Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO ALAMOUTI

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO ALAMOUTI

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

2.2.1 Hệ thống SISO

Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một

anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ

điều chế, giải điều chế.

Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật

truyền dẫn vô tuyến cá nhân như WIFI hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống tùy

thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu xác định theo công thức Shanon :

C = log2(1+SNR) bit/s/Hezt



(2.1)



2.2.2 Hệ thống SIMO

Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn

lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu gọi là hệ

thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ

các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thơng qua các giải thuật

beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết

thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu,

xấp xỉ theo biểu thức :

C = log2(1+N.SNR) bit/s/Hezt



(2.2)



2.2.3 Hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu gọi là hệ thống MISO. Hệ

thống này có thể cung cấp phân tập phát thơng qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải

thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng

bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng

theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công

thức:

C = log2(1+N.SNR) bit/s/Hezt



(2.3)



2.2.4 Hệ thống MIMO

MIMO là hệ thống sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền với nhiều

anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát .



20



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

Khi thông tin kênh truyền được biết ở cả hai nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể

cung cấp độ lợi phận tập cao và độ ghép kênh cực đại, dung lượng của hệ thống

trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo biểu thức :

C = log2(1+NTNR .SNR) bit/s/Hezt



(2.4)



Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO

2.3 Kỹ thuật phân tập

Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế

ảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần

phải tăng công suất phát hay băng thông.

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian,

phân tập khơng gian (phân tập anten). Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang

rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu

quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống,

giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thơng tần số - một

yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng

một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng thơng tin như nhau

nhưng ít có sự tương quan về fading. Tín hiệu thu là sự kết hợp hợp lý của các

phiên bản tín hiệu khác nhau, chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với

từng phiên bản riêng lẻ.

2.3.1 Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể được thực hiện bằng cách phát các tin giống nhau

trong các khe thời gian khác nhau, điều này tạo ra các tín hiệu bị fading khơng

21



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

tương quan ở máy thu. Thời gian kết hợp là phép đo thống kê của chu kỳ q trình

kênh fading tương đương. Mã hóa điều khiển lỗi được sử dụng nhiều trong các hệ

thống thông tin số. Trong thơng tin di động mã hóa điều khiển lỗi kết hợp với hoán

vị để thực hiện phân tập thời gian. Trong trường hợp này các bản sao của tín hiệu

phát được truyền tới máy thu ở dạng thơng tin dư do mã hóa điều khiển lỗi. Khoảng

thời gian giữa các bản sao của tín hiệu phát được tạo ra bằng cách hoán vị thời gian

để thu được fading độc lập ở đầu ra của bộ giải mã. Do hoán vị thời gian nên tạo ra

trễ giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả với môi trường fading nhanh hay thời

gian kết hợp kênh nhỏ. Với kênh fading chậm một bộ hốn vị lớn có thể tạo ra trễ

đáng kể, điều này khơng thích hợp với các ứng dụng nhạy cảm với trễ như truyền

thoại. Ràng buộc này loại trừ phân tập thời gian cho một vài hệ thống di động. Ví

dụ khi máy vơ tuyến di động đứng n thì phân tập thời gian khơng thể giảm fading

. Một trong các hạn chế của phương pháp này là do dư thừa trong miền thời gian

nên tạo ra thất thoát trong hiệu quả băng tần.

2.3.2 Phân tập tần số

Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để phát cùng một tin. Các tần

số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với

các tần số còn lại. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số gây ra tổn thất

hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số.

2.3.3 Phân tập không gian (phân tập anten)

Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong thông tin siêu cao tần không

dây. Phân tập khơng gian còn được gọi là phân tập anten. Đó là một kỹ thuật điển

hình sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắp xếp với khoảng cách phù

hợp để tín hiệu trên các anten độc lập. Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ

cao anten, môi trường truyền và tần số. Khoảng cách điển hình thường khoảng vài

bước sóng là đủ để đảm bảo các tín hiệu không tương quan. Trong phân tập không

gian các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền

không gian. Không như phân tập tần số và phân tập thời gian, phân tập không gian



22



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

không gây tổn thất trong hiệu quả băng tần. Đặc tính này rất thích hợp với thông tin

không dây trong tương lai.

Phân tập phân cực và phân tập góc là hai dạng của phân tập khơng gian. Trong

phân tập phân cực tín hiệu phân cực đứng và tín hiệu phân cực ngang được phát

bằng hai anten phân cực khác nhau. Sự khác nhau về phân cực đảm bảo hai tín hiệu

khơng tương quan mà không phải đặt hai anten ở cách xa nhau. Phân tập góc được

sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóng mang trên 10 GHz. Trong trường

hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán cao trong khơng gian nên các tín hiệu thu

từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau. Từ đó hai hay nhiều anten định hướng

để thu từ các hướng khác nhau ở máy thu sẽ tạo ra bản sao tín hiệu phát không

tương quan.

Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu ta phân loại phân tập

không gian thành phân tập phát và phân tập thu. Trong phân tập thu, nhiều anten

được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao

của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading đa đường. Trong phân

tập phát, nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát. Tin được xử lý ở máy phát

và sau đó được truyền chéo qua các anten.

Trong thực tế các hệ thống thơng tin để đảm bảo nhu cầu thì 2 hoặc nhiều sơ

đồ phân tập thường được kết hợp lại tạo ra phân tập nhiều chiều. Ví dụ trong hệ

thống di động tế bào GSM nhiều anten thu ở trạm gốc được dùng kết hợp với hốn

vị và mã hóa điều khiển lỗi để tận dụng cả phân tập thời gian và khơng gian (mã

hóa khơng gian-thời gian STC).

Có 3 loại mã hóa khơng gian - thời gian là :

- Mã hóa khơng gian – thời gian khối STBC (Space-time Block Code)

- Mã hóa khơng gian – thời gian lưới STTC (Space-time Trellis Code)

- Mã hóa khơng gian – thời gian lớp BLAST (Bell-Lab Layered Space -Time).

Trong chương này ta sẽ tập trung vào mã hóa khơng gian – thời gian khối

STBC vì STBC được mã hóa và giải mã một cách đơn giản nhờ vào các giải thuật

xử lý tuyến tính, vì vậy phù hợp với các ứng dụng thực tế.

23



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu

Đặc điểm then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất để tất cả các

phiên bản của tín hiệu bị nhiều fading (deep fading) là rất thấp. Tổng quát, BER của

hệ thống dùng kỹ thật phân tập phụ thuộc vào cách mà các phiên bản của tín hiệu

kết hợp lại tại nơi thu để làm tăng SNR. Vì thế, các dạng phân tập có thể phân loại

theo phương pháp kết hợp được sử dụng tại nơi thu. Tùy thuộc vào độ phức tạp và

mức thông tin trạng thái kênh truyền CSI yêu cầu bởi phương pháp kết hợp tại nơi

thu, có bốn loại chính là : kết hợp lựa chọn (Selection combining), kết hợp chuyển

nhánh SC (Switching combining), kết hợp theo cùng độ lợi EGC (Equal Gain

Combining) và kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất MRC (Maximum Ratio Combining).

2.4.1 Kết hợp lựa chọn

Kết hợp lựa chọn là một phương pháp kết hợp phân tập đơn giản. Xét một hệ

thống phân tập thu với nR ăng-ten thu. Sơ đồ khối của phương pháp kết hợp lựa

chọn được cho trong hình 2.3. Trong một hệ thống như thế này, tín hiệu có tỉ số tín

hiệu trên tạp âm (SNR) tức thời lớn nhất tại mỗi khoảng thời gian tồn tại symbol

được chọn ở đầu ra, vì thế SNR đầu ra bằng với SNR tốt nhất của tín hiệu đầu vào.

Trong thực tế, tín hiệu có tổng cơng suất tín hiệu và tập âm S+N lớn nhất thường

được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR.



Hình 2.3 Phương pháp kết hợp lựa chọn

2.4.2 Kết hợp chuyển nhánh (SC)

Trong một hệ thống phân tập kết hợp chuyển mạch (được cho trong hình 2.4),

máy thu quét tất cả các nhánh phân tập và chọn một nhánh có SNR lớn hơn một

24



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

ngưỡng định trước.Tín hiệu này được chọn như là đầu ra, tới khi SNR của nó bị rớt

xuống dưới ngưỡng. Khi điều này xảy ra, máy thu bắt đầu quét lại và chuyển tới

nhánh khác. Phương pháp này còn được gọi là phân tập quét.

So sánh với phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch kém hơn vì nó khơng

liên tục chọn tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên nó thực hiện đơn giản hơn vì nó

khơng u cầu phải theo dõi liên tục và tức thời các nhánh phân tập. Với cả hai

phương pháp phân tập lựa chọn và chuyển mạch, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một trong

những nhánh phân tập. Hơn nữa, chúng không yêu cầu phải biết bất kỳ trạng thái

thông tin kênh nào. Vì vậy, hai phương pháp này có thể được sử dụng tốt với cả hai

phương pháp điều chế kết hợp và khơng kết hợp.



Hình 2.4 Phương pháp kết hợp chuyển mạch

2.4.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC)

Kết hợp tỉ lệ tối đa là một phương pháp kết hợp tuyến tính. Trong xử lý kết

hợp tuyến tính tổng quát, các tín hiệu vào khác nhau được nhân các trọng số khác

nhau và được cộng lại với nhau và cho ra một tín hiệu đầu ra. Các hệ số trọng số có

thể được chọn theo vài cách.

Hình 2.5 cho ta sơ đồ khối của một phương pháp phân tập kết hợp tỉ lệ tối đa.

Tín hiệu đầu ra là kết hợp tuyến tính của các bản sao của tất cả các tín hiệu thu đã

nhân trọng số.

25



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

Phương pháp này được gọi là phương pháp kết hợp tối ưu vì nó có thể tối đa

hóa được SNR đầu ra. Nó cũng chỉ ra rằng SNR đầu ra lớn nhất bằng tổng các SNR

tức thời của các tín hiệu riêng biệt.Trong phương pháp này, mỗi tín hiệu riêng biệt

phải được đồng pha, nhân trọng số với biên độ tương ứng của nó sau đó được tổng

hợp lại.



Hình 2.5 Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa

2.4.4 Kết hợp đồng độ lợi (EGC)

Kết hợp đồng độ lợi là một phương pháp gần tối ưu nhưng là phương pháp kết

hợp tuyến tính đơn giản. Nó khơng u cầu ước lượng biên độ pha đinh cho mỗi

nhánh riêng biệt.

Trong cách này, tất cả các tín hiệu thu được đồng pha và sau đó được cộng với

nhau với cùng một độ lợi. Phương pháp kết hợp đồng độ lợi chỉ kém hơn một chút

so với phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa. Độ phức tạp của phương pháp kết hợp đồng

độ lợi giảm đi đáng kể so với phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa.

2.5 Mơ hình hệ thống MIMO tổng qt

Mơ hình kênh MIMO tổng qt gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh

họa trong hình 2.6.

26



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti



Hình 2.6 Mơ hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

Ma trận kênh H cho mơ hình MIMO được biểu diễn như sau :

(2.5)

Trong đó :

hnm là đáp ứng kênh truyền giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.

Giả sử : là dữ liệu phát

là dữ liệu thu

là tạp âm Gauss trắng phức của Nr máy thu

T là ký hiệu phép tốn chuyển vị.

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi

biểu thức sau :

(2.6)

Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận Nr x Nt trong phương trình (2.6)

như sau:

y= Hx+η

Trong chương này ta sẽ xét sơ đồ MIMO điển hình : sơ đồ phân tập Alamouti

(hay MIMO Alamouti).

2.6 Mã hóa khơng gian-thời gian khối STBC

STBC thực hiện mã hóa một khối kí tự đầu vào thành một ma trận đầu ra với

các hàng tương ứng với các anten phát (không gian) và cột tương ứng với thứ tự

phát (thời gian).

27



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

2.6.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu



Hình 2.7 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu

Sơ đồ Alamouti được thiết kế cho hai anten phát, tuy nhiên có thể tổng quát

hóa cho nhiều hơn hai anten.

Với fadinh phẳng, sử dụng hai anten phát và một anten thu, có thể viết kênh

thu đơn như sau:

(2.7)

Trong đó, hn là độ lợi kênh truyền từ anten phát n, k là chỉ số biểu thị thời

điểm phát. Sơ đồ Alamouti phát hai ký hiệu phức x 1 và x2 trên hai thời gian ký hiệu

trên hai anten 1 và 2 như sau: tại thời điểm k, x 1(k) = x1 và x2(k) = x2; tại thời điểm

k+1 : x1(k+1) = -x2* và x2(k+1) = x1*

Nếu coi rằng độ lợi kênh truyền không đổi trong thời gian hai ký hiệu và đặt

h1 = h1(k) = h1(k+1), h2 = h2(k) = h2(k+1), khi này có thể viết ma trận vào dạng sau:

28



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti

(2.8)

Có thể viết lại phương trình trên vào dạng sau:

(2.9)

Nhận thấy cột của ma trận chữ nhật trong phương trình trên trực giao với

nhau. Vì thế nhiệm vụ tách sóng x 1 và x2 được chia thành hai nhiệm vụ vô hướng

trực giao.

Sơ đồ Alamouti làm việc cho tất cả các kiểu chùm ký hiệu x 1, x2 khác nhau,

tuy nhiên để đơn giản, ở đây chỉ xét BPSK với truyền 2 bit trong thời gian hai ký

hiệu.

Hình 2.7 cho trình bày sơ đồ Allamouti hai anten phát và một anten thu với 3

chức năng sau:

 Mã hóa và chuỗi các ký hiệu phát tại máy phát

 Sơ đồ kết hợp tại máy thu

 Quy tắc quyết định khả năng giống cực đại

2.6.1.1 Mã hóa và chuỗi phát

Trong khoảng thời gian cho trước một ký hiệu, hai ký hiệu được truyền đồng

thời từ hai anten phát.

Ký hiệu tín hiệu phát từ anten một là x1(k)=x1 và tín hiệu phát từ anten hai là

x2(k)=x2. Trong thời gian ký hiệu tiếp theo, x 1(k+1) = được phát đi từ anten một và

x2(k+1)=được phát đi từ anten hai.

Ký hiệu h1(k) và h2(k) là độ lợi kênh truyền cho đường truyền từ anten phát

1 và đường truyền từ anten phát 2 tại thời điểm k. Giả thiết fading không đổi trong

thời gian hai ký hiệu phát, có thể viết:



(2.10a)

(2.10b)

Ta có thể viết các biểu thức sau cho các ký hiệu thu:



29



Chương 2 : Hệ thống MIMO Alamouti



(2.11)

Trong đó y1 và y2 là ký hiệu cho các tín hiệu thu tại thời điểm k và k+1, và là

các biến ngẫu nhiên phức thể hiện tạp âm có phân bố Gauss.

Từ (2.10), có thể viết lại phương trình (2.11) vào dạng sau:



(2.12)

Trong đó:



là vector thu.



(2.13)

là ma trận kênh truyền tương đương.





2.6.1.2 Sơ đồ kết hợp (combiner)

Giả thiết máy thu hoàn toàn biết được trạng thái kênh truyền. Bộ kết hợp

thực hiện nhân bên trái vector thu y với ma trận chuyển vị Hermitian H H để được :



=

=



(2.14)



Sử dụng khai triển (2.14), được các ước tính của các ký hiệu x 1 và x2 như

sau:

(2.15a)

(2.15b)

Bộ kết hợp trên hình tạo ra hai ký hiệu kết hợp và gửi chúng đến bộ quyết

định khả giống cực đại.

2.6.1.3 Quy tắc quyết định khả năng giống cực đại (ML)

Từ hai tín hiệu đầu ra bộ kết hợp, bộ tách sóng khả giống cực đại sẽ chọn ra

hai tín hiệu ước tính x1 và x2 sao cho:

30



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO ALAMOUTI

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×