NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG CẤU HÌNH MIMO CỠ RẤT LỚN

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG






Nguyễn Hữu Hưng



NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG CẤU HÌNH
MIMO CỠ RẤT LỚN



Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ



HÀ NỘI – 2014



Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: ………………………………
(Ghi rõ học hàm, học vị)


Phản biện 1: ………………………………………………………

Phản biện 2: ………………………………………………………





Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc
sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm




Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự bùng nổ của các thiết bị di động, cùng với những nhu cầu về
dịch vụ ngày càng đa dạng của con người, là những động lực phát triển mạnh
mẽ của lĩnh vực thông tin di động. Các nhu cầu về liên lạc, công việc cũng như

giải trí của con người càng ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất
lượng, ổn định và sự linh hoạt để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng.
Tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động là hữu hạn và đắt đỏ,
trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng cao, đã đặt ra nhiều thách thức cho các
nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà nghiên cứu. Một trong những giải pháp
để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến là công nghệ truyền thông vô
tuyến sử dụng đa ăngten, hay còn gọi là công nghệ truyền thông đa đầu vào và
đa đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output hay MIMO).
Hiện nay, mặc dù các hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ 3 (3G) và
thế hệ 4 (4G) đã được chuẩn hoá việc ứng dụng công nghệ MIMO để tăng tốc
độ hay độ tin cậy khi truyền dữ liệu. Tuy nhiên,các tiêu chuẩn hiện tại mới chỉ
quy định việc sử dụng các các cấu hình MIMO cỡ nhỏ. Ví dụ, hệ thống thông
tin di động 4G (3GPP LTE-Advanced) quy định trạm gốc có tối đa 8 ăngten
trong khi thiết bị đầu cuối có tối đa 4 ăngten.Điều này chưa cho phép phát huy
hết những tiềm năng mà công nghệ MIMO hứa hẹn mang tới.
Hệthống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡrất lớn (Massive MIMO) là
một kỹthuật thông tin đột phá mới, hứa hẹn phát huy hết khảnăng của công
nghệMIMO thông qua việc triển khai hàng trăm ăngten ởtừng trạm gốc và
sửdụng kỹ thuật MU-MIMO đểphục vụ đồng thời hàng chục người dùng. Được
đềcửchoPhiên bản 12 của bộ tiêu chuẩn 3GPP LTE/LTE-Advanced, công nghệ
này đang trởthành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Với những lý do trên,
hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡrất lớnlà một hướng nghiên cứu
2

đang được quan tâm trên thế giới. Tuy nhiên, ở Việt Nam, hệ thống thông tin sử
dụng cấu hình MIMO cỡrất lớn vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Từ động lực
đó, theo định hướng của người hướng dẫn khoa học, học viên lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ rất lớn” làm
nội dung nghiên cứu của luận văn cao học của mình.
Đề tài được cấu trúc gồm 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan về MIMO và ứng dụng trong thông tin di
động.
 Chương 2: Hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ rất
lớn.
 Chương 3: Mô phỏng.
 Chương 4: Kết luận và khuyến nghị.
Luận văn nghiên cứu hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ rất
lớn từ những khái niệm ban đầu và các khía cạnh cơ bản. Hệ thống được phân
tích dựa theo mô hình toán học và xử lý tín hiệu, từ đó có thể đưa ra những biểu
thức để đánh giá.Từ các phân tích toán học, luận văn cũng sẽ tiến hành mô
phỏng để làm rõ hơn các kết quả lý thuyết.Cuối cùng, dựa trên kết quả mô
phỏng thu được,học viên đưa ra một số nhận xét và đánh giá một cách trực quan
về hiệu năng hoạt động cũng như sự hứa hẹn của hệ thống MIMO cỡ rất lớn.
Học viên hy vọng luận văn có thể là một tài liệu tham khảo tiếng Việt có
giá trị cho những người bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống thông tin
MIMO cỡ rất lớn.



3

Chương 1. Tổng quan về MIMO và ứng dụng trong thông tin
di động
Chương này sẽ trình bày tổng quan một số nét chính về hệ thống truyền
thông MIMO. Bên cạnh đó sẽ đề cập đến các khái niệm MIMO đơn người dùng
(Single User MIMO hay SU MIMO) và MIMO đa người dùng (Multi User
MIMO hay MU MIMO) cùng với ưu, nhược điểm của từng mô hình.Sau đó là
tìm hiểu tình hình ứng dụng của SU-MIMO và MU-MIMO trong các tiêu chuẩn
di động 3GPP LTE/LTE-Advanced.
1.1. Tổng quan về MIMO

1.1.1. Giới thiệu MIMO
Hệ thống thông tin MIMO là viết tắt của cụm từ Multiple Input –
Multiple Output: hệ thống thông tin đa đầu vào – đa đầu ra. Trong lĩnh vực vô
tuyến, MIMOlà hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten ở
máy phát và ở máy thu nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện chất lượng
truyền thông tin.Ý tưởng của MIMO là sử dụng nhiều ăngten ở phát hoặc máy
thu, hoặc cả hai nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện chất lượng truyền
tin.
1.1.2. Mô hình hệ thống MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều
ăngten ở máy phát và máy thu.Để các hệ thống MIMO đạt được hiệu quả, yêu
cầu tương quan tín hiệu qua các ăngten phải thấp, dẫn đến môi trường truyền
sóng phải đủ ngẫu nhiên và khoảng cách giữa các ăngten trên cùng thiết bị phải
đủ lớn (khoảng cách tối thiểu giữa 2 ăngtenlà
/2

).
4

Mỗi cặp đầu vào, đầu ra được kết nối bằng một đáp ứng xung kênh
h
. Từ
đó, kênh MIMO có
t
M
đầu vào và
r
M
đầu ra sẽ được biểu diễn bằng một ma
trận

rt
MM

1.1.3. Dung lượng kênh MIMO
MIMO có thể khắc phục được các hạn chế về dung lượng kênh truyền
củaSISO. Với
t
M
ăngten phát và
r
M
ăngtenthu, trong môi trường fading
Rayleigh giàu tán xạ và biến đổi chậm, kênh MIMO
tr
MM
có dung lượng có
thể tăng tuyến tính theo số ăngten phát hoặc thu và có thể đạt đến
 
,
tr
r Min M M
lần dung lượng của kênh SISO truyền thống.
1.1.4. Các phương pháp truyền dẫn MIMO
Các phương pháp truyền dẫn có thể phân loại thành 2 nhóm: ghép kênh
theo không gian (SM: Spatial Multiplexing) và mã hóa không gian – thời gian
(STC: Space–Time Coding)
1.2. MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) và MIMO đa người dùng
(MU-MIMO)
1.2.1. MIMO đơn người dùng (SU-MIMO)
Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm-điểm hay MIMO đơn

người dùng (SU-MIMO).Tốc độ đạt được của hệ thống MIMO đơn người dùng
là:
   
 
22
ax ,
log 1 min , log 1 .
tr
r t r
t
m M M
M C M M
M



    



Giới hạn dưới đạt được trong trường hợp ma trận kênh là hạng 1, hay
đường truyền là đường truyền thẳng (LOS). Giới hạn trên đạt được trong trường
5

hợp thuận lợi nhất khi ma trận kênh là biến ngẫu nhiên i.i.d. Với điều kiện
đường truyền thuận lợi và một tỷ số SNR cao thì tốc độ có thể đạt được tỷ lệ
tuyến tính với số nhỏ hơn trong số ăngten phát và số ăngten thu.
1.2.2. MIMO đa người dùng (MU-MIMO)
Công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO), về cơ bản khác với SU-
MIMO bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau

cùng lúc, bằng cách tác động sâu hơn vào giao thức đa truy nhập. MU-MIMO
có thể được chia thành hai loại: kênh MIMO quảng bá (MIMO Broadcast
Channel hay MIMO BC) cho đường xuống; và kênh MIMO đa truy nhập
(MIMO Multiple Access Channel hay MIMO MAC) cho đường lên.
1.2.3. So sánh SU-MIMO và MU-MIMO
Phần này trình bày một số ưu, nhược điểm của MU-MIMO so với SU-
MIMO.
1.3. Ứng dụng của SU-MIMO và MU-MIMO trong LTE
Hệ thống MIMO trong 3GPP LTE/LTE-A quy định 2,4 hoặc 8 ăngten
phát và tối thiểu 2 ăngten thu ở đường xuống. Hệ thống này cũng quy định 1,2
hoặc 4 ăngten phát và tối thiểu 2 ăngten thu ở đường lên. Hệ thống MIMO có
thể được cấu hình SU-MIMO hoặc MU-MIMO. Những giới hạn này chưa cho
phép khai thác hết tiềm năng của công nghệ MIMO


6

Chương 2. Hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ rất
lớn
Chương này giới thiệu về hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ
rất lớn. Hệ thống được trình bày từ các khái niệm cơ bản, từ phân tích một số
tiềm năng có thể đạt được so với các mô hình truyền thống. Tiếp theo cũng
trình bày mô hình toán học của hệ thống, dùng để phân tích và đánh giá.
2.1. Giới thiệu hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ rất lớn
MIMO cỡ rất lớn là những hệ thống mà dùng các mảng với số ăngtenlên
tới hàng trăm. MIMO cỡ rất lớn sẽ dùng các ăngten để phục vụ cho một số nhỏ
hơn nhiều người dùng đồng thời, mà mỗi người dùng chỉ cần sử dụng đầu cuối
với ăngten đơn. Sự chênh lệch giữa số lượng ăngten ở trạm gốc và số người
dùng chính là điều kiện để hệ thống hoạt động tốt trong thực tế. Việc mỗi đầu
cuối chỉ sử dụng một ăngten đơn mang lại lợi ích trong việc tiết kiệm chi phí

đầu cuối. Tức là với các đầu cuối rẻ tiền hơn, vẫn có thể khai thác hết hiệu năng
cao mà MIMO cỡ rất lớn mang lại
Trong hệ thống MIMO cỡ rất lớn, thông tin trạng thái kênh (CSI: Channel
state information) là một yếu tố then chốt. MIMO cỡ rất lớn sử dụng MU-
MIMO, do đó trạm gốc cần thông tin về CSI đểtiền mã hóa ở đường xuống và
lọc thu ở đường lên. Để thu được CSI một cách thuận lợi, hệ thống sử dụng hoa
tiêu ở đường lên cùng với chế độ song công phân chia theo thời gian TDD. Quá
trình xử lý trong MIMO cỡ rất lớn có thể sử dụng các bộ mã hóa và lọc thu
tuyến tính đơn giản mà vẫn cho phép đạt được hiệu suất cao như MRC/MRT,
ZF…
Với mô hình đơn cell, hệ thống MIMO cấu hình cỡ rất lớn làm trung bình
hóa fading nhanh và hiệu ứng tạp âm nhiệt. Trong trường hợp đa cell, hệ thống
7

lại chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiễu hoa tiêu, do việc tái sử dụng tập hoa tiêu
tại các cell lân cận.
2.2. Phân tích hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ rất lớn
đơn cell
2.2.1. Mô hình kênh truyền
Mô hình kênh truyền MIMO cỡ rất lớn đơn cell được mô tả như Hình 2-
3.Hệ thống hoạt động ở chế độ song công phân chia theo thời gian TDD. Do đó
ma trận kênh của đường xuống là chuyển vị liên hợp của ma trận kênh đường
lên.
K
x
1
x
k
x
k

g
K
g
1
g

Hình 2-3 Mô hình kênh truyền đơn cell
Với mỗi đầu cuối ta có kênh truyền
k k k
gh


trong đó:
k
h
là ma trận cột mô tả fading phạm vi hẹp giữa đầu cuối thứ k và
Măngten ở trạm gốc.
-->