1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN CÔNG DOANH MIMO TRONG LTE VÀ LTE ADVANCED Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 1 LỜI MỞ ĐẦU Hiện này, xu thế của mạng thông tin di dộng là tăng tốc độ người dùng và đa dạng hóa các ứng dụng. Sự gia tăng về nhu cầu của các ứng dụng của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập Internet. Người dùng luôn luôn mong muốn công nghệ di động mới ra đời vẫn sẽ cung cấp các dịch vụ và tiện ích theo cách tương tự như mạng hữu tuyến. Và tất nhiên, nhu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp được tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống các tài nguyên mạng nhanh hơn là đích hướng tới của công nghệ di động 4G. Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về MIMO Chương 2: MIMO trong LTE, giới thiệu SU-MIMO trong LTE, ghép kênh không gian cho SU-MIMO trong LTE, tiền mã hóa dựa vào phân tập vòng trễ, ghép kênh không gian vòng hở trong LTE, phân tập, MIMO đa người dùng, báo hiệu phản hồi đường lên trong LTE, cấu hình anten, đánh giá hiệu năng của các sơ đồ MIMO Chương 3: MIMO trong LTE-Advanced, điểm khác nhau của MIMO trong LTE và MIMO trong LTE-Advanced, MU-MIMO trong LTE Advanced, So sánh SU-MIMO trong LTE và SU-MIMO trong LTE Advanced, CoMP Em xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ việc hoàn thiện luận văn này 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MIMO 1.1Giới thiệu chương Nhằm mục đích không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ trên mạng di động dữ liệu băng rộng, cụ thể ở đây là tốc độ truyền dữ liệu đường xuống từ nhà mạng đến người dùng, và đường lên từ người dùng lên nhà mạng, các nhà nghiên cứu viễn thông và hãng viễn thông lớn trên thế giới đã đưa ra mô hình truyền dẫn dành cho LTE và LTE Advanced: Đa anten phát, đa anten thu. Công nghệ MIMO trong LTE giống như ghép kênh không gian, phân tập truyền dẫn và beamforming là các thành phần quan trọng cho việc cung cấp tỉ số đỉnh cao hơn, và hiệu năng của hệ thống sẽ tốt hơn, đây là các yêu tố cơ bản để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu băng rộng trong tương lai qua môi trường mạng không dây. Mở rộng trong tương lại của công nghệ LTE MIMO được nghiên cứu trong 3GPP, mục “ LTE Advanced”, chúng ta sẽ thấy các yêu cầu cần thiết của IMT-Advanced 1.2 Cấu hình đa anten Các kĩ thuật đa anten được dùng để cải thiện hiệu năng của hệ thống như: - Cải thiện dung lượng của hệ thống - Cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn đến người dùng bằng cách cải thiện tốc độ truyền dữ liệu Kỹ thuật đa anten có thể được phân loại như sau: - Một đầu vào, nhiều đầu ra: SIMO- Single Input Multi Output 3 - Nhiều đầu vào, một đầu ra: MISO- Multi Input Single Output - Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra: MIMO – Multi Input Multi Output Tuy nhiên, nhiều khi người ta sử dụng MIMO để nói về vấn đề chung, trong đó SIMO và MISO là các trường hợp đặt biệt của MIMO Một liên kết MIMO điểm tới điểm giữa một BTS và một UE gọi là SU-MIMO, hay MINO đơn người dùng, khi nhiều MS thông tin đồng thời trên một BTS chung trên cơ sở sử dụng cùng một tài nguyên trong miền tần số và miền thời gian. Mở rộng ra, nếu xét một ngữ cảnh nhiều ô, khi các BTS lân cận chia sẻ các anten của mình theo cách MIMO ảo để thông tin với cùng một tập UE trong các ô khác nhau, ta có thuật ngữ MIMO đa người sử dụng đa ô. 1.3 Các lợi ích của việc sử dụng đa anten và các vấn đề thực tiễn của các sơ đồ MIMO 1.3.1 Các lợi ích của việc sử dụng các kỹ thuật đa anten Đảm bảo phân tập chống pha đinh trên kênh vô tuyến Trường hợp này sử dụng nhiều anten ở máy phát và(hoặc) nhiều anten ở máy thu. Các kênh truyền do anten này tạo ra phải có tương quan pha đinh tương hỗ thấp, do đó cần khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn, hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau. Tạo dạng búp sóng tổng hợp 4 Nếu sử dụng nhiều anten ở máy phát và ( hoặc) nhiều anten ở máy thu, hệ thống sẽ tạo dạng búp sóng tổng hợp ( búp phát và búp thu) để đạt được tăng ích cực đại trong quá trình truyền đến máy phát hoặc máy thu, hoặc để triệt tiêu các tín hiệu nhiễu chính. Giải pháp ghép kênh không gian Sự có mặt đồng thời nhiều anten tại máy phát và máy thu có thể được sử dụng để tạo nhiều kênh thông tin song song trên giao diện vô tuyến. Điều này đảm bảo khả năng sử băng thông cao mà không gây giảm hiệu suất sử dụng công suất hay nói một cách khác cho phép tốc độ truyền dẫn cao mà không ảnh hưởng đến phủ sóng. Mặc dù MIMO rất đa dạng và phức tạp, các kĩ thuật SU-MIMO và MU- MIMO đều dựa trên một số nguyên lý căn bản với mục đích tăng cường một số thuộc tính kênh truyền sóng đa anten quan trọng. Tồn tại 2 ưu điểm liên quan đến kênh này ( so với SISO) là:  Độ lợi phân tập  Độ lợi dàn và độ lợi ghép kênh không gian không gian. 1.3.2 Các vấn đề thực tiện của mô hình MIMO Các hạn chế thực tiễn quan trọng ảnh hưởng lên hiệu năng thực tế của hệ thống MIMO lý thuyết và các hạn chế này thường mang tính quyết định khi lựa chọn một chiếm lược truyền dẫn cụ thể trong một môi trường truyền sóng cho trước và trong quá trình thiết lập hệ thống. 5 Các lợi ích đầy đủ của MIMO ( độ lợi dàn, độ lợi phân tập, độ lợi ghép kênh) chỉ đạt được với giả thiết các anten phải không tương quan và các ma trận MIMO phải là ma trận có hạng đầy đủ. Một lý do dẫn đến sự khác nhau giữa các độ lợi MIMO lý thuyết và độ lợi đạt được thực tế là khả năng máy thu ước tính chính xác các hệ số kênh mỗi khi máy phát cần. 1.4 Mô hình MIMO tổng quát Hình sau mô tả mô hình MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu Hình 1.1: Mô hình MIMO tổng quát 1.5 Mô hình hệ thống MIMO tối ưu Ta xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát, và Nr anten thu như hình vẽ trên, ta có phương trình =̅+ƞ Trong đó ƞ là vec tơ AWGN phức với ƞ  =   (0,  ) và E [ ƞ  ƞ   ] =     6 H là ma trận kênh   x   , khi khoảng cách giữa các anten >/2 và môi trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cột độc lập với nhau. Lúc này, phân chia giá trị đơn, ta có: H=UD  Trong đó U và   là các ma trận nhất phân ( unitary) có kích thước Sơ đồ máy thu, máy phát trong mô hình hệ thống MIMO tối ưu như sau   x   và   x   ,và (.)  là ma trận chuyển vị liên hợp phức Hermintian. Đối với các ma trận nhất phân ta có: U  =  và V  =  . D là ma trận   x   gồm   =min {  ,   } (1.4) Các giá trị đơn không âm được kí hiệu là   / ,…   / trên đường chéo chính của nó. Trong đó   với i=0,2,….  −1 là các giá trị eigen của ma trận   . Các giá trị eigen của   được xác định như sau: Det ( Q-) = 0 Trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau: Q=    vớiNr<   ớ≥ Các cột ma trận U là vec tơ Eigen của   , còn các cột của ma trận V là vec tơ Eigen của ma trận    Số các giá trị eigen khác không của ma trận   chính bằng hạng của ma trận này. Nếu Nt=Nr thì D là một ma trận đường chéo. Nếu Nt>Nr thì gồm một ma trận đường chéo NtxNr và sau đó là Nt-Nr cột bằng không. Nếu Nt<Nr 7 thì D gồm một ma trận đường chéo NtxNr và sau đó Nt-Nr dòng bằng không. Dưới đây ta sẽ minh họa ma trận đường chéo D cho các trường hợp Nt ≠Nr Trong trường hợp mà số anten phát lớn hơn số anten thu (Nt>Nr) U sẽ là ma trận NtxNr và V sẽ là ma trận NtxNt và D sẽ được tạo ra từ ma trận vuông bậc Nt tiếp theo sau là Nt-Nr cột bằng không như nhau. Trong trường hợp này ma trận V chỉ có Nt hàng sử dụng được, còn Nt-Nr hàng còn lại không sử dụng được. Khi này Nt phần tử đầu của ma trận ̅ được sử dụng và Nt-Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không. Trường hợp đặc biệt ta có Nt anten phát nhưng chỉ có một anten thu (Nt=1). Khi này ma trận U có kích thước 1x1 và chỉ sử dụng được một hàng của ma trận V. Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhỏ hơn số anten phát (Nt<Nr). Trong trường hợp này vẫn như trước ta có V là ma trận NtxNt và U là ma trận NtxNr nhưng ma trận D là ma trận NtxNt được tạo thành từ ma trận đường chéo NtxNr theo sau là Nt-Nr hàng bằng không. Trường hợp đặc biệt khi chỉ có một anten phát và Nt anten thu. Mô hình hệ thống SVD MIMO Giả sử ̅được nhân trước với ma trận V và  được nhân với ma trận   ta được các biểu thức sau: ̅=   =   (H̅V + ̅) =   UD  V̅+  ̅ = D̅+  ̅ ( 1.5) 8 Vì ma trận D là ma trận được chéo hóa, nên ta có thể phân tích quan hệ giữa z và x vào dạng:   =  / xi+i (1.6) Trong đó i=0,1,….,  -1 với   xác định theo phương trình (1.4) Biểu thức (1.4) và (1.5) cho phép ta xây dựng hệ thống SVD MIMO tối ưu gồm   kênh phadinh phẳng song song như trên hình 1.7 và 1.8 a) Máy phát SVD MIMO Hình 1.2:Mô hình máy phát SVD MIMO Từ hình 1.7 ta thấy tại máy phát SVD MIMO (hình 1.7) trước hết luồng ký hiệu số liệu được bộ chia luồng không gian chia thành   luồng không gian. Sau đó các lường này được nhân với các cột của ma trận V để nhận được các ký hiệu phát vào không gian b) Máy thu SVD MIMO c) Tại máy thu SVD MIMO (hình 1.3) các tín hiệu thu được nhân với ma trận   để tách ra các luồng không gian. Sau đó các ký hiệu số liệu được kết hợp bởi bộ kết hợp. Sau khi phân tích SVD ta sẽ được 9   kênh không gian song song xác định theo được thể hiện trên hình 1.9 Hình 1.3: Mô hình máy thu SVD MIMO Dung lượng truyền dẫn trong hệ thống SVD MIMO tối ưu. Dung lượng kênh quyết định giới hạn hiệu suất phổ tần. Nói chung dung lượng này phụ thuộc vào các sơ đồ điều chế và mã hóa. Dựa trên các tính toán lý thuyết thong tin trong các nhà bác học đã chứng minh tính ưu việt của điều chế MIMO. Dưới đây ta sẽ xét các biểu thức dung lượng trong trường hợp máy phát biết trước trạng thái kênh. Các trường hợp này cũng còn được gọi là “dung lượng vòng kín” là dung lượng đạt được trong trường hợp máy phát biết rõ kênh. Dung lượng vòng kín đã được rút ra trong rất nhiều công bố và các tài liệu lý thuyết thông tin kinh [...]... và dài hạn, trong khi các anten khác được thiết kế để đạt được đặc tính kênh tần số có chọn lọc và / hoặc ngắn hạn 32 3.5 So sánh SU MIMO trong LTE Advanced với SU MIMO trong LTE Cũng giống như phần so sánh MIMO trong LTE Advanced vào LTE, khác nhau cơ bản giữa SU MIMO trong LTE Advanced và SU MIMO trong LTE là:  Trong LTE Advanced sử dụng 8x8 anten đường xuống, và 4x4 anten đường lên Còn trong LTE. .. mạng dữ liệu gói (PDN-GW) Và các mạng dịch vụ gồm có IP, IMS và các thành phần PCRF, HSS 3.3 Các điểm khác nhau của MIMO trong LTE Advanced so với MIMO trong LTE Khác biệt chủ yếu giữa MIMO trong LTE Advanced và MIMO trong LTE là:  MIMO trong LTE Advanced sử dụng đa anten 8x8 đối với đường xuống, và 4x4 đối với đường lên Điều này làm tăng hiệu suất sử dụng  MIMO trong LTE Advanced có thể sự dụng sử... anten trong kĩ thuật MIMO trong hệ thông LTE Hơn nữa chương cũng đã trình bày cách tạo búp trong MIMO và ghép kênh không gian trong LTE Chi tiết đối với SU – MIMO và MU – MIMO , phân tập trong LTE sẽ được trình bày trong chương 2 17 CHƯƠNG 2: MIMO TRONG LTE 2.1 Giới thiệu chương Như chung ta đã biết, để đạt được các yêu cầu về tốc độ, chất lượng dịch vụ trong LTE, chúng ta phải sử dụng công nghệ MIMO. .. nghệ MIMO Chương này tập trung vào nghiên cứu MIMO đơn người dùng bao gồm mô hình truyền dẫn SU – MIMO, xử lý các tín hiệu số đường xuống , ghép kênh không gian vòng hở, vòng kín Và trình bày MIMO đa người dùng trong LTE, như MU – MIMO đương xuống, đường lên, báo hiệu phản hồi CSI, và phân tập trong MIMO LTE 2.2 SU -MIMO trong LTE Có 2 chế độ trong ghép kênh không gian SU -MIMO đó là: - Ghép kênh không... Mhz 31 3.4 MU MIMO trong LTE Advanced Hệ thống LTE- Advanced phải đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ITU-R bao gồm cả điểm đỉnh, trung bình, hiệu suất phổ cạnh Cell Một số tính năng mới đã được giới thiệu trong Rel.10 để đạt được những mục tiêu này Đầu tiên, để hỗ trợ hoạt động một chiều SU -MIMO cao hơn (lên đến 8x 8 MIMO) và cũng để cải thiện hoạt động MU -MIMO, RSS mới đã được giới thiệu trong đường xuống... Còn trong LTE Advanced chỉ sử dụng 4 anten đường xuống và 2 anten đường lên  Tốc độ người dùng khi sử dụng SU MIMO trong LTE Advanced có thể lên tới 1.2 Gbps đường xuống, và hàng trăm Gbps đường lên, còn trong LTE tốc độ đường xuống chỉ đạt 326 Mbps, và vài chục Mbps đường lên 3.6Các sơ đồ phát thu phối hợp, CoMP Phát thu đa điểm phối hợp (CoMP: Co-ordinated Multipoint) được coi là một trong các kỹ... CRS, DM-RS, và CSI (thông tin trạng thái kênh)-RS CRS được sử dụng để đo CSI và giải điều chế trong Rel 8 và 9, phương thức truyền dẫn, cũng như để kiểm soát kênh giải mã và các phép đo khác nhau và thủ tục UE DMRS, được giới thiệu trong Rel 9, được mở rộng trong Rel.10 hỗ trợ lên đến 8 bậc truyền trong phương thức truyền dẫn mới CSI-RS, vừa được giới thiệu trong Rel.10, được sử dụng để đo CSI trong các... 100Mbps Công nghệ 4G LTE- Advanced phát triển trên nền tảng hiện có của công nghệ LTE Một yếu tố quan trọng để phát triển công nghệ này một cách hoàn thiện đó là công nghệ MIMO trong LTE- Advanced Việc nghiên cứu công nghệ MIMO giúp cho các hãng viễn thông trên thế giới và các hãng sản xuất thiết bị cầm tay sẽ đạt được thêm nhiều thành công trong việc nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, và nâng cao chất lượng... về MU -MIMO đường lên cho UE1 và UE2 MU -MIMO có lợi khi có nhiều người sử dụng trong một đoạn ô ( các người sử dụng VoIP) và số anten thu tại eNodeB lơn hơn hoặc bằng hai Hình 2.7: MU -MIMO đường lên 2.4 Báo hiệu phản hồi đường lên trong LTE Phản hồi đường lên để hỗ trợ truyền dẫn trong 4G bao gồm RI ( Rank Indicator: Chỉ thị cấp hạng), PMI( Precoder Matrix Indication: Chỉ thị ma trận tiền mã hóa) và CQI... Vị trí và số các anten khác hỗ trợ: WiFi, Bluetooth, GPS, vô tuyến FM và các thiết bị di động khác  Hỗ trợ đa băng ( 0,7; 2,1; 2,6 Ghz) 29 CHƯƠNG 3: MIMO TRONG LTE ADVANCED 3.1 Giới thiệu chương Hiện nay, tại nhiều nước trên thế giới, khi phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE đang hoàn thành thì tâm điểm của sự chú ý đang chuyển sang sự tiến hóa tiếp theo của công nghệ này, đó là LTE- Advanced Một trong