CÁC HỆ THỐNG ANTEN MIMO TRONG WINPROP

CÁC HỆ THỐNG ANTEN MIMO TRONG WINPROP

Phát hành
V1.0
V2.0

Ngày phát hành
11/2010
2/2011

Thay đổi
Phiên bản đầu tiên của tài liệu
Phiên bản thứ hai của tài liệu

1. Động lực thúc đẩy
Công nghệ đa đường vào và đa đường ra được sử dụng trên nhiều anten ở cả máy phát và
máy thu để cải thiện hiệu suất truyền thông. Công nghệ MIMO thu hút được sự quan tâm trong
truyền thơng khơng dây, bởi vì nó cung cấp sự gia tăng đáng kể dữ liệu truyền qua nó và vùng
liên kết mà khơng cần tăng băng thơng và cơng suất truyền. Nó đạt được điều này bằng cách hiệu
suất phổ cao hơn (nhiều bit/giây/hz của băng thông) và độ tin cậy hoặc đa dạng liên kết (giảm


fading). Do các đặc tính đó, MIMO là một phần quan trọng của các chuẩn truyền thông không
dây tiên tiến như là WiMax, HSPA+, 3GPP LTE, 4G, và IEEE 802.11n (wifi)

Hình 1: Quy ước Hệ thống anten SISO (trên), và Hệ thống anten MIMO (dưới)
Cấu hình anten MIMO có thể sử dụng được cho ghép kênh theo không gian. Trong
trường hợp này một tín hiệu tốc độ cao được chia ra thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn và mỗi
luồng được truyền từ một anten truyền khác nhau trong kênh có cùng một tần số (Hình 1). Nếu
các tín hiệu đó đi đến được anten máy thu với đầy đủ các ký hiệu khơng gian khác nhau, máy thu
có thể tách riêng các luồng này thành các kênh song song.

Theo đó ghép kênh theo khơng gian bằng cách sử dụng các anten MIMO là một kỹ thuật
rất mạnh cho dung lượng kênh ngay càng tăng với các tỷ lệ Tín hiệu – nhiễu và can nhiễu
(SNIR) cao hơn. Số luồng khơng gian lớn nhất được giới hạn bởi ít hơn số lượng anten tại trạm
phát hoặc trạm thu.
Sơ đồ MIMO đặc trưng là MIMO 2x2 (2 anten cho mỗi bên phát và thu), và MIMO 4x4.
Trong trường hợp ghép kênh theo không gian mỗi thành phần anten MIMO truyền luồng dữ liệu
MIMO riêng biệt. Sơ đồ MIMO 4x4 truyền MIMO luồng 1 từ hai anten thành phần và MIMO
luồng 2 từ hai anten thành phần khác, do đó kết hợp MIMO với một hệ thống phân phối anten
(DAS). Máy thu bao gồm hai thành phần anten( cho tách riêng 2 luồng MIMO khác nhau)

2. Mơ hình trong WinPro
Xem xét các anten MIMO được trình chiếu đầu tiên trong kế hoạch thiết kế mạng vô
tuyến WinPro sơ đồ MIMO tương ứng có được lựa chọn trên giao diện (hình 2). Tùy thuộc vào
việc lựa chọn sơ đồ MIMO một số tương ứng các luồng dữ liệu riêng biệt được xem xét (Mỗi
MIMO 2x2 với 2 luồng song song hoặc MIMO 4x4 với 4 luồng song song)


Hình 2:Khơng gian Dao diện xác định bao gồm cả cơng nghệ MIMO
Phía dưới cái đặt các đặc tính chức năng nút bấm của hệ thống anten MIMO có thể được
xác định chính xác (Hình 3 và 4)

Tín hiệu Mào đầu
Khi truyền tải các luồng dữ liệu do chúng đồng thời tới ghép kênh theo không gian được
thêm vào một tín hiệu mào đầu yêu cầu mà làm giảm hiệu ứng tốc độ dữ liệu có thể đạt được.
Giá trị xác định là xem xét lần 1 cho MIMO 2x2 và lần 2 cho MIMO 4x4.


Hình 3: Thiết lập MIMO về Beamforming

Beamforming

Beamforming tại trạm phát có thể được thực hiện bởi xử lý khơng gian. Trong trường hợp
này tín hiệu tương tự nhau được phát ra từ mỗi anten phát với lượng góc pha phù hợp như vậy
cơng xuất tín hiệu là cao nhất tại đầu vào máy thu
Lợi ích của Beamforming là làm tăng thêm hệ số khuếch đại tín hiệu nhận được, bằng
cách làm tín hiệu phát ra từ các anten khác xây dựng thêm, và làm giảm hiệu ứng fading đa
đường. Ghép kênh khơng gian cũng có thể kết hợp Beamforming khi biết được kênh tại trạm
phát
Trong trường hợp khơng có tán xạ, các kết quả Beamforming trong định hướng của mơ
hình được xác định rõ, theo cách đó làm gia tăng hệ số khuếch đại anten cho tín hiệu mong muốn
và làm giảm hệ số khuếch đại anten cho tín hiệu gây can nhiễu.Kết quả hệ số khuếch đại anten
cho các tín hiệu mong muốn và tín hiệu gây can nhiễu có thể được xác định trong các cài đặt
MIMO (Hình 3) nếu Beamforming được sử dụng. Các giá trị đó sẽ được giữ tới 0 dB nếu
Beamforming không được áp dụng.

Can nhiễu giữa các luồng MIMO


Ghép kênh theo không gian bằng cách sử dụng các anten MIMO cho phép tăng lưu lượng
phụ thuộc vào tỷ số Tín hiệu – nhiễu - can nhiễu (SNIR). SNIR cũng được ảnh bởi can nhiễu
giữa các luồng MIMO khác.
Thiết lập MIMO về cung cấp 3 lựa chọn khác nhau cho mục đích này (Hình 4):
o Khơng can nhiễu(khoảng cách lý tưởng của các luồng khác nhau)
Nếu phân cực khác nhau được sử dụng (e.g. phân cực dọc cho MIMO luồng 1 và phân
cực ngang cho MIMO luồng 2) các luồng được phân tách tốt nhất là ở trong vùng LOS.
Như vậy một giả thiết đơn giản bỏ qua can nhiễu giữa các luồng MIMO khác nhau
o Khoảng cách không lý tưởng của các luồng đóng góp tương đối sự can nhiễu
Trong trường hợp này tất cả các tỷ số can nhiễu khoảng cách giữa các luồng được xác
định E.g 20dB với bất ký ý nghĩa nào đó cho một hệ thống MIMO 2x2 công suất nhận
cho MIMO luồng 1 sẽ làm tăng thêm mức độ can nhiễu cho MIMO luồng 2 (i.e. Công
suất nhận -20dB) và ngược lại. Xem xét các lựa chọn liên quan đến hằng số ảnh hưởng

can nhiễu thông qua vùng mô phỏng ( xét các giá trị công suất nhận riêng lẻ cho mỗi
luồng ở mỗi khu vực)
o Vị trí phụ thuộc xác định sự tác động của can nhiễu vào khoảng cách không lý tưởng của
các luồng
Xem xét lựa chọn vị trí máy thu riêng rẽ và các đặc tính của liên kết vơ tuyến tương ứng
(LOS/NLOS) cho sự tác động của can nhiễu. Để đảm bảo độ chính xác cao người sử
dụng sẽ xác định nếu phân cực khác nhau được sử dụng cho các luồng MIMO riêng rẽ
(e.g. phân cực dọc cho MIMO luồng 1 và phân cực ngang cho MIMO luồng 2), giảm bớt
các nhiễu, đặc biệt trong các điều kiện LOS.


Hình 4: Thiết lập MIMO về can nhiễu giữa các luồng MIMO khác nhau
Xác định Anten
Các vấn đề thuộc về anten nói chung tới các hệ thống MIMO được xác định theo cùng
một cách nhiều hơn các anten thông thường, i.e. vị trí, tần số sóng mang, và cơng suất
truyền của các anten được xác định như thông thường. Đối với mỗi phần tử anten MIMO
một anten riêng biệt được xác định trong ProMan.
Gọi Signal Group được thiệt lập trên cùng ID cho tất cả các anten thuộc về một hệ thống
MIMO. Hơn nữa có thể lựa chọn được luồng MIMO truyền.
Signal Group ID cho các anten thông thường được thiết lập riêng rẽ (do đó khơng có
luồng MIMO nào có thể được lựa chọn). Tất cả các anten nói chung tới một hệ thống
MIMO sẽ có chung sóng mang. Tùy thuộc vào việc đã chuyển sang Signal Group ID và
việc đã chuyển luồng MIMO các tín hiệu từ các anten khác nhau được kết hợp xây dựng
hoặc mỗi can nhiễu khác
Loại anten

Signal Group

Luồng MIMO

Anten thông thường

Riêng rẽ

Không sẵn sàng

Anten để DAS

A/B/C/….

Không MIMO

Anten để MIMO

A/B/C/ ….

MIMO luồng 1/ luồng 2


Sự lựa chon Signal Group và luồng MIMO có thể được thành lập trong cài đặt sóng mang
của máy phát (nhìn hình 5)

Hình 5: Thiết lập sóng mang cho máy thu với lựa chọn Signal Group
Tất cả các anten thuộc về một hệ thống MIMO sẽ có cùng Signal Group ID. Nếu chỉ một
hệ thống MIMO là sẵn sàng trong thiết kế của bạn nó được đề nghị sử dụng Signal Group
A cho tất cả các anten bất kì các phần nào của hệ thống MIMO

3. Lý Thuyết
Các kết quả tính tốn của MIMO
Đối với các bản đồ kết quả tính tốn của MIMO Cơng suất thu được (dBm) và SNIR (dB) được

tính cho mỗi luồng MIMO xác định (theo sơ đồ MIMO dự kiến) trong mỗi phần tử máy thu.
Trong thuộc tính này cũng như can nhiễu giữa các luồng MIMO khác nhau hoạt động trên cùng
sóng mang (và Signal Group ID) đã được xét (phụ thuộc vào sự lựa chọn option, nhìn hình 4)
Cuối cùng cho phép sơ đồ điều chế và mã hóa phụ thuộc vào SNIR đã được chọn.
Nếu cell phục vụ là một anten MIMO công suất nhận được là chồng chất các giá trị cơng suất tín
hiệu từ tất cả các anten trực thuộc tới hệ thống MIMO và truyền cùng luồng MIMO
Loại Anten

Công suất nhận được


Anten thông thường

Công suất nhận được từ cell phục vụ

Anten trực thuộc hệ thống anten phân phối
(DAS)

Sự chồng chất của các giá trị công suất nhận
được của tất các các anten trực thuộc tới DAS
của cell phục vụ

Anten trực thuộc hệ thống MIMO

Sự chồng chất của các giá trị công suất nhận
được từ tất cả các anten trực thuộc truyền
chung luồng MIMO như cell phục vụ

Tính tốn can nhiễu:
Thơng thường các tín hiệu nào được phát ra chung song mang nhưng sự can nhiễu từ các anten

khác với nhau như các tín hiệu riêng rẽ đã được truyền đi. Các tín hiệu nào đã được phát ra từ
các anten khác nhau nhưng trong phạm vi DAS chung khơng có can nhiễu (nếu chúng có chung
Signal Group ID). Nếu các anten trực thuộc một hệ thống MIMO nhiễu phụ thuộc vào luồng
MIMO truyền. Các anten truyền chung luồng MIMO được xét hoạt động như là 1 DAS ( như
trong 1 hệ thống MIMO 4x2). Nếu các anten truyền trên các luồng MIMO khác nhau sự can
nhiễu của chúng với nhau phụ thuộc vào từng vị trí riêng biệt (tách biệt khơng gian, cách sử dụng
của các phân cực ngang khác nhau, trường hợp LOS/NLOS). Hiệu ứng can nhiễu có thể được
phản xạ bởi sự lựa chọn option thích hợp trong tương tác tương ứng ( nhìn hình 4)

Anten 1

Anten 2

Can nhiễu (cùng sóng mang)

Anten thường

Anten thường

Có

Anten thường

Anten trực thuộc DAS A

Có

Anten trực thuộc DAS A

Anten trực thuộc DAS A

không

Anten trực thuộc DAS A
MIMO luồng 1

Anten trực thuộc DAS A
MIMO luồng 1

không

Anten trực thuộc DAS A
MIMO luồng 1

Anten trực thuộc DAS A
MIMO luồng 2

có

Anten trực thuộc DAS A

Anten trực thuộc DAS B

có

4. Ví Dụ


Phần trình bầy này một ví dụ hiểu nhất của tính năng MIMO trong WinPro. Nhìn hình 6 trường
hợp một văn phòng với hai anten (hệ thống MIMO phân phối). Cả hai anten dùng chung sóng

mang mặt khác sẽ khơng có sự can nhiễu kênh trong trường hợp đó.

Hình 6: Trường hợp văn phòng với hai anten (DAS hoặc MIMO 2x2)
Các tham số chính trong mạng được biểu diễn theo bảng
Tham số

Giá trị

Tần số

2630 MHz

Băng thông hệ thống

20 MHz

Công suất truyền

Công suất đường ra 5 dBm của PA

Độ cao anten

2.5m

Yêu cầu SNIR Mim (phụ thuộc vào MCS)

Trong khoảng -5.4 dB đến 17.2 dB

Giao diện Air

LTE

Cấu hình 2 anten khác nhau được phân tích theo sau:
•

Cấu hình 1: cả hai site được các anten thơng thường định hình 1 DAS ( Signal Group A)

•

Cấu hình 2: cả hai site được các anten MIMO ( Signal Group A) và truyền các luồng
MIMO riêng biệt ( site 1 MIMO luồng 1 và site 2 MIMO luồng 2).

Hình 7 và hình 8 các bản đồ tốc độ dữ liệu cho hai cấu hình đó


Hình 7: Tốc độ dữ liệu tối đa (DL) cho mạng DAS (cấu hình 1)


Hình 8: Tốc độ dữ liệu tối đa (DL) cho mạng MIMO 2x2 (cấu hình 2)
Trong hình 7 (cấu hình 1) cả hai anten hoạt động trên cùng sóng mang và dạng một hệ thống
anten phân phối. bởi các tín hiệu từ cả hai anten được xây dựng chồng chất và trạng thái SNIR
được cải thiện. Tuy nhiên tốc độ dữ liệu lớn nhất được giới hạn đến 75 Mbit/s như chỉ một luồng
dữ liệu được truyền đi.
Hình 8 Cấu hình 2 nơi một lần nữa cả hai anten hoạt động chung sóng mang, nhưng thời gian đó
site 1 và 2 dạng một hệ thống MIMO 2x2. Ở đây MIMO luồng 1 được truyền từ site 1 và MIMO
luồng 2 được truyền từ site 2 trong nhiều không gian. Tốc độ dữ liệu cao hơn có thể thực hiện
được cho tòa nhà văn phòng phù hợp ( giả thiết sự tách biệt các luồng MIMO khác nhau là lý
tưởng ). Nói chung hiệu suất phụ thuộc vào can nhiễu giữa các luồng MIMO

Hình 9: Tốc độ dữ liệu lớn nhất (DL) cho mạng MIMO 2x2 với các luồng MIMO hình dung
ra
Hình 9 MIMO luồng 1 và 2 hoạt động đóng góp vào tốc độ dữ liệu lớn nhất cho phần tử đặc
trưng ( mầu đỏ thể hiện luồng nhận được tốt nhất với tốc độ dữ liệu là lớn nhất, trong mầu đỏ
đậm các luồng MIMO khác được đưa ra)