Hệ thống mimo-Sdm

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG --------------o0o--------------- CHỦ ĐỀ THẢO LUẬN HỆ THỐNG MIMO-SDM Giảng viên: Ths. Hoàng Quang Trung Thái nguyên, tháng 11 năm 2012 DANH SÁCH NHÓM THẢO LUẬN Nguyễn Thị Thoa Bùi Thị Thanh Thủy Đào Thị Thảo Lê Thị Thu Hoàng Thị La Trương Quang Soát Nguyễn Trí Quyết Nguyễn Xuân Nam MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu sử dụng thông tin đơn giản như điện thoại, điện tín, điện báo…đến nay nhu cầu về truy cập và trao đổi thông tin ngày càng gia tăng và đòi hỏi những tính năng đa dịch vụ. Bên cạnh nhu cầu về tốc độ đa truy nhập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc mọi nơi cũng là một nhu cầu không thể thiếu. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng) kết hợp với giao thức truy nhập tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download dữ liệu tốc độ cao lên tới 14.4Mbps. Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ lên tới hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn là một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa. Để đáp ứng được nhu cầu truyền thông dữ liệu tốc độ cao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động thì các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là một trong những cử viên sáng giá nhất. Trong chủ đề thảo luận “Hệ thống MIMO/SDM” nhóm chúng em tìm hiểu gồm những nội dung: Tổng quan về hệ thống MIMO Phân kênh theo không gian SDM Ứng dụng của hệ thống MIMO SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu suất băng thông. Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân tập nhờ sử dụng các anten thu phát. Bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu xót về kiến thức chúng em rất mong thầy giáo đánh giá và bổ sung kiến thức giúp chúng em hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện! I. Tổng quan về MIMO 1.1. Lịch sử phát triển Năm 1994: Paulrai & Kaailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất, nêu ra khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng cho phát thanh quảng bá. Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST nhằm hợp các luồng truyền trên kênh fading nhanh. Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó. Năm 1998, sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được làm bởi Bell labs. Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Jospan Wireless Inc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu suất băng thông. Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân tập nhờ sử dụng các anten thu phát. 1.2. Hệ thống MIMO MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền. Chuỗi tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE: Space-Time Encoder). Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian - thời gian được phát đi nhờ N anten phát. Máy thu sử dụng phân tập thu với M anten thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra được gọi là kênh MIMO M ×N . Trong các trường hợp đặc biệt khi N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thống phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO. Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO Để tránh ảnh hưởng giữa các anten phát và các anten thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử anten ở các mảng anten phát hoặc thu là . Mô hình toán học Chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản là kênh truyền có hệ số truyền xác định (không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và được biết trước qua phép ước lượng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian. Một hệ thống gồm N anten phát và M anten thường được gọi là hệ thống MIMO MxN. Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ngõ vào - ngõ ra như sau: y = Hs + z trong đó: z là thành phần tạp âm; H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa N anetn phát và M anten thu. Mô hình toán học được diễn tả như sau: Hình 1.2: Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống MIMO Ma trận H có dạng: H = Các vecto phát, thu và tạp âm tương ứng là: s = y = z = Phương trình tổng quát: = H + Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệ thống: y = Hs + z với PT là tổng công suất phát từ N anten phát. Dung lượng kênh MIMO Dung lượng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó. Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss: C = W [bits/s] Trong đó: W : băng tần của kênh truyền (hz) : tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR) Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu điễn tổng quát như sau: CMIMO = Trong thực tế do các tác động của pha-đinh, kênh truyền biến động theo thời gian và thường được mô phỏng hóa bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh. Dung lượng kênh truyền được xác định: = II. Phân kênh theo không gian SDM Chuẩn 802.11n đạt được cải tiến đáng kể về tốc độ dữ liệu thông qua việc sử dụng MIMO/SSM( nhiều đầu vào, nhiều đầu ra-ghép kênh phân chia theo không gian). Nếu trên đường truyền có sự biến động, anten thu sẽ nhận ra tín hiệu sai khác từ anten truyền. Anten phát sẽ phát tín hiệu trên một hình vòm rộng, trên đường truyền tín hiệu sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ, tán xạ…do tác động của những vật cản trong môi trường xung quanh. Hình 2.1. Phân kênh theo không gian SDM Hình trên thể hiện 3 đường tín hiệu đến anten thứ 2. Tín hiệu mạnh nhất là a và thông tin mang trên nó sẽ được giải mã. Hai đường khác đến với mức năng lượng thấp hơn và dịch đi một khoảng thời gian va pha so với tín hiệu a. Do vậy nó có thể làm suy giảm tỉ số SNR với a. Mỗi một anten nhận sẽ nhận được một tín hiệu chiếm ưu thế từ một anten phát khác. Vì vậy hệ thống có thể tận dụng bằng cách truyền những tín hiệu khác nhau trên một anten. Đây là một ưu điểm nổi bật của MIMO. Ưu điểm của SDM Tăng dung lượng Cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu. Nguyên lý: Ở máy phát, dòng dữ liệu phát được bộ DEMUX chia nhỏ thành N luồng sn(t) song song và truyền đồng thời qua N anten phát. Vì vậy, tốc độ truyền dẫn tăng N lần so với hệ thống sử dụng một anten phát, một anten thu (SISO) thông thường. Tại máy thu các luồng tín hiệu sẽ được tách riêng ra rồi ghép lại bằng bộ ghép kênh MUX. Hình 1.1. Phương pháp phân kênh theo không gian. Tuy nhiên, do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nên tăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh giữa các luồng tín hiệu, vì vậy làm tăng BER. Để giảm nhỏ BER của hệ thống máy thu sử dụng M ≥ N anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả để thực hiện tách riêng từng luồng tín hiệu. Dựa theo tính chất tuyến tính của phương pháp tách tín hiệu, các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM được phân loại thành hai nhóm lớn là các bộ tách tín hiệu tuyến tín và các bộ tách tín hiệu phi tuyến. Hình 2.2. Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM 2.1. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính Một bộ tách tín hiệu tuyến tính là bộ kết hợp tuyến tính biểu diễn bởi ma trận trọng số W. Dựa trên ma trận trọng số W, vector ước lượng được là: Các giá trị ước lượng được này sau đó được đưa qua bộ quyết định để lựa chọn đầu ra bộ tách tín hiệu Hình 2.3 . Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM 2.1.1. Bộ tách tín hiệu ZF(zero forcing) Như ta đã biết, trong hệ thống MIMO, kênh truyền được biểu diễn là một ma trận mà các phần tử của nó là các kênh fading đa đường. Giá trị kênh này không được biết trước tại bộ thu tín hiệu vô tuyến. Do vậy, người ta thiết kế các bộ ước lượng kênh nhằm giúp khôi phục giá trị kênh truyền, và nhờ đó khôi phục chính xác tín hiệu đã phát. Bộ tách tín hiệu ZF còn có tên gọi là bộ tách tín hiệu LS (Least Square: bình phương nhỏ nhất). Bản chất của bộ tách tín hiệu LS là giả sử tạp âm bằng không rồi sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tìm các tín hiệu phát sn. Việc này tương đương với giải một hệ M phương trình với N ẩn số. Trong phương pháp tách ZF ta đã bỏ qua thành phần tạp âm, nên ta có phương trình toán học sau: Y= Hs (z=0) Trong đó : Y là tập tín hiệu thu được. S tín hiệu phát ban đầu. H là ma trận kênh truyền. Ta giả định rằng ma trận kênh truyền, tín hiệu y thu được đã biết. Vì vậy ta cần phải đi tìm tín hiệu phát s. Để tìm s ta cần tìm ma trận trọng số W thỏa mãn tính chất WH=I. Mặt khác hàm chi phí để tìm s được định nghĩa như sau : ŝ = arg {||y – Hŝ|} Trong đó ||.| biểu diễn phép lấy chuẩn (norm) của vector ma trận. Tức là chúng ta cần tìm ŝ sao cho tối giản hóa giá trị bình phương sai số sau:  = ||y – Hŝ| Qua các bước triển khai và lấy đạo hàm theo ŝ ta được: ŝ = (HH H)-1HHy Trong đó: H†= (HH H)-1HH được gọi là phép đảo ma trận giả bên trái (left pseudo-inverse) của H. Hay bỏ qua thành phần tạp âm z chúng ta có thể biểu diễn lại ŝ như sau : ŝ = (HH H)-1HH Hs Qua biểu thức trên ta thấy bộ tách tín hiệu ZF đã tách riêng ra từng tín hiệu phát Sn và loại bỏ can nhiễu từ tín hiệu khác. Hay can nhiễu từ các anten khác đã bị cưỡng bức bằng không. Kết hợp với các biểu thức ở trên ta tìm được ma trận trọng số W như sau , M ≥ N Vì giá trị W chỉ phụ thuộc vào ma trận kênh truyền H nên máy thu chỉ cần ước lượng ma trận H và sử dụng nó để tách các tín hiệu phát sn ở phía thu. Do H+ là phép đảo ma trận giả bên trái (số hàng phải lớn hơn số cột) tương ứng với số anten thu lớn hơn số anten phát nên trong trường hợp này chỉ áp dụng khi M> N. Tuy nhiên, sử dụng phương pháp SVD kết hợp với số nhân Lagrange chúng ta có thể tìm được ŝ dạng tương tự. ŝ =HH (HH H)-1y Trong đó H†† = HH (HH H)-1 được gọi là phép đảo ma trận bên phải (right pseudo-inverse) của H. Và có kết quả tương đương như sau: , M < N Trong Matlab, hàm pinv có thể áp dụng cho cả hai phép đảo ma trận giả bên phải và bên trái. Ví dụ : Xét một kênh MIMO có (N,M)=(3,4) với chòm sao 16QAM có các điểm là S’ ={} Ma trận kênh truyền H là Vector tín hiệu gửi đi là s= (1+i, -1-i, 1+3i)T, Sau khi tín hiệu đi qua kênh truyền H thì vector Y nhận được sẽ là : Y=Hs = Ma trận giả bên trái H+ được tính theo công thức : H+ = (HH.H)-1.HH như sau : Ta có ma trận H+H là : H+H= Lối ra bộ ước lượng ZF được tính như sau : = H+y = So sánh với tín hiệu gửi đi đã biết trước trên vị trí giản đồ chùm sao. Ta chọn tín hiệu là điểm chòm sao gần nhất trong bảng chòm sao ở bên phát ( khoảng cách gần nhất ứng với xác xuất lớn nhất.) Sau khi xác định được ta thu được vevtor quyết định sẽ là : Vậy bên thu đã tách được từng tín hiệu riêng rẽ và giống như tín hiệu đã phát. Đặc điểm của phương pháp tách ZF Ưu điểm : Bộ tách tín hiệu ZF đơn giản Có yêu cầu độ phức tạp tính toán thấp. Nhược điểm : - Do tạp âm bị bỏ qua nên khi thiết kế ma trận trọng số W nên bộ tách tín hiệu này chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm (noise amplification). Vì vậy, bộ tách tín hiệu ZF thường thích hợp với các kênh truyền có tỷ số SNR cao. 2.1.2. Bộ tách tín hiệu MMSE Bộ tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean Square Error: Sai số trung bình bình phương tối thiểu) để làm giảm thiểu sai số bình phương trung bình MSE Khác với bộ tách tín hiệu ZF bộ tách MMSE còn xem xét đến cả đặc tính tạp âm tại các nhánh anten thu. Ma trận trọng số: Phân tích hàm chi phí để tìm ma trận trọng số: Tức là chúng ta đi tìm ma trận trọng số W để tối giản hóa giá trị trung bình sai số bình phương giữa vector phát và vector ước lượng được, nghĩa là : ||s -y||2 = min Khi phát đi một tập tín hiệu sn € S ở phía phát, tín hiệu phát sau khi thu được ở phía thu sẽ được trừ đi tín hiệu ước lượng để tìm ra giá trị min. Ví dụ: Khi bên phát phát đi một tập tín hiệu có mức điện áp khác nhau (do ảnh hưởng của fading đa đường) : 1V 2V 3V 4V 5V… Giả xử như tín hiệu ước lượng được là 3,8V Để tìm được W min ta sẽ lần lượt thay từng tín hiệu phát trừ đi tín hiệu ước lượng |1V – 3,8V | = 2,8V |2V – 3,8V | = 1,8V |3V – 3,8V | = 0.8V |4V – 3,8V | = 0.2V |5V – 3,8V | = 1,8V Giá trị min = 0,2V vậy là ta tách được tín hiệu phát có mức điện áp là 4V Đặc điểm của MMSE Ưu điểm: - Khắc phục được nhược điểm của phương pháp ZF vì nó có tính đến thành phần tạp âm z ở phía phát nên không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm. - Đơn giản hơn và trong thực tế dễ triển khai nhờ các thuật toán thích nghi như LMS, RLS… - Độ tính toán phức tạp thấp - Có phẩm chất BER hay SNR tốt hơn so với bộ tách ZF Nhược điểm: Số lượng anten sử dụng lớn Đạt được tỉ số lỗi bit BER tương đối thấp 2.2. Các bộ tách tín hiệu phi tuyến 2.2.1. Bộ tách tín hiệu QRD Phương pháp này phân tích ma trận kênh truyền H thành tích của hai ma trận Q và R (M≥N): H= Q.R Trong đó: R Є C NxN là ma trận tam giác trên có dạng: Q Є C MxN là một ma trận đơn nhất có tính chất QH.Q= Q-1.Q =1. Nhân cả 2 vế của phương trình hệ thống y= H.s + z với QH ta có: QH.y = QH.H.s + QH.z Thay H= Q.R và phương trình trên QH.y = QH.Q.R.s + QH.z ó y.QH = R.s + QH.z Đặt y’ = y.QH và z’ = QH.z , ta được phương trình hệ thống mới là: y’ = R.s + z’ ó y’1 = R1,1. S1 + R1,2 S2 +. . . + R1,N. SN + z’1 y’2 = R2,2. S2 + R2,3 S3 +. . . + R2,N. SN + z’2 . . . y’N-1 = RN-1,N-1. SN-1 + RN-1,N SN + z’N-1 y’N = RN,N .SN + z’N Với z’: thành phần tạp âm Gauss độc lập. Do R và một ma trận tam giác trên nên phần tử y’i chỉ phụ thuộc và thành phần dưới y’j với j >i. Hay ta có thể biểu diễn phần tử dưới dạng như sau y’i như sau: yi’ = Ri,jsi +Ri,jsi + z’i Trong đó phần tử Ri,i .si là tín hiệu mong muốn thu được, phần tử thứ 2 là tổng hợp nhiễu từ các anten khác ( tức là tín hiệu của các anten lân cận), còn phần tử z’i biểu diễn tạp âm của hệ thống. Từ các phương trình trên ta dễ dàng tách được tín hiệu mong muốn từ thành phần y’N , do thành phần y’ của lớp cuối cùng N không chịu ảnh hưởng nhiễu từ các anten trước nên nó được tách dầu tiên. Sau đó nó được thay thế vào để khử nhiễu cho các thành phần lớp trên nó. Và như vậy ta tách lần lượt được các tín hiệu thu ở các anten tương ứng. Bộ tách tín hiệu V-Blast Về nguyên lý bộ tách tín hiệu V-Blast cũng tương tự như bộ tách QRD. Nó sử dụng phương pháp tách tín hiệu vòng lặp triệt nhiễu nối tiếp, tức là tại mỗi vòng lặp, sẽ chỉ có tín hiệu của một lớp được tách ra. Tín hiệu vừa tách được phản hồi lại vòng tiếp theo để triệt tiêu hoàn toàn khỏi tín hiệu thu nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nó đến quá trình tách các tín hiệu ở các lớp còn lại. Như vậy tín hiệu của lớp sau cùng được tách sẽ không bị ảnh hưởng của các lớp khác, do vậy càng tách sau thì tín hiệu có phẩm chất càng tốt (tức là ít lỗi hơn). Hình sau mô tả nguyên lý làm việc của bộ tách tín hiệu V-Blast Hình 2.4. Mô tả nguyên lý tách tín hiệu của bộ tách V-Blast Dựa vào mô hình trên ta có thể giải thích nguyên lý tách như sau: Tập các tín hiệu thu được từ các nhánh sẽ được đưa đồng thời vào bộ tách tín hiệu tuyến (có thể là tách bằng phương pháp ZF hoặc MMSE). Khối Order and Select sẽ cho phép chọn và sắp xếp ưu tiên thứ tự nhánh nào được tách trước, khối này sẽ đưa ra chỉ số ki của nhánh có sai số bình phương trung bình MSEmin để thực hiện tách ra nhánh đó bằng một trong hai phương pháp tách tuyến tính trên bằng việc tính toán các hàm chi phí tương ứng đối với từng phương pháp. Tín hiệu tương ứng với lớp đã xác định được : Trong đó wki là cột thứ ki của ma trận trọng số W đã được tính toán Tín hiệu sau khi tách được ở vòng này sẽ được phản hồi lại IC để triệt tiêu khỏi tập tín hiệu thu. Tập tín hiệu còn lại sẽ được tách lần lượt ở các vòng tiếp theo. Trong đó hki là vector được xây dựng từ cột ki của ma trận H . Ở các vòng sau thì tập tín hiệu giảm dần, do vậy tín hiệu tách được sẽ tốt hơn. Do vậy khi thực hiện tách, để đảm bảo chất lượng cho tín hiệu ở các nhánh thì ta ưu tiên tách các tín hiệu “khỏe” trước và các tín hiệu “yếu” được tách sau. Đặc điểm V-Blast V-Blast được nói đến với kênh truyền MIMO đạt được tốc độ dữ liệu cao. Luồng data được chia thành các luồng data nhỏ hơn độc lập nhau và gửi đi trên các anten khác nhau. Khi nghiên cứu V-Blast ta thấy chưa đạt được sự trao đổi phân tập hợp kênh tối đa tại tốc độ thấp: khả năng phân tập lớn nhất của các luồng dữ liệu bị giới hạn bởi số anten thu. Tuy nhiên, V-blast cũng không phải là tối đa cho kênh truyền tốc độ cao. Ví dụ cho kênh truyền 2x1 cho rằng một trong số các kênh truyền có hệ số là 0 và các kênh còn lại thỏa mãn (0,1). Khi đó phân tập đạt được bởi luồng dữ liệu được gửi trên anten phát đầu tiên với độ lợi phân tập và độ lợi hợp kênh nên kiến trúc này không đạt được sự trao đổi tối ưu cho kênh truyền MIMO. So sánh giữa ZF, MMSE, QR và V-Blast Hình 2.5. Sơ đồ so sánh phẩm chất của các phương pháp tách. Nhìn sơ đồ so sánh phẩm chất của các phương pháp tách ta thấy rằng V-Blast đạt được tỉ số BER tốt hơn. Ưu điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính có độ tính toán phức tạp thấp. Nhưng nhược điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính là phẩm chất tách tín hiệu tương đối thấp, đặc biệt khi sử dụng nhiều anten. So với bộ tách tín hiệu tuyến tính, các bộ tách tín hiệu phi tuyến có ưu điểm là có phẩm chất BER tốt hơn nhưng lại có nhược điểm về độ tính toán phức tạp hơn. - Bộ tách tín hiệu ZF thực hiện đơn giản hơn, tuy nhiên khi sử dụng phương pháp ZF không tính đến thành phần tạp âm nên khi thiết kế ma trận trọng số W thì bộ tách tín hiệu này chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm, vì vậy mà bộ tách tín hiệu ZF thường thích hợp với các kênh truyền có tỉ số SNR cao. - Bộ tách tín hiệu MMSE có xét đến cả các thành phần tạp âm nên khắc phục được nhược điểm của phương pháp ZF - Bộ tách tín hiệu QR có phẩm chất kém hơn nhưng có ưu điểm đơn giản và không yêu cầu độ tính toán cao. - Bộ tách tín hiệu V-Blast yêu cầu mức độ tính toán lớn hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được. Với yêu cầu tính toán cao như vậy thì bộ tách V-Blast kết hợp MMSE hay V-Blast kết hợp ZF cho phẩm chất BER cải thiện rất nhiều so với bộ tách tín hiệu khác. Với bộ tách QR: nhánh đầu tiên được tách sẽ có tốt hơn (tức là lớp cuối cùng được tách trước sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu từ các anten khác) Với bộ tách V-Blast : nhánh được tách sau cùng sẽ cho phẩm chất tốt hơn ( do sau mỗi vòng tách thì các nhiễu từ nhánh đó sẽ bị triệt tiêu nên không gây ảnh hưởng đến các nhánh còn lại, nhánh cuối cùng sẽ là độc lập và không bị ảnh hưởng của nhiễu) III. Ứng dụng của hệ thống MIMO 3.1. Wi-Fi Một trong những điều mong đợi nhất của người dùng thiết bị đầu cuối Wi-Fi không gì khác ngoài tốc độ và tầm phủ sóng. Tổ chức chuẩn hóa IEEE 802 đã chính thức thông qua chuẩn 802.11n cho Wi-Fi. Chuẩn 802.11n tốc độ cao đã ở trong tình trạng dự thảo trong thời gian gần 2 năm để các kỹ sư đưa ra các ý kiến khác nhau của họ. Khi trở thành một chuẩn chính thức, 802.11n chấp nhận các thiết bị cùng hoạt động với nhau, thậm chí từ các nhà cung cấp khác nhau. Sự chuẩn hóa IEEE sẽ đảm bảo tương thích các thiết bị và kết nối tốc độ cao. Về mặt lý thuyết, nó sẽ kết nối với tốc độ 300Mbps tức là nhanh hơn khoảng 6 lần tốc độ đỉnh theo lý thuyết của các chuẩn trước đó như 802.11g/a (54Mbps). Tốc độ điển hình cho chuẩn 802.11n được kỳ vọng đạt khoảng 144 Mbps. Các bộ định tuyến cung cấp hai luồng dữ liệu trong không gian sẽ có tốc độ nhanh hơn và theo lý thuyết sẽ đạt được 450 Mbps hoặc 600 Mbps. Chuẩn 802.11 trước đó bằng cách thêm vào anten MIMO, các kênh 40MHz và sự kết hợp khung trên lớp MAC. Anten MIMO sử dụng nhiều anten để gửi nhiều thông tin hơn khi sử dụng một anten. Nó cung cấp sự phân tập anten và ghép kênh không gian cho 802.11n. Sự ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatail Division Multiplexing) ghép nhiều luồng dữ liệu độc lập trong một kênh. MIMO/SDM có thể làm tăng đáng kể tốc độ dữ liệu khi số các luồng dữ liệu trong không gian tăng lên. Với 4 anten cho cả hai đầu cuối, chuẩn 802.11n có thể cho tốc độ lên tới 600Mbps. Các kênh 40MHz được kết hợp vào chuẩn 802.11n gấp đôi khoảng cách kênh 20MHz trong các chuẩn 802.11a/g trước đó. Điều này cho phép gấp đôi tốc độ dữ liệu trong một kênh đơn 20MHz. Hình 3.1. Các kênh 20MHz và 40MHz Tần số 2.4GHz có đủ không gian cho 3 kênh 20MHz không chồng lấn lên nhau, còn kênh 40MHz không có nhiều không gian cho các thiết bị khác tham gia vào mạng hay truyền dữ liệu trên cùng khu vực với chúng. Do đó việc chọn kênh 40MHz sẽ cải thiện hiệu năng cho toàn mạng WLAN Hình 3.2. Hệ thống cơ bản với hai ăng-ten MIMO có hai luồng SDM MIMO tận dụng hiện tượng tự nhiên của sóng trung tần được gọi là đa đường: thông tin được phát xuyên qua tường, cửa sổ và các vật chắn khác, anten thu tín hiệu nhiều lần qua các bộ định tuyến khác nhau ở các thời điểm khác nhau. Do đó tín hiệu đa đường nguyên gốc có thể bị bóp méo dẫn đến khó giải mã và kéo theo hiệu năng Wi-Fi kém. MIMO khai thác hiện tượng đa đường với kỹ thuật đa phân chia theo không gian SDM (space division multiplexing). Thiết bị phát WLAN chia gói dữ liệu ra thành nhiều phần, mỗi phần được gọi là chuỗi dữ liệu (Spatial Stream) và phát từng chuỗi dữ liệu qua các anten riêng rẽ đến các anten thu. Hình 3.3. Hệ thống MIMO NxM có N kênh phát và M kênh thu. Các tín hiệu từ mỗi kênh phát có thể đến kênh thu thông qua một đường duy nhất, cho phép ghép kênh không gian-kỹ thuật gửi nhiều luồng dữ liệu trong cùng một kênh, nhờ vậy tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng theo cấp số nhân. 3.2. Ứng dụng trong mạng thế hệ 3G, LTE MIMO là một phương thức truyền dẫn dữ liệu mới cho phép tăng nhanh dung lượng của kênh truyền vô tuyến. Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến đã được triển khai ứng dụng và đề xuất cho các hệ thống 3G trở đi. Các hệ thống vô tuyến đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output), đang được biết đến như một nền tảng cho công nghệ truyền dẫn thế hệ thứ 4 (4G). Sử dụng đa anten phát và đa anten thu, các hệ thống MIMO cho phép truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lên tới gigabit trong các môi trường truyền sóng không có tia truyền thẳng (NLOS: Non Light of Sight) Theo 3GPP, về lý thuyết, LTE với MIMO và dải phổ rộng hơn sẽ cho phép các nhà khai thác đạt tốc độ đỉnh đường xuống lên tới 326 Mbps và đường lên là 86 Mbps trong kênh 20Mhz và với an ten 4X4 MIMO. MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều an ten ở  máy phát và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 antenở thiết bị phát, 2 anten thu) được xem là cấu hình cơ bản. Hiệu ăng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó kỹ thuật ghép kênh không gian và phát phân tập là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE. MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền.Bằng cách sử dụng nhiều anten thu và phát với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đólàm tăng dung lượng kênh truyền. Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bít dữ liệu khác nhau trên cùng một khối tài nguyên tuyến xuống. Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng (SU-MIMO ) hoặc những người dùng khác nhau (MU-MIMO). Trong khi SU-MIMO tăng tốc độ dữ liệu cho 1 người dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lượng. Hình 3.4. Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO Tổng kết MIMO/SDM đã tạo ra những ưu thế mới cho wifi, tạo thế mạnh cho công nghệ này phát triển mạnh mẽ phục vụ ngày càng cao những nhu cầu về giải trí, truyền tải đa phương tiện… MIMO cũng được lên kế hoạch sẽ được sử dụng trong điện thoại di động đài phát thanh tiêu chuẩn như gần đây 3GPP và 3GPP2. Tiêu chuẩn 3GPP, High-Speed ​​Packet Access cộng (HSPA +) và Long Term Evolution (LTE) MIMO vào tài khoản. Hơn nữa, để hỗ trợ đầy đủ các môi trường di động, MIMO nghiên cứu bao gồm các tập đoàn Mascot-IST đề nghị để phát triển các kỹ thuật MIMO tiên tiến, ví dụ như, nhiều người sử dụng MIMO (MU-MIMO) . Công nghệ MIMO có thể được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây. Một ví dụ là các mạng gia đình tiêu chuẩn ITU-T G.9963 , trong đó xác định một hệ thống thông tin liên lạc đường dây điện sử dụng các kỹ thuật MIMO để truyền tín hiệu nhiều hơn nhiều dây AC (giai đoạn, trung tính và mặt đất). MIMO vẫn đang còn phát triển kết hợp với những công nghệ khác để tạo ra những đột phá mới trong công nghệ, ngày càng đáp ứng nhu cầu cao của con người trong thông tin liên lạc, giao lưu văn hóa…