Hệ thống Angten MIMO trong WinProp

Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Mục lục
1. Cơ sở hình thành .................................................................................... 2
2. Tạo mơ hình trong WinProp .................................................................. 3
3. Nguyên lí ............................................................................................... 8
4. Minh họa ..............................................................................................10

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 1


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thông Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Hệ thống Angten MIMO trong WinProp
1. Cơ sở hình thành
Kỹ thuật sử dụng nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) là sử dụng nhiều angten
ở cả bên phát và bên thu để cải thiện hiệu năng thông tin truyền. Kỹ thuật MIMO
được tập trung trong thơng tin khơng dây, bởi vì nó tăng tầm quan trọng của lưu
lượng dữ liệu và phạm vi đường truyền khơng có thêm băng thơng hay nguồn
phát. Nó đạt được diều này là bởi hiệu suất phổ cao hơn ( thêm các bit truyền trên
giây trên Hz của băng thông) và chất lượng đường truyền hay sự phân tập ( làm
giảm hiệu ứng fading). Do các thuộc tính của chúng mà MIMO là một quan trọng
của các chuẩn thông tin khơng dây hiện đại ví dụ như WiMAX, HSPA+, phát triển
lâu dài 3GPP, 4G, và IEEE 802.11n (Wifi).

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 2


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Hình 1: ở trên là hệ thống angten SISO thông thường và ở dưới là hệ thống angten
MIMO.
Cấu hình angten MIMO có thể được sử dụng cho dồn kênh theo không gian.
Trong trường hợp này thì tín hiệu tốc độ cao được chia trong các đa luồng tốc độ
thấp và mỗi luồng được phát từ một angten phát khác nhau trong cùng một kênh
tần số ( nhìn hình 1). Nếu các tín hiệu đó tới mảng angten bên bộ thu với đủ các ký
hiệu không gian khác nhau, bên thu có thể chia riêng rẽ các luồng bên trong các
kênh song song.
Theo đó dồn kênh theo không gian sử dụng angten MIMO là một kỹ thuật rất
mạnh để tăng khả năng của kênh ở tỉ số tín hiệu tới nhiễu và giao thoa cao hơn
(SNIR). Số cực đại các luồng không gian được giới hạn bởi sự thấp hơn về số
lượng các angten tại bên phát hay bên thu.
Mơ hình MIMO điển hình là mơ hình MIMO 2x2 ( với 2 angten cho cả bên phát
và bên thu), và mơ hình 4x4. Trong trường hợp của dồn kênh theo khơng gian thì
mỗi thành phần angten MIMO phát một luồng dữ liệu MIMO riêng. Mơ hình
MIMO 4x2 phát luồng MIMO 1 từ 2 phần tử angten và luồng MIMO 2 là từ 2
phần tử angten còn lại, như vậy kết hợp MIMO với một hệ thống angten phân bố
(DAS). Bên thu gồm 2 phần tử angten ( cho riêng 2 luồng MIMO khác nhau).

2. Tạo mô hình trong WinProp
Để xem xét các anten MIMO trong WinProp, dự án đầu tiên quy hoạch mạng vô
tuyến ứng với mơ hình MIMO được lựa chọn trên trang Air interface. (như hình
Sinh viên thực hiện: Tơ Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 3


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thông Tin Di
Động Thế Hệ Mới
2). Phụ thuộc vào lựa chọn mơ hình MIMO, lượng đáp ứng của các luồng dữ liệu
MIMO riêng rẽ được xem xét ( Mỗi MIMO 2x2 với 2 luồng song song hay MIMO
4x4 với 4 luồng song song.

Hình 2: thiết lập Air interface cho kỹ thuật MIMO.
Phía dưới là các phím thiết lập thêm các thuộc tính của hệ thống anten MIMO có
thể được thực hiện ( như hình 3, 4).
Bổ sung phát tín hiệu
Khi mà các luồng nhiều dữ liệu được phát theo hướng song song để dồn kênh về
mặt khơng gian có thêm tín hiệu phát đã yêu cầu để giảm ảnh hưởng đến tốc độ dữ
liệu có thể đạt được. Gía trị đưa ra được xem xét 1 lần cho MIMO 2x2 và 2 lần
cho MIMO 4x4.

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 4


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Hình 3:Thiết lập MIMO tạo chùm tia quan tâm

Tạo chùm tia
Tạo chùm tia tại bên phát có thể thu được bằng xử lí khơng gian. Trong trường

hợp này thì cùng tín hiệu được phát từ mỗi anten phát với giá trị pha mà ở đó
nguồn tín hiệu được lớn nhất tại đầu vào bộ thu.
Tác dụng của tạo chùm tia là để tăng độ khuếch đại tín hiệu nhận được, bởi các tín
hiệu tạo ra đã phát từ các anten khác nhau thêm cấu trúc và làm giảm hiệu ứng
fading. Dồn kênh khơng gian có thể được kết hợp với tạo chùm tia khi mà kênh
được biết trước tại bên phát.
Thiếu vắng tán xạ, các kết quả tạo chùm tia trong một phương hướng đã được định
nghĩa, như vậy tăng độ tăng ích angten cho tín hiệu mong muoonss và giảm độ
tăng ích của angten cho tín hiệu giao thoa. Do đó, độ tăng ích của angten đối với
tín hiệu phục vụ và tín hiệu giao thoa có thể được định nghĩa trong phần thiết lập
MIMO ( MIMO setting) (như hình 3) nếu tạo chùm tia được sử dụng. các giá trị
đó sẽ là 0 dB nếu không sử dụng tạo chùm tia.

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 5


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thông Tin Di
Động Thế Hệ Mới
Sự giao thoa giữa các luồng MIMO
Dồn kênh theo không gian bằng sử dụng các angten MIMO cho phép tăng lưu
lượng phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu đến nhiễu và giao thoa (SNIR). SNIR cũng bị
ảnh hưởng bởi sự giao thoa giữa các luồng MIMO khác nhau.
Trang thiết lập MIMO cung cấp 3 lựa chọn khác nhau cho mục đích này ( nhìn
hình 4):
 Không giao thoa ( khoảng cách lý tưởng giữa các luồng).
Nếu sự phân cực khác nhau được sử dụng ( như phân cức hướng thẳng đứng
cho luồng MIMO 1 và phân cực hướng ngang cho luồng MIMO 2 ) các luồng
được phân cách rõ rang, đặc biệt là trong khu vực LOS. Như vậy một sự giả

định đơn giản là bỏ qua sự giao thoa giữa các luồng MIMO khác nhau.
 Sự đóng góp liên quan tới sự giao thoa ứng với khoảng cách khơng lí
tưởng của các luồng.
Trong trường hợp này, một tỉ số tổng đối với sự giao thoa giữa các luồng khác
nhau đã được thực hiện. E.p 20dB có nghĩa là đối với một hệ thống MIMO
2x2 thì năng lượng nhận được -20dB ) và ngược lại. Lựa chọn này xem xét
một sự giao thoa không đổi tác động qua tồn bộ phần mơ phỏng ( xem xét giá
trị nguồn nhận được cho mỗi luồng tại mỗi vị trí).
 Sự xác định phụ thuộc vị trí của sự giao thoa ứng với khoảng cách khơng lí
tưởng của các luồng.
Lựa chọn này xem xét vị trí bộ thu và thuộc tính của đường truyền vơ tuyến
tương ứng (LOS/ NLOS) cho sự tác động giao thoa. Để đảm bảo độ chính xác
cao thì người sử dụng sẽ định nghĩa nếu các sự phân cực khác nhau được sử
dụng cho các luồng MIMO đưa ra ( ví dụ phân cực theo hướng thẳng đứng
cho luồng MIMO 1 VÀ phân cực theo chiều ngang cho luồng MIMO 2), nó
làm giảm sự giao thoa, đặc biệt là tron điều kiện LOS.

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 6


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Hình 4: thiết lập MIMO cho sự giao thoa giữa các luồng MIMO khác nhau.

Định nghĩa angten
Nói chung các angten của các hệ thống MIMO đã được định nghĩa theo cùng kiểu
với các angten thong thường. như vị trí, tần số sóng mang, và nguồn phát của

angten được định nghĩa như bình thường. Đối với mỗi thành phần angten MIMO,
một angten riêng rẽ phải được định nghĩa trong ProMan.
Các nhóm tín hiệu ( Signal Group) phải được thiết lập với cùng ID cho tất cả các
angten của một hệ thống MIMO. Hơn nữa luồng MIMO phát phải được lựa chọn.
Đối với các angten thông thường, ID nhóm tín hiệu được thiết lập riêng rẽ ( như
vậy khơng có luồng MIMO nà có thể được chọn). Nói chung thì tất cả các angten
phụ thuộc tới một hệ thống MIMO phải có cùng sóng mang. Sự phụ thuộc vào ID
được gán cho nhóm tín hiệu và luống được gán cho MIMO các tín hiệu từ các
angten khác nhau được kết hợp xây dựng hay giao thoa lẫn nhau.
Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 7


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thông Tin Di
Động Thế Hệ Mới
Kiểu angten
Angten thông thường
Angten của DAS
Angten của MIMO

Nhóm tín hiệu
Riêng rẽ
A/ B/ C …
A/ B/ C …

Luồng MIMO
Không đưa ra
Không MIMO
Luồng MIMO 1/ luồng MIMO 2

Nhóm tín hiệu và luồng MIMO lựa chọn có thể được thấy trong thiết lập sóng
mang ( nhìn hình 5) của bộ phát.

Hình 5: thiết lập sóng mang cho bên phát với lựa chọn nhóm tín hiệu
Tất cả các angten của một hệ thống MIMO phải có cùng ID nhóm tín hiệu. Nếu
chỉ một hệ thống MIMO đưa ra trong dự án của bạn nó dược giới thiệu để sử dụng
nhóm tín hiệu A cho tất cả các angten mà nó là một phần của hệ thống MIMO.

3. Ngun lí
Tính tồn các kết quả MIMO:
Đối với tính tốn kết quả MIMO vẽ đồ thị nguồn thu nhận (dBm) và SNIR được
tính tốn cho mỗi luồng MIMO được định nghĩa ( theo mơ hình MIMO được thực
Sinh viên thực hiện: Tơ Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 8


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thông Tin Di
Động Thế Hệ Mới
hiện) trong mỗi điểm thu. Trong nội dung này cũng là sự giao thoa giữa các luồng
MIMO khác nhau hoạt động dựa vào cùng sóng mang ( và ID nhóm tín hiệu) được
xem xét ( phụ thuộc vào lựa chọn, nhìn vào hình 4). Cuối cùng cho phép điều biên
và mã phụ thuộc vào SNIF được chọn.
Nếu thành phần phục vụ là một angten MIMO, nguồn nhận là sự chồng chất của
các giá trị nguồn tín hiệu từ tất cả các angten của hệ thống MIMO và phát cùng
luồng MIMO.
Kiểu angten

Nguồn nhận

Angten thông thường

Nguồn nhận từ thành phần phục vụ

Angten của hệ thống angten phân bố
(DAS)

Sự chồng chất của các giá trị nguồn
nhận từ tất cả các angten của DAS của
khối phục vụ
Sự chồng chất của các giá trị nguồn
nhận từ tất cả các angten phát cùng
luồng MIMO như khối phục vụ.

Angten của hệ thống MIMO

Tính tốn giao thoa:
Thường thường các tín hiệu mà được phát xạ trên cùng sóng mang nhưng từ các
angten khác nhau giao thoa với lẫn nhau như các tín hiệu riêng rẽ được phát. Các
tín hiệu mà được phát xạ từ các angten khác nhau như với cùng DAS không có
giao thoa ( nếu chúng có cùng ID nhóm tín hiệu). Nếu các angten của một hệ
thống MIMO sự giao thoa phụ thuộc vào luồng phát MIMO. Các angten phát cùng
luồng MIMO được xem xét hoạt động như một DAS. Nếu các angten phát các
luồng MIMO khác nhau, chúng giao thoa lẫn nhau phụ thuộc vào trường hợp riêng
( khoảng cách không gian, sử dụng phân cực khác nhau, LOS/NLOS). Kết quả
giao thoa có thể được phản xạ bởi lựa chọn gần đúng hội thoại tương ứng ( nhìn
hình 4).

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 9


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thông Tin Di
Động Thế Hệ Mới
Angten 1

Angten 2

Giao thoa ( cùng sóng
mang)
Có

Angten thơng thường

Angten thơng thường

Angten thơng thường

Angten của DAS A

Có

Angten của DAS A

Angten của DAS A

Khơng

Angten của DAS A luồng
MIMO 1
Angten của DAS A luồng
MIMO 1
Angten của DAS A

Angten của DAS A luồng
MIMO 1
Angten của DAS A luồng
MIMO 2
Angten của DAS B

Khơng
Có
Có

4. Minh họa
Phần này đưa ra một ví dụ để hiểu rõ hơn về đặc điểm của MIMO trong WinProp.
Hình 6 đưa ra một bản vẽ phịng với 2 angten ( hệ thống phân bố MIMO). Cả 2
angten sử dụng cùng sóng mang – tuy vậy sẽ khơng có can nhiễu cùng kênh trong
bản vẽ

Hình 6: Bản vẽ phòng với 2 angten (DAS hay MIMO 2x2)
Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 10


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Các thơng số chính của mạng được đưa ra trong bảng dưới đây.
Thông số
Giá trị
Tần số
2630 MHz
Dải thông
20 MHz
Nguồn phát
5 dBm nguồn đầu ra của PA
Chiều cao angten
2.5m
SNIR yêu cầu nhỏ nhất ( phụ Giữa -5.4 và 17.2 dB
thuộc vào MCS)
Bề mặt khơng khí
LTE
Cấu hình 2 angten khác nhau được phân tích như dưới đây:
 Cấu hình 1: cả 2 đều là các angten thơng thường hình thành 1 DAS ( nhóm
tín hiệu A).
 Cấu hình 2: cả 2 đều là angten MIMO (nhóm tín hiệu A) và các luồng
MIMO phát riêng rẽ (vị trí1: luồng MIMO 1 và vị trí 2: luồng MIMO 2).
Hình 7 và hình 8 đưa ra bản vẽ tốc độ dữ liệu cho 2 cấu hình trên.

Hình 7: tốc độ dữ liệu lớn nhất cho mạng DAS ( cấu hình 1)

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 11


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di

Động Thế Hệ Mới

Hình 8: tốc độ dữ liệu cực đại cho mạng MIMO 2x2 ( cấu hình 2).
Trong hình 7 (cầu hình 1) cả 2 angten hoạt động dựa vào cùng sóng mang và hình
dạng một hệ thống angten phân bố. Bởi vì điếu đó mà các tín hiệu từ cả 2 angten
được xây dựng chồng chất và cải thiện trường hợp SNIR. Tuy nhiên tốc độ dữ liệu
cực đại được giới hạn là 75Mbit/s với chỉ một luồng dữ liệu được phát.
Hình 8 đưa ra cấu hình 2 ở đó lại có 2 angten hoạt động cùng với sóng mang,
nhưng ví trí thời gian 1 và 2 kiểu một hệ thống MIMO 2x2. Ở đây luồng MIMO 1
được phát từ vị trí 1 và lng MIMO 2 được phát từ vị trí 2 trong dồn kênh theo
khơng gian. Theo đó thì tốc độ dữ liệu cao hơn có thể đạt được cho phần lớn của
tịa nhà văn phòng ( giả thiết ở đây là cách biệt lí tưởng của các luồng MIMO khác
nhau). Nói chung hiệu suất cũng phụ thuộc vào sự giao thoa giữa các luồng
MIMO ( như hình 4).

Sinh viên thực hiện: Tơ Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 12


Tiểu Luận Môn: Tối Ưu Vô Tuyến Cho Các Mạng Thơng Tin Di
Động Thế Hệ Mới

Hình 9: Tốc độ dữ liệu cực đại cho mạng MIMO 2x2 với luồng MIMO ảo.
Hình 9 đưa ra luồng MIMO tích cực 1 và 2 cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại cho
một điểm thực hiện ( màu đỏ đưa ra luồng thu nhận tốt nhất với tốc độ dữ liệu cực
đại, màu đỏ sẫm với luồng MIMO khác thu được).

Sinh viên thực hiện: Tô Văn Hùng. MSHV: CB110858

Page 13