tăng dung lượng của hệ thống lờn nhiều lần”. - Để tận dụng bú cỏc đường ảo này trong khi truyền Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 19 dữ liệu người ta sử dụng một hệ thống nhiều anten phỏt và nhiều anten thu nhằm phõn tập anten, hệ thống này gọi là MIMO. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 20 Như vậy ta cú thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thụng tin vụ tuyến như sau: “Nếu một hệ thống thụng tin vụ tuyến sử dụng nhiều anten ở cả phớa phỏt lẫn phớa thu thỡ ta gọi nú là một hệ thống MIMO”. - M ỏy phỏtM ỏy thu1TX2TXNtTX1RX2RXNrRX1.1h1,2h1,Nrh Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 21 1.1.2 Ưu điểm MIMO Với tất cả đặc tớnh kể trờn ta cú thể kết luận vắn tắt về cỏc ưu điểm của hệ MIMO như sau. - Do mụi trường tỏn xạ địa phương Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 22 khỏc nhau, cỏc anten được đặt đủ cỏch ly trong khụng gian sẽ tạo ra cỏc kờnh pha đinh hầu như độc lập. - 1.2.4.2 Bộ tạo bỳp súng Quỏ trỡnh tạo bỳp súng thụng thường xõy dựng trờn cơ sở sử dụng mảng anten được ỏp dụng cho cỏc hệ thống thụng tin di đụng thế hệ sau cho cả khỏi niệm mảng anten thớch ứng và mảng anten cố định. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 23 Cỏc tựy chọn tạo bỳp và cỏc khỏi niệm phõn tập phỏt được trỡnh bày ở trờn khỏc nhau ở một số điểm quan trọng. - Cú hai loại tạo bỳp cơ bản: Tạo bỳp dựa trờn phương tới (DOA: Direction of Arrival) hay vật lý và tạo bỳp eigen hay toỏn học Hỡnh 1.2 - Mảng tuyến tớnh đồng dạng cú nt phần tử cỏch nhau 1.2.5 Khỏi niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul Giải phỏp thiết kế modul là giải phỏp trong đú số lượng anten được tăng nhưng gõy ảnh hưởng ớt nhất đến cỏc bộ phận khỏc của hệ thống. - Nguồn phỏt cỏc bit thụng tin b với tốc độ nguồn Rsource. - Từ nguồn này cỏc bit thụng tin được đưa đến mạch mó húa và đan xen. - Ta ký hiệu số ký hiệu phức được phỏt đồng thời trong Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 24 khoảng thời gian một ký liệu là tốc độ ký hiệu: Rs (Rs là số luồng ký hiệu phỏt song song. - Nhược điểm của phương phỏp này là nú làm tăng thờm PAPR (Peak to Average Power Ratio – Tỷ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất) trung bỡnh trong OFDM Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 25 Cỏc kờnh từ 1 đến NMức:Mức cụng suất phỏt:nE22nE2n. - 1.2.7 Cỏc khỏi niệm về phõn tập Trong hệ thống vụ tuyến, kỹ thuật phõn tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà khụng phải gia tăng cụng suất phỏt hay băng thụng. - Phõn tập thu sử dụng nhiều anten thu (phõn tập khụng gian thu. - Phõn tập phỏt sử dụng nhiều anten phỏt (phõn tập khụng gian phỏt. - Chuyển giao mềm (phõn tập vĩ mụ) Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G Phõn tập đa đường Cỏc cụng nghệ CDMA sử dụng trải phổ, vỡ là kờnh băng rộng nờn mỏy thu cú khả năng phõn biệt một số lượng lớn cỏc thành phần đường truyền. - SSDT nhằm giảm nhiễu đến cỏc người sử dụng khỏc trong hệ thống bằng cỏch phõn bổ cụng suất tối ưu hơn trong ụ. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G Phõn tập thời gian Cỏc hệ thống thụng tin di động thế hệ sau đều hỗ trợ giao thức HARQ ( Hybrid Automatic Repeat Request). - Sau đú Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 28 một giải phỏp phõn tập phỏt khụng gian thời gian (STTD) hiệu quả hơn dựa trờn mó khối khụng gian thời gian do Alamouti phỏt triển đó được nghiờn cứu ỏp dụng cho cỏc hệ thống TTDĐ thế hệ sau. - Sơ đồ phõn tập phỏt O-STBC được mụ tả trờn hỡnh 1.5 Hỡnh 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mó khối khụng gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x2. - O-STBC1 2,x x*1 2,x x*2 1,x x Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 29 CHƯƠNG II. - 2.1 Tổng quan mạng thụng tin vụ tuyến hiện tại. - Trong lịch sử hỡnh thành phỏt triển mạng thụng tin vụ tuyến người ta chia thành cỏc thế hệ gọi là G (Generation). - Vào những năm 40 của thế kỷ 20 mạng thụng tin di động ra đời và chỉ ỏp dụng cho nghiệp vụ cảnh sỏt ở băng tần vụ tuyến 2MHz. - Những năm 60 mạng thụng tin di động đó sử dụng lần lượt cỏc băng tần 450MHz và 850MHz với hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với trước đú. - Cú thể núi quỏ trỡnh phỏt triển mạng thụng tin vụ tuyến giai đoạn từ những năm 40-60 được xem như thế hệ 1G. - Thế hệ mạng 2G được hỡnh thành những năm 80 với hệ thống điện thoại di động tiờn tiến (AMPS: Advanced Mobile Phone System) ra đời với cỏc ưu điểm sau. - Hệ thống chống nhiễu kờnh chung CCI (Co - Chanel Interference) và nhiễu Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 30 kờnh liền kề ACI (Adjacent - Chanel Interference) hiệu quả hơn do đú làm tăng dung lượng hệ thống. - Trong mạng thụng tin vụ tuyến 2G, người ta đó thay đổi và tớch hợp thờm cỏc dịch vụ tõn tiến khỏc như WAP, GPRS. - 2.2 Nghiờn cứu lộ trỡnh tiến tới mạng thụng tin vụ tuyến 3G & 4G của mạng thụng tin vụ tuyến trờn thế giới. - 2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiờn cứu phỏt triển E- UTRAN của LTE trong 3GPP Lộ trỡnh tiến tới mạng TT vụ tuyến 3G và 4G đang được tiến hành nghiờn cứu và thực nghiệm triển khai trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trỏch nhiệm cho việc phỏt triển và hài hoà cỏc tiờu chuẩn được phỏt hành của UMTS lờn 4G UTRA Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 31 (WCDMA và TD – SDMA). - 2.2.2 Lộ trỡnh tiến tới mạng thụng tin vụ tuyến 3G & 4G của mạng thụng tin vụ tuyến trờn thế giới. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 33 UTRAN) đến lớp IP trong nỳt biờn của UTRAN (hoặc UE). - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 34 Hiệu suất phổ tần kờnh đường lờn trong E- UTRAN phải gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tớnh theo bit/s/ Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử dụng 2 anten tại nỳt B và 1 anten tại UE cũn E- UTRAN sử dụng 2 anten tại nỳt B và 2 anten tại nỳt UE. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 35 Vựng phủ E- UTRAN phải hỗ trợ linh hoạt cỏc kịch bản phủ súng khỏc nhau trong khi vẫn đảm bảo cỏc mục tiờu đó nờu trong cỏc phần trờn với giả thiết sử dụng lại cỏc đài trạm UTRAN và tần số súng mang hiện cú. - Cỏc hệ thống E- UTRAN phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS, và đảm bảo cỏc yờu cầu sau: (1) tỏi sử dụng cỏc phần tử lớp vật lý: để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng cỏc phương phỏp đa truy cập, mó hoỏ, điều chế cơ bản ỏp dụng cho đơn phương cho cỏc dịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế độ băng thụng của UE cho cỏc khai thỏc đơn phương cho MBMS, (2) thoại và MBMS: giải phỏp E- UTRA cho phộp tớch hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riờng vào cỏc dịch vụ MBMS cho người sử dụng. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 36 Đồng tồn tại và tương tỏc với cỏc 3GPP RAT . - E- UTRAN phải hỗ trợ tương tỏc với cỏc hệ thống 3G hiện cú và với cỏc hệ thống khụng theo chuẩn 3GPP. - Hỡnh 2.4 -Kiến trỳc mụ hỡnh B1 của E-UTRAN cho trường hợp khụng chuyển mạng Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 37 Hỡnh 2.5 -Kiến trỳc mụ hỡnh B2 của E-UTRAN trong đú Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Hỡnh 2.6 -Kiến trỳc mụ hỡnh E-UTRAN theo TR 23.822 Cỏc đường nối và cỏc vũng trũn khụng liờn tục thể hiện cỏc phần tử và cỏc giao diện mới của kiến trỳc E-UTRAN. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 38 2.2.3 Kế hoạch nghiờn cứu phỏt triển E- UTRAN và lộ trỡnh tiến tới 4G. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 39 Hỡnh 2.9 -Lộ trỡnh phỏt triển cỏc cụng nghệ thụng tin di động lờn 4G Trờn hỡnh 2.9 là lộ trỡnh phỏt triển cỏc cụng nghệ thụng tin di động lờn 4G. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 40 CHƯƠNG III. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 41 11h12hrNh1tNTXrNRX1TX2TX1RX2RX Hỡnh 3.1 -Mụ hỡnh kờnh MIMO với Nt anten phỏt và Nr anten thu Ma trận kờnh cho mụ hỡnh MIMO trờn hỡnh 3.1 được biểu diễn như sau rtrrttNNNNNNhhhhhhhhhH Trong đú ta ký hiệu hnm là độ lợi kờnh giữa anten phỏt thứ n và anten thu thứ m. - Quan hệ giữa tớn hiệu đầu vào kờn x và tớn hiệu đầu ra kờnh y được xỏc định như sau rtrtrrttrNNNNNNNNNxxxhhhhhhhhhHyyy Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 42 Ta cú thể viết lại quan hệ vào ra kờnh ma trận NrxNt trong phương trỡnh (3.3) như sau: y= Hx. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 43 Cụng thức tớnh trung bỡnh dung lượng kờnh như sau. - (3.12) -Q là ma trận Wirshart được xỏc định như sau: trtrHHNNNNHHHHQ,, -HH là ma trận chuyển vị Hermitian 3.2 Cỏc mụ hỡnh hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phõn chia giỏ trị đơn SVD(Singular Value Decomposition) 3.2.1 Mụ hỡnh hệ thống SVD MIMO Ta xột một hệ thống truyền dẫn vụ tuyến bao gồm Nt anten phỏt và Nr anten thu như trờn hỡnh 1.3. - Cỏc giỏ trị eigen của HHH được xỏc định như sau: Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 44 0)det. - Trường hợp đặc biệt ta cú Nt anten (3.19) Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 45 phỏt nhưng chỉ cú một anten thu (Nr=1). - Giả sử rằng hệ thống truyền chuyển tiếp ( cũn gọi là hệ cỏc node chuyển tiếp) sử dụng hết tất cả Mr anten để thu và phỏt tớn hiệu. - n1 là nhiễu vector tại hệ thống cỏc node chuyển tiếp. - (3.111) Tớn hiệu thu được tại hệ thống cỏc node chuyển tiếp được xử lý bởi ma trận chuyển tiếp W. - (3.112) Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 78 - Năng lượng tổng truyền đi tới cỏc user tại hệ cỏc node chuyển tiếp được ràng buộc bởi cụng thức rPsE hay rHHHPWIHuuEHTr. - 3.6.2 Hệ thống truyền chuyển tiếp sử dụng SVD. - Ký hiệu vector TMrkkk ],...,[1 Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 79 như vậy bộ tiền mó húa HHVVFF với uMppdiag là năng lượng phỏt của cỏc node phỏt. - Hệ thống truyền chuyển tiếp sử dụng Water- filling. - chớnh là giới hạn dưới của tổng dung lượng của hệ thống. - Gỏn n=1 + tớnh utiruuuMPvPhhr Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 81 tỡm user thứ si thỏa món uUurs,11maxarg. - Mụ phỏng gồm cú: Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 82 - Một kờnh truyền MIMO gồm Mt anten phỏt và Mr anten thu, tại phớa phỏt cú bộ điều chế khụng gian thời gian – bộ này dựng để ỏnh xạ cỏc bit thành cỏc từ mó khụng gian thời gian (space – time codeword. - Giả sử băng thụng truyền nhỏ hơn băng thụng cố định của hệ thống (độ dài T ký hiệu trờn 1 chu kỳ truyền nhỏ hơn chu kỳ cố định của hệ thống. - Điều kiện xỏc suất lỗi là: Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 83. - Mụ hỡnh MIMO tổng quỏt sử dụng bộ điều chế và giải điều chế mó khụng gian thời gian Hỡnh 3.18. - Sơ sồ ghộp kờnh khụng gian thời gian MIMO Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 84 giản húa ta cho T=1 đối với bộ ghộp kờnh khụng gian thời gian. - và: Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 85 )()(2min,2min,2minHdMdHSMtSM tsmMdH2min,2min. - Sơ đồ phõn tập MIMO Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 86 Điểm khỏc biệt thứ nhất: Cỏc ký hiệu được ỏnh xạ tới “chũm” R bits trong mỗi ký hiệu được thay bằng R/Mt bit cho mỗi ký hiệu. - Nhận xột: Khoảng cỏch cực tiểu bỡnh phương Euclidean là một đặc trưng cơ bản của kờnh truyền, trong cả hai sơ đồ ghộp kờnh và phõn tập thỡ hiệu suất kờnh truyền phụ thuộc khụng những vào chất lượng đặc tớnh đường truyền mà cũn phụ thuộc cỏc bộ ghộp kờnh hay phõn tập trong một hệ thống MIMO. - Trần Quốc Thuận Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G 87 CHƯƠNG IV. - KẾT LUẬN Kết luận - Những phần việc mà luận văn đó làm: Trong phần lời núi đầu luận văn: “Kỹ thuật MIMO cho hệ thống thụng tin di động 4G” đó trỡnh bày: Lý do chọn đề tài, mục đớch, đối tượng và phạm vi nghiờn cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - luận văn cũng nờu ưu, nhược điểm chớnh của hệ thống MIMO. - Luận văn nghiờn cứu xu hướng phỏt triển và lộ trỡnh tiến tới 3G và 4G của mạng thụng tin vụ tuyến trờn thế giới
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt