132
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương 10 KỸ THUẬT ĐA ANTEN 10.1. GIỚI THIỆU CHUNG 10.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm: Các cấu hình đa anten Các lợi ích của sử dụng các kỹ thuật đa anten Đa an ten thu Đa anten phát Ghép kênh không gian 10.1.2. Hướng dẫn Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương Tham khảo thêm [17],[18],[19] 10.1.3. Mục đích chương Mục đích của chương này nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức tổng quan các kỹ thuật đa anten được sử dụng để phát triển 3G và 4G đặc biệt là cho HSPA và LTE. 304

KỸ THUẬT ĐA ANTEN

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Cấu hình đa antenCác lợi ích sử dụng của các kỹ thuật antenĐa anten thuĐa anten phatGhép kênh không gian

Citation preview

Bi 7

TS. Nguyn Phm Anh Dng

Chng 10K THUT A ANTEN

10.1. GII THIU CHUNG

10.1.1. Cc ch c trnh by trong chng

Cc ch c trnh by trong chng ny bao gm:

Cc cu hnh a anten

Cc li ch ca s dng cc k thut a anten

a an ten thu

a anten pht

Ghp knh khng gian

10.1.2. Hng dn

Hc k cc t liu c trnh by trong chng

Tham kho thm [17],[18],[19]10.1.3. Mc ch chng

Mc ch ca chng ny nhm cung cp cho sinh vin cc kin thc tng quan cc k thut a anten c s dng pht trin 3G v 4G c bit l cho HSPA v LTE.

10.2. CC CU HNH A ANTEN

Cc k thut a anten c s dng ci thin hiu nng h thng bao gm: ci thin dung lng h thng (nhiu ngi s dng hn trn mt ) v vng ph ( ln hn) cng nh cung cp dch v tt hn nh tc s liu trn mt ngi s dng cao hn. Cc k thut ny bao gm vic s dng nhiu anten ti my pht v my thu kt hp vi x l s tin tinMt c trng quan trng ca mi cu hnh a anten l khong cch gia cc phn t anten do quan h gia khong cch anten v tng quan tng h gia phainh knh v tuyn ti cc anten khc nhau.

Cc anten trong cu hnh a anten c th c t kh cch xa nhau t c tng quan lng h thp. Tuy nhin trong cc cu hnh khc, cc anten c th c t kh gn nhau tng tng quan tng h, khi ny tn hiu cc anten khc nhau s b pha inh tc thi gn ging nhau. Cc cu hnh a anten ny c phn loi thnh phn tp, to bp v ghp knh khng gian s c xt cc phn di y.

Khong cch anten thc t cn thit t c tng quan thp hoc cao ph thuc vo bc sng hay tn s sng mang s dng cho thng tin v tuyn. Ngoi ra n cng ph thuc vo kch bn trin khai.

Trong trng hp cc anten trm gc trong cc mi trng thng gp l cc v m (cc kh ln, v tr t anten kh cao ), khong cch gia cc anten thng l vi chc bc sng m bo tng quan phainh tng h thp. Nhng i vi cc u cui di ng trong mi trng tng t, khong cch gia cc anten ch cn na bc sng (0,5() l m bo tng quan tng h kh thp. L do khong cch anten khc nhau gia trm gc v u cui di ng trong mi trng cc v m l cc phn x a ng gy ra phainh ch yu xy ra vng gn u cui di ng. V th nhn t u cui di ng, cc ng truyn khc nhau thng n vi gc rng v iu ny c ngha l tng quan phainh thp ngay c khi khong cch gia cc anten nh.

Tri li, trong cc kch bn trin khai khc, nh trin khai vi m vi cc anten trm gc c t thp hn mi nh hay trin khai trong nh, mi trng nhn t pha trm gc rt ging vi mi trng nhn t pha u cui di ng. Trong cc kch bn ny khong cch anten trm gc nh hn cng m bo tng quan phainh thp.

Cc phn tch trn tng ng vi gi thit rng cc anten c cng phn cc. Mt gii php khc t c tng quan phainh tng h thp l s dng phn cc khc nhau cho cc anten khc nhau. Khi ny c th t cch anten rt gn nhau nhn c mt kt cu anten nh gn m vn m bo tng quan gia chng thp.

Ph thuc vo mc s dng ca a anten ti my pht v (hoc) my thu, cc k thut a anten c th c phn lai thnh mt u vo nhiu u ra (SIMO: Single- Input Multi-Output), nhiu u vo mt u ra (MISO: Multi-Input Single Output) hay nhiu u vo nhiu u ra (MIMO: Multi-Input Multi-Output). Nh vy trong kch bn trm gc c nhiu anten thng tin vi UE chj c mt anten, ng ln c gi l SIMO v ng xung c gi MISO. Khi mt u cui di ng nhiu anten c s dng ng truyn tr thnh MIMO y . Mc d vy i khi thut ng MIMO c s dng theo ngha rng bao hm c SIMO v MISO nh l cc trng hp c bit. Trong khi mt lin kt MIMO im n im gia trm gc v MS c gi l MIMO n ngi s dng (SU-MIMO: Single User MIMO), th MIMO a ngi s dng (MU-MIMO: Multi-User MIMO) cho php nhiu MS thng tin ng thi vi mt trm gc chung trn c s s dng cng mt ti nguyn trong min tn s v min thi gian. M rng ra, nu xt mt ng cnh nhiu , khi cc trm gc ln cn chia s cc anten ca mnh theo cch MIMO o thng tin vi cng mt tp UE trong cc khc nhau ta c thut ng MIMO a ngi s dng a . Tng quan qu trnh pht trin khi nim MIMO t bc phn tp n gin nht n MIMO a ngi s dng a tng lai c minh ha trn hnh 10.1.

Hnh 10.1. Qu trnh pht trin cng ngh a anten t thng tin n anten (SISO: Single-Input Single- Output) n MU-MIMO v MU-MIMO a tng lai.

10.3. CC LI CH CA VIC S DNG CC K THUT A ANTEN V CC VN THC TIN CA CC S MIMO

10.3.1. Cc li ch ca vic s dng cc k thut a anten

Cc k thut a anten ti my pht v ti my thu c th c s dng theo cc cch khc nhau t c cc mc ch khc nhau:

Nhiu anten ti my pht v (hoc) ti my thu c th c s dng m bo phn tp chng phainh trn knh v tuyn. Trong trng hp ny, cc knh truyn do cc anten ny to ra phi c tng quan phainh tng h thp, hay ni mt cch khc cn c khong cch gia cc anten ln (phn tp khng gian), hoc s dng cc anten c phn cc khc nhau (phn tp phn cc)

Nhiu anten ti my pht v (hoc) ti my thu c th c s dng to dng bp anten tng hp (bp pht v bp thu) chng hn t c tng ch cc i trong trong phng n my pht hoc n my thu hoc trit cc tn hiu nhiu chnh. Qu trnh to bp ny c th c thc hin da trn tng quan phainh tng h cao hoc thp gia cc anten

S c mt ng thi nhiu anten ti my pht v my thu c th c s dng to ra nhiu knh thng tin song song trn giao din v tuyn. iu ny m bo kh nng s dng bng thng cao m khng gy gim hiu sut s dng cng sut hay ni mi cch khc cho php tc truyn dn cao m khng gy nh hng ln n ph sng. Gii php ny c gi l ghp knh khng gian.

Mc d MIMO rt a dng v i khi phc tp, cc k thut SU-MIMO v MU-MIMO u da trn mt s cc nguyn l cn bn vi mc ch tng cng mt s cc thuc tnh knh truyn sng v tuyn a anten quan trng. Tn ti ba u im lin n cc knh ny (so vi SISO) l:

li phn tp

li mng li ghp knh khng gian

li phn tp lin quan n vic lai b nh hng ca pha inh a ng bng cch bng cch pht hoc thu trn nhiu anten m ti pha inh khng tng quan vi nhau. Thng n c din t bng thut ng bc ni v s lng cc nhnh phn tp c lp hiu dng hoc dc ca ng cong t l li bit dng ph thuc vo t s tn hiu trn tp m (SNR) (hay li SNR trong qu ng truyn h thng).

Trong khi li phn tp lin quan n ci thin cc thng s thng k ca SNR tc thi trong knh pha inh th li mng v li ghp knh li mang tnh cht hon ton khc. Cc li ny lin quan n hnh hc v l thuyt cc khng gian vect. li dn th hin li cng sut ca MIMO so vi SISO nh s dng to bp, cn li ghp knh c coi l kh nng pht nhiu lung s liu song song v phn tch chng trn c s ch k khng gian ca chng.

10.3.2. Cc vn thc tin ca cc s MIMO

Trc ht, ta s lit k cc hn ch thc tin quan trng nh hng ln hiu nng thc t ca cc h thng MIMO l thuyt v cc hn ch ny thng mang tnh quyt nh khi la chn mt chin lc truyn dn c th trong mt mi trng truyn sng cho trc v trong qu trnh thit lp h thng.

Cc li ch y ca MIMO ( li mng, li phn tp v li ghp knh) ch t c vi gi thit cc anten phi khng tng quan v cc ma trn MIMO phi l ma trn c hng y . Lin quan n iu ny, mi trng truyn sng v thit k anten (khong cch gia cc phn t) ng vai tr quan trng. Trong trng hp n ngi s dng, cc anten c pht trm gc ln MS thng c phn cch trong khong t na bc sng n vi bc sng l nhiu nht. Khong cch ny rt nh so vi khong cch t trm gc n MS. Trong tnh trng LOS (Line of Sight: trc x), iu ny s dn n tng quan mnh gia cc ch k khng gian (hay li knh) v lm hn ch cc s ghp knh khng gian. C th to ra mt ngoi l cho bng cch s dng cc anten c thit k sao cho chng m bo cc thuc tnh trc giao ngay trong cc tnh trng LOS. Chng hn s dng hai anten (ti c pha pht v pha thu) lm vic ti cc phn cc trc giao (phn cc ng v phn cc ngang) hay tt hn l cc phn cc c gi l +450 v -450. Cc anten ny s cho kh nng ghp knh gp i ngay c khi LOS. Tuy nhin vic s dng cc anten phn cc trc giao c th dn n cc mu pht x c hng trong mt ngang, v th khng phi bao gi cng nn dng chng. Nu khng xt cc ngoi l ni trn, th trong SU-MIMO iu kin c lp ca cc ch k khng gian ch c th c tho mn nu truyn sng giu a ng ngu nhin. Trong cc s nh hng phn tp, ta khng cn tnh o ln ca ma trn knh, hn na cc phn t ca ma trn knh phi khng tng quan thng k vi nhau. Mc d t s nng lng LOS v nng lng khng LOS ln hn c xu th lm cc h s phainh trn cc anten tng quan, nhng nh hng ny s c b tr bi vic gim pha inh nh phn t LOS.

Mt l do dn n s khc nhau gia cc li MIMO l thuyt v li t c thc t l kh nng my thu c tnh chnh xc cc h s knh mi khi my pht cn. Ti my thu, c tnh knh thng c thc hin trn mt mu hu hn ca cc tn hiu tham chun (RS: Reference Signal). Trong trng hp to bp pht v tin m ha MIMO da trn SVD, my pht phi nhn c thng tin knh ny (hay trc tip thng tin v b tin m ha) t my thu thng qua phn hi c hn. V ng thng tin phn hi c hn s l nguyn nhn gim cp hn na CSIT (Channel State Information at Transmitter: thng tin trng thi knh ti my pht).

10.4. M HNH MIMO TNG QUT

Hnh 10.2 cho thy m hnh knh MIMO tng qut gm Nt anten pht v Nr anten thu.

Hnh 10.2. M hnh knh MIMO vi Nt anten pht v Nr anten thu

Ma trn knh cho m hnh NtxNr MIMO trn hnh 10.2 l mt ma trn knh NrxNt c biu din nh sau:

(10.1)

trong hm,n l li knh gia anten pht th n v anten thu th m.

Gi s l vect cc s liu pht t Nt anten pht v l s liu thu t Nr anten thu v l tp m Gauss trng phc ca Nr my thu, trong (.)T k hiu php ton chuyn v. Quan h gia tn hiu u vo knh v tn hiu u ra knh c xc nh nh sau:

(10.2)

Ta c th vit li quan h vo ra knh ma trn NrxNt trong phng trnh (10.2) nh sau:

(10.3)

trong :

(10.4)

(10.5)

(10.6)

, cng sut tp m. Ta k hiu cho bin ngu nhin ca (i nh sau: ..

10.5. M HNH H THNG MIMO TI U

10.5.1. M hnh knh SVD MIMO

Ta xt mt h thng truyn dn v tuyn bao gm Nt anten pht v Nr anten thu nh trn hnh 10.2. tin phn tch ta vit li phng trnh (10.3):

(10.7)

Trong l vect AWGN phc vi v ,H l ma trn knh Nr(Nt; khi khong cch gia cc anten >(/2 v mi trng nhiu tn x ta c th coi H c cc hng v cc ct c lp vi nhau. Khi ny phn chia gi tr n (SVD: Singular Value Decomposition) cho ta:

H=UDVH

(10.8)

trong Trong U v VH l cc ma trn nht phn (unitary) c kch thc Nr(Nr v Nt(Nt, (.)H l chuyn v Hermitian (ma trn chuyn v lin hp phc); i vi cc ma trn nht phn ta c: UUH=INr v VVH=INt. D l ma trn Nr(Nt gm

(10.9)

cc gi tr n khng m c k hiu l trn ng cho chnh ca n, trong (i vi i=0,2,, NA-1 l cc gi tr eigen ca ma trn HHH. Cc gi tr eigen ca HHH c xc nh nh sau:

(10.10)

trong Q l ma trn Wirshart c xc nh nh sau:

`

(10.11)

Cc ct ca ma trn U l vect eigen ca HHH cn cc ct ca ma trn V l vect eigen ca ma trn HHH.

S cc gi tr eigen khc khng ca ma trn HHH chnh bng hng ca ma trn ny.

Nu Nt=Nr th D l mt ma trn ng cho. Nu Nt>Nr th gm mt ma trn ng cho Nr(Nr v sau l Nt-Nr ct bng khng. Nu NtNr), U s l ma trn Nr( Nr v V s l ma trn Nt( Nt v D s c to ra t ma trn vung bc Nr tip sau l Nt-Nr ct bng khng nh sau:

(10.12)

trong trng hp ny ma trn V ch c Nr hng s dng c, cn Nt-Nr hng cn li khng s dng dc. Khi ny Nr phn t u ca ma trn c s dng v Nt-Nr phn t cn li ca n c t vo khng. Trng hp c bit ta c Nt anten pht nhng ch c mt anten thu (Nr=1). Khi ny ma trn U c kch thc 1(1 v ch s dng c mt hng ca ma trn V.

Trng hp th hai tng ng vi khi s anten thu nhiu hn s anten pht (Nt1 v Nr=1. Nu c c mt s hiu bit v cc knh ng xung ca cc anten pht khc nhau v nht l mt s hiu bit v pha knh tng i ti pha pht, cc anten pht ngoi phn tp cn c th m bo to bp, ngha l to dng cho ton b bp anten theo phng n my thu ch. Ni chung to bp c th tng cng tn hiu ti anten thu ln n tha s Nt, ngha l t l vi s anten pht. Khi ni v cc s truyn dn da trn nhiu anten pht cung cp to bp, ta cn phn bit gia cc trng hp tng quan anten tng h cao v thp.

Tng quan anten tng h cao lin quan n cu hnh anten vi khong cch gia anten nh nh trn hnh 10.6a. Trong trng hp ny, cc knh gia cc anten khc nhau v my thu c th hu nh ging nhau k c phainh knh v tuyn ngoi tr s khc nhau v pha ph thuc vo phng. Khi ny c th li bp truyn dn tng n cc phng khc nhau bng cch s dng cc dch pha khc nhau i vi cc tn hiu pht trn cc anten khc nhau nh trn hnh 10.6b.

Hnh 10.6. To bp kinh in vi tng quan anten tng h cao: (a) cu hnh anten v (b) cu trc bp

Phng php to bp pha pht bng cch s dng cc dch pha khc nhau cho cc anten c tng quan cao i khi c gi l to bp kinh in. Do khong cch gia cc anten nh, bp pht tng kh rng v cc iu chnh phng bp sng (trong thc t l iu chnh cc dch pha anten) thng thng c thc hin kh chm. iu chnh c th c thc hin trn c s nh gi phng n u cui di ng ch c rt ra t o c trn ng ln. Ngoi ra do gi thit tng quan cao gia cc anten pht khc nhau, to bp kinh in khng th m bo phn tp chng phainh knh v tuyn ngoi vic ch tng cng tn hiu thu.

Tng quan anten tng h thp lin quan n khong cch gia cc anten ln (hnh 10.7) hay cc phng phn cc anten khc nhau. Vi tng quan anten tng h thp, nguyn l to bp c s cng ging nh s trn hnh 10.6. Tuy nhin khc vi to bp kinh in, cc trng s anten phi c gi tr phc ngha l phi c th iu chnh c pha v bin ca tn hiu pht trn cc anten khc nhau. iu ny phn nh thc t l do tng quan anten tng h thp, c pha v li tc thi ca cc knh anten c th khc nhau.

Hnh 10.7. To bp da trn b tin m ha trong trng hp tng quan anten tng h thp

Trong to bp pht Nt>1, Nr=1. Mi ln pht, mt k hiu c a n cc anten. Khi s dng cc trng s phc khc nhau cho cc tn hiu cn pht trn cc anten khc nhau, ta c th biu din vect tn hiu cho cc anten pht nh sau:

(10.33)

trong Wn (n=0,1,, Nt-1) l trng s cho anten th n, W= [W0,,WNt-1]T l vect trng s anten hay ma trn tin m ha, v vect k hiu cn pht, xn (n=0,1,, Nt-1) v =[x0, x1,..., xNt-1]T l k hiu pht v vect cc k hiu pht sau khi nh trng s, v x l k hiu cn pht. W c tnh ton da trn hiu bit v knh (thng l thng tin phn hi t pha thu)

Cn lu rng to bp kinh in trn hnh 10.6 cng c th c m t theo phng trnh (10.33), c ngha rng tin m ha anten vi hn ch li bng mt v ch m bo cc dch pha cho cc anten pht khc nhau.

Gi thit rng cc tn hiu pht i t cc anten khc nhau ch b pha inh phng (phainh khng chn lc tn s) v tp m trng, ngha l khng c tn thi v my pht bit r knh truyn, t c cng sut tn hiu thu cc i, cn chn cc trng s tin m ha nh sau:

(10.34)

Ngha l trng s phi bng lin hip phc ca li knh hn c chun ha m bo tng cng sut pht c nh. Hay ni mt cch khc vect ma trn tin m ha W phi l chuyn v Hermitian ca vect li knh H: W=. Vect tin m ha phi m bo:

Quay pha tn hiu pht b tr pha tc thi ca knh v m bo cc tn hiu thu c ng b pha

n nh cng sut cho cc anten khc nhau theo nguyn tc cng sut ln hn c n nh cho cc anten c iu kin knh tc thi tt hn ( li knh |hi| cao)

m bo tng cng sut pht bng mt (hay mt hng s bt k)

im khc nhau cn bn gia to bp kinh in trn hnh 10.6 vi gi thit tng quan tng h gia cc anten cao v to bp trn hnh 10.7 vi gi thit tng quan tng h gia cc anten thp l ch trong trng hp th hai h thng cn bit knh chi tit nh gi phainh tc thi ca knh. Cc gi tr mi ca vect tin m ha phi c tnh trong mt khong thi gian ngn bt kp cc thay i ca phainh. Do cc iu chnh cho cc trng s b tin khuch i c xt n phainh tc thi (bao gm li knh tc thi), nn to bp trn hnh 10.7 cng cung cp phn tp chng phainh knh v tuyn.

Ngoi ra trong trng hp thng tin da trn ghp song cng phn chia theo tn s (FDD: Frequency Division Duplex) trong truyn dn ng ln v ng xung s dng cc bng tn khc nhau, nn thng thng phaing gia ng ln v ng xung khng tng quan vi nhau. V th trong trng hp FDD ch u cui di ng l c th nh gi c phadinh knh ng xung. Nn u cui di ng phi bo co c tnh knh ng xung cho trm gc thng qua bo hiu ng ln. Mt cch khc, u cui di ng c th t mnh la chn vect tin m ha t mt tp hu hn cc vect tin m ha c th c (c gi l bng m tin m ha) v bo co vect ny cho trm gc.

Mt khc trong trng hp ghp song cng phn chia theo thi gian (TDD: Time Division Duplex), trong truyn dn ng ln v ng xung s dng chung mt bng tn nhng trong cc khe thi gian cch bit nhau, nn thng thng tn ti tng quan phainh cao gia ng ln v ng xung. Trong trng hp ny trm gc (t nht l v mt l thuyt) c th xc nh phainh ng xung t o c trn ng ln nh vy trnh c vic phn hi thng tin. Tuy nhin iu ny ch m bo khi coi rng u cui di ng thng xuyn pht trn ng ln.

Cc phn tch trn y c a ra vi gi thit l knh khng thay i trong min tn s. Trong trng hp knh chn lc tn s, r rng rng khng th ch c mt h s knh trn mt anten c tnh ton theo (10.34). Tuy nhin trong trng hp OFDM, mi sng mang con thng tri qua mt knh khng chn lc tn s. V th trong trng hp truyn dn OFDM, tin m ha trn hnh 10.8 c th c thc hin trn c s tng sng mang con nh trn hnh 10.8, trong cc trng s ca b tin m ha ca tng sng mang con c chn theo (10.34).

Wi,n (i=0,1,,N-1 v n=0,1) k hiu cho trng s i vi sng mang con th i (i=0,1,.., N=1) v anten th n (n=0,1)

Hnh 10.8. Tin m ha cho tng sng mang con trong trng hp OFDM (hai anten pht)

Cn lu rng trong trng hp truyn dn n sng mang nh trong 3G WCDMA, phng php mt trng s trn mt anten nh trn hnh 10.7 c th c m rng xt n c knh tn thi/tn tn.

10.6.2. To bp pha thu

Trong trng hp to bp pha thu, Nt=1 v Nr>1 (gi thit ch c mt lung). Nguyn l ca to bp pha thu c th hin trn hnh 10.10. Trong trng hp ny ti mt thi im ch mt k hiu c pht. Vec t tn hiu thu c xc nh nh sau:

(10.35)

My thu kt hp cc tn hiu my t Nr anten trn c s s dng cc trng s W= [W0,,WNr-1]T. Tn hiu thu c sau kt hp s l:

(10.36)

Sau khi my thu nhn c nh gi knh, n c th t vect to bp W vo gi tr ti u t c SNR thu cc i. t c iu ny cn ng b vect to bp vi knh ca MS thng qu vic kt hp t l cc i (MRC): W=HH (c th coi y l mt phin bn khng gian ca b lc phi hp). Lu rng cng c th t c loi b tn hiu nhiu bng cch chn vect to bp trc giao vi knh ca ngun nhin n.

Hnh 10.9. Khi nim to bp v xa khng nhiu

B kt hp t l cc i cung cp tha s ci thin Nr trong SNR thu so vi trng hp SISO, ngha l li mng 10lg10(Nr) dB trong qu ng truyn.

Tng qut s hnh 10.9 c th p dng cho nhiu kiu s MIMO v MU-MIMO quan trng (tr s nh hng phn tp) nh sau:

B to bt N anten c th khuch i mt ngun pht (khng nhiu) vi h s N ti gi tr SNR trung bnh: To bp

B to bp N anten c th ly ra mt ngun pht v loi b N-1 cc ngun khc: trit nhiu

To bp pht thc hin cng li nh to bp phia thu nu c CSIT: to bp pht v xa khng nhiu

N ngun pht c th c ng thi ly ra (vi gi thit coi rng N-1 ngun cn li l nhiu) bi b to bp: ghp knh khng gian

N ngun c th c n nh cho N ngi s dng khc nhau: MU-MIMO, SDMA

Mt s trong s N ngun c th thuc cc khc a cng tc

10.7. GHP KNH KHNG GIAN

T cc nghin cu trong cc phn trc ta hiu rng vic s dng nhiu anten ti my pht v my thu cho php ci thin t s tn hiu trn tp m t l vi s lng anten khi p dng to bp ti c my thu v my pht. Trng hp tng qut vi Nt anten pht v Nr anten thu, h thng a anten c th tng t s tn hiu trn tp m NtxNr ln. Vic tng t s tn hiu trn tp m ny trong my thu cho php tng tc s liu trong trng hp tc s liu b gii hn bi cng sut ch khng b gii hn bi bng thng. Tuy nhin mt khi t n vng hot ng b gii hn bi bng thng cc tc s liu s bt u bo ha nu khng th tng bng thng

S dng nhiu anten ti c u pht v u thu cn cho php ghp knh khng gian t c hiu sut s dng ph tn cao hn trong trng hp t s tn hiu trn tp m/nhiu cao v tc s liu cao trn giao din v tuyn. Vn ny phn no c cp trong phn 10.3, trong phn ny ta s phn tch n c th hn.

10.7.1. Nguyn l c s

Nh thy t phng trnh (10.24), khi SNR thp, dung lng t l vi s anten thu, C= (Nrlog2e.

Ta cng c th biu din dung lng nh sau:

(10.37)

trong (tol l tng SNR _ca h thng MIMO.

V th

(tol = (Nr

(10.38)

Nh vy trong trng hp ny h thng MIMO cho li cng sut (hay cn gi l li mng) bng 10lgNr dB nh to bp hay phn tp anten.

Tuy nhin khi SNR cao t phng trnh (10.25)) dung lng t l vi NA=min(Nt,Nr):

C

Trong trng hp ny bng cch s dng nhiu Nt v Nr, ta to nn NA knh song song nh vy tng dung lng. Phng php ny c gi l ghp knh khng gian. Thut ng x l anten MIMO cng thng c s dng, tuy nhin thut ng chnh xc cho tt c cc trng hp l a anten pht v a anten thu bao hm c trng hp phn tp pht thu kt hp.

Gi s (i nh nhau cho tt cc cc knh v cng sut pht c phn u cho cc knh, ta c th vit dung lng dng n gin sau:

(10.39)10.7.2. Ghp knh khng gian khi my pht khng c thng tin v knh

hiu c nguyn l c s v cch to lp cc knh song song trong trng hp nhiu anten ti my pht v nhiu anten ti my thu, ta xt cu hnh anten 2x2, ngha l c hai anten pht v hai anten thu nh trn hnh 10.10. Ngoi ra ta gi thit rng cc tn hiu pht ch b phainh khng chn lc tn s (pha inh phng) v tp m trng, ngha l khng xy ra tn thi knh.

Hnh 10.10. Cu hnh anten 2x2

T hnh 10.10 ta c th biu din cc tn hiu thu nh sau:

(10.40)

Trong H l ma trn knh 2x2, hm,n l li knh t anten pht n (n=0,1) n anten thu m (m=0,1). C th coi biu thc ny l n gin ha biu thc (10.2) c vit cho nhiu anten pht vi nhiu tn hiu khc nhau c pht trn cc anten pht khc nhau.

Nu coi rng ma trn H l kh o, th my thu c th hon ton khi phc c vect v c hai tn hiu x1 v x2 m khng cn nhiu gia chng bng cch nhn vect thu vi ma trn W=HH =H-1 (xem hnh 10.11):

(10.41)

Hnh 10.11. Thu tuyn tnh/gii iu ch cc tn hiu ghp knh khng gian

Mc d c th khi phc hon ho vect trong trng hp khng c tp m chng no ma trn knh H cn kh o, biu thc (10.38) cng cho thy rng cc thuc tnh ca H s quyt nh phm vi tng mc tp m sau gii iu ch kt hp hai tn hiu. c bit, ma trn knh cng gn vi ma trn n nht (singular matrix, ma trn n nht l ma trn khng kh o), mc tng tp m s cng ln hn.

gii thch ma trn W, ta cn hiu rng cc tn hiu pht t hai anten pht l cc tn hiu gy nhiu cho nhau. Khi ny cc anten thu c s dng thc hin IRC Interference Rejection Combination: kt hp loi b nhiu), m thc cht l trit b hon ton nhiu t tn hiu pht trn anten th hai khi tch tn hiu pht t anten th nht v ngc li. Cc hng ca ma trn W ch n thun thc hin IRC.

Trong trng hp tng qut, mt cu hnh a anten s gm Nt anten pht v Nr anten thu. Nh ni trn, trong trng hp ny, s lng cc tn hiu song song c th c ghp khng gian trong thc t b gii bi bin trn NA=min{Nt,Nr}. Gi s Nr(Nt. Khi ny NA=Nt v ta c th coi rng c Nt lung pht s dng Nt anten khc nhau. V my pht khng bit ma trn H, nn khng th ci thin s ghp knh khng gian bng cch s dng b tin m ha ph thuc knh. Nh vy b tin m ha n thun ch l mt ma trn n v c nhim v sp xp Nt lung ln Nt anten tng ng. Trong trng hp ny ta c th biu din hm sp xp k hiu ln tn hiu pht nh sau:

(10.42)

Trong ma trn P l ma trn ng cho n nh cng sut kch thc NtxNt vi (n=0,1,..,Nt-1) l phn t ng cho th n, trong pn l cng sut c n nh cho anten th n vi gii hn ca tng cng sut pht chun ha Pt. Trong trng hp ny n nh cng sut nh nhau cho cc lung nn ta c th b qua ma trn P.

Ti pha thu, cc k thut tch sng tuyn tnh v phi tuyn khc nhau c s dng khi phc li . Gii php t phc tp nht l s dng k thut tch sng tuyn tnh, trong my thu a ra Nt b to bp w0, w1, , wNt-1. S dng w( ((=0,1, , Nt-1) ta c tch sng lung ( [x(,0, x(,1, , x(,Ns-1] nh sau:

(10.43)

Tiu chun tch sng l phi m bo dung ha gia to bp n lung v loi b nhiu (t N-1 lung khc). Nhiu gia cc lung hon ton c loi b khi la chn my thu cng bc v khng (ZFBF: Zero Force Beamforming) nh sau:

(10.44)

Trong

(10.45)Trong Trace(m) l php ton cng tt c cc phn t trn ng cho chnh ca ma trn m.

Tuy nhin i vi hiu sut ti u, s ph v cn bng gia ng b vi h( v tnh trc giao i vi tt c cc ch k hk khc (k((). C th t c s cn bng ny bng my thu sai s qun phng cc tiu (MMSE-BF Minimum Mean-Squared Error-Beamforming) sau y:

(10.46)

Trong ( dc chn sao cho

(10.47)

Ngoi cc cu trc tch sng tuyn tnh kinh in nh cc my thu ZF v MMSE, nhiu b tch sng tin tin nhng phi tuyn khc c th c s dng m bo t l li tt hn khi chn im cng tc SNR nhng vi tr gi bng phc tp cao. Th d v cc b tch sng ny bao gm b tch sng lai b nhiu ln lt (SIC: Successive Interference Cancellation) v b tch sng kh ging nht (MLD: Maximum Likelihood Detector).

Phn tch ghp knh khng gian cho thy:

Khng th pht nhiu hn Nt tn hiu, ngha l cc i ch c th ghp khng gian Nt tn hiu

Vi Nr anten thu, cc i ch c th trit Nr-1 tn hiu gy nhiu, ngha l cc i ch c th ghp khng gian Nr tn hiu

Tuy nhin trong nhiu trng hp, s lng cc tn hiu c ghp khng gian, hay bc ghp knh khng gian s t hn NA ni trn:

Trong trng hp iu kin knh rt km (t s tn hiu trn tp m thp) s khng cn li ghp knh khng gian v dung lng knh l mt hm ph thuc gn nh tuyn tnh vo t s tn hiu trn tp m. Trong cc trng hp ny, cu hnh a anten pht v thu phi l to bp ci thin t s tn hiu trn tp m ch khng phi ghp knh khng gian (chn knh khng gian tt nht v loi b cc knh khng gian cht lng km).

Trong trng hp tng qut hn, bc ca ghp knh khng gian phi c xc nh da trn cc thuc tnh ca ma trn knh NrxNt. Khi ny cc anten b sung cn c s dng m bo to bp. T hp to bp v ghp knh khng gian c th t c bng ghp knh khng gian da trn b tin m ha s c xt di y.

10.7.3. Ghp knh khng gian da trn b tin m ha khi my pht c thng tin knh

Tin m ho tuyn tnh trong trng hp ghp knh khng gian c p dng ti pha pht x l tuyn tnh bng mt ma trn tin m ha V kch thc NAxNt (hnh 10.12). Nh ni trn, trong trng hp tng qut, NA bng hoc nh hn Nt, ngha l NA tn hiu c ghp khng gian v c pht i bng cch s dng Nt anten.

Hnh 10.12. Ghp knh khng gian da trn b tin m ha

Lu rng nh ni trn, tng qu ha c th coi ghp knh khng gian nh to bp da trn b tin m ha c vect tin m ha kch thc 1xNt c thay bng ma trn tin m ha c kch thc NAxNt.

B tin m ha trn hnh 10.12 thc hin hai mc ch:

Trong trng hp khi s lng cc tn hiu c ghp khng gian bng vi s lng anten pht (NA=Nt), b tin m ha c s dng trc giao ha cc truyn dn song song nhm ci thin s cch ly tn hiu ti pha thu.

Trong trng hp khi s lng cc tn hiu c ghp song song nh hn s lng anten pht (NA1GHz) d hn ti cc bng tn thp (