Kỹ thuật đa anten trong hệ thống Wimax

KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG HỆ THỐNG WIMAX 24.12.2007 10:32 KS. Nguyễn Văn LợiTóm tắt:WiMAX là công nghệ không dây truyền dẫn dữ liệu băng rộng với hiệu suất băng thông trên 3 bit/s/Hz. Để tăng phạm vi và độ tin cậy của các hệ thống WiMAX, tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 hỗ trợ tùy chọn các kỹ thuật đa anten như: mã hóa không gian – thời gian Alamouti (STC), hệ thống anten thích nghi (AAS) và các hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO). Bài này chỉ tập trung vào kỹ thuật không yêu cầu phải biết kênh truyền tại máy phát, nên tập trung vào phân tích các hệ thống Alamouti STC và MIMO, không quan tâm đến hệ thống AAS. Bài gồm 2 phần: Phần đầu: kỹ thuật phân tập đơn giản chỉ cần một chuỗi cao tần (RF) đơn tại bộ thu. Thực hiện mã hóa không gian – thời gian (STC) so sánh với không thực hiện STC. Quá trình mô phỏng cho thấy STC đạt được 2 – 10dB trên một hệ thống anten đơn, có thể gấp đôi phạm vi cell và gấp bốn vùng phủ sóng của cell. Với STC, các chuỗi đa tần số vô tuyến (RF) được bổ sung tại trạm gốc (BS) nhằm chuyển chi phí ra khỏi trạm thuê bao phụ (SS), vì vậy chọn thị trường tập trung cho phát chính, các mạng hiệu năng cao theo chuẩn IEEE 802.16-2004. Phần hai: nghiên cứu tiêu chuẩn kỹ thuật MIMO và đề ra phi chuẩn mới cải tiến thuật toán cho vòng mở MIMO. Một không gian tần số  bộ chèn bit có thể đạt được 2 – 4dB trên chỉ một tần số được chèn hiện diện. Một MIMO 2×2 có thể tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu tại một vùng phủ sóng thu hẹp. Một bộ thu lặp lại được sử dụng để tăng vùng phủ sóng, đạt được 5dB với thêm baseband phức tạp. Mục đích của bài này là cung cấp ý tưởng về lợi ích của các hệ thống đa anten so với hệ thống đơn anten trong triển khai WiMAX.I. Giới thiệu. Vô tuyến băng rộng hứa hẹn sẽ mang đến dữ liệu tốc độ cao cho nhiều người sử dụng ở những vùng địa lý khác nhau, nơi các đường truyền dây dẫn quá tốn kém, bất tiện, hoặc không dùng được. WiMAX là một công nghệ dành cho vô tuyến băng rộng thương mại có khả năng tập trung thị trường bằng việc ứng dụng kỹ thuật tiêu chuẩn cơ bản IEEE 802.16. Các tiêu chuẩn không dây quan trọng khác gồm IEEE 802.11, dành cho các mạng cục bộ (LAN) tốc độ cao và IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân (PAN) phạm vi hẹp.Công nghệ WiMAX dựa trên chuẩn IEEE 802.16, đặc tính của IEEE 802.16-2004 và 802.16e sửa đổi bổ sung là đặc tính lớp vật lý (PHY). Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 nhằm dùng chủ yếu cho truyền cố định trong khi IEEE 802.16e sửa đổi bổ sung để phát triển cho cả hai dạng truyền cố định và di động.Trong khi có nhiều điều chế được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.16, trong phạm vi bài này chỉ xét đến ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) bởi vì điểm mạnh của OFDM là truyền đa đường và không bị ràng buộc trong việc tận dụng kỹ thuật đa anten. Hơn nữa, chỉ tập trung vào công nghệ IEEE 802.16-2004 khi nó đã được thông qua.IEEE 802.16-2004 hiện nay hỗ trợ nhiều lựa chọn đa anten gồm mã thời gian – không gian (STC), hệ thống anten đa đầu vào – đa đầu ra (MIMO), hệ thống anten thích nghi (AAS).Có nhiều thuận lợi trong việc sử dụng kỹ thuật đa anten hơn kỹ thuật đơn anten: •    Mảng độ lợi: độ lợi thu được bằng cách sử dụng nhiều anten vì vậy tín hiệu thêm mạch lạc.•    Phân tập độ lợi: độ lợi thu được bằng cách tận dụng đa đường dẫn vì vậy xác suất mọi đường dẫn đều hỏng ít khi xảy ra. Thực tế, phân tập độ lợi có liên quan tới công nghệ của máy phát và máy thu để đạt được đa “looks” tại kênh fading. Các sơ đồ này đang cải thiện hoạt động bằng cách tăng độ tin cậy của cường độ tín hiệu thu được trong tín hiệu vô tuyến có fading hiện diện. Phân tập có thể được khai thác trong không gian (anten), thời gian, hoặc kích thước của phổ (tần số).•    Loại bỏ can nhiễu đồng kênh (CCIR): đây là sự loại bỏ các tín hiệu bằng cách sử dụng kênh khác nhau để đáp ứng can nhiễu. Một sơ đồ chung cho cả hai mảng độ lợi và phân tập độ lợi là tổ hợp với tỉ số tối đa: kết nối đa đường thu dẫn đến tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) lớn nhất. Chọn phân tập, bằng cách khác, chủ yếu giới thiệu phân tập độ lợi; các tín hiệu không được kết nối; đúng hơn là tín hiệu từ anten tốt nhất được chọn.Với AAS, nhiều tín hiệu chồng lên nhau có thể được truyền đồng thời sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA), kỹ thuật này khai thác chiều trong không gian để truyền đa beam riêng biệt trong không gian. SDMA sử dụng CCIR, phân tập độ lợi, mảng độ lợi.Các hệ thống MIMO, ghép kênh trong không gian thông thường được ứng dụng. Ghép kênh không gian truyền dòng dữ liệu được mã hóa qua các vùng không gian khác. Một vài kỹ thuật như BLAST không yêu cầu hồi đáp (feedback), trong khi loại khác như mã hóa vectơ trong một mode của kênh thì lại sử dụng. Kỹ thuật MIMO có thể sử dụng CCIR, phân tập độ lợi và mãng độ lợi. Một dạng truyền các mã được sử dụng trong hệ thống MIMO là STC.Khả năng hoạt động cao hơn và can nhiễu thấp hơn của MIMO và AAS làm cho chúng trở nên lôi cuốn qua các kỹ thuật tốc độ cao khác cho các hệ thống WiMAX trong các băng tần đắt tiền hoặc được cấp phép.Với WiMAX, hệ thống MIMO đơn giản nhất thực tế là mã STC đa đầu vào một đầu ra (MISO) được gọi là mã Alamouti. Để thực hiện hệ thống này cần 2 anten tại trạm gốc (BS). Mã Alamouti cung cấp độ lợi phân tập truyền lớn nhất cho 2 anten. Sơ đồ phân tập truyền khác là phân tập trễ chu kì. Một lợi thế chính của phân tập truyền là có thể được thực hiện tại trạm gốc, nên chi phí đầu tư tập trung vào trạm gốc, việc mở rộng các trạm thuê bao phụ sẽ trở nên dễ dàng hơn (đầu tư ít, kỹ thuật không phức tạp), cho phép các sản phẩm dòng 802.16 thâm nhập vào thị trường nhanh chóng hơn.Một trong những lợi thế của kỹ thuật OFDM là không bị ràng buộc với kỹ thuật đa anten mà có thể được tận dụng để tăng vùng phủ sóng và tăng tốc độ dữ liệu (một hệ thống mô tả được cho dưới đây). Sử dụng hệ thống tổng quát này, sẽ thấy được lợi ích chính của hệ thống OFDM  trên một hệ thống đơn sóng mang trong môi trường truyền đa đường để giải thích tại sao OFDM ít phức tạp hơn các hệ thống MIMO và AAS. Bài này sẽ bàn luận đến một thực thi tại điểm cố định của bộ thu Alamouti. Các mô phỏng tại điểm cố định cho thấy kết quả thu được có hiệu quả cao. Một vài khía cạnh về công nghệ cũng sẽ được bàn luận. Tiếp theo sẽ bàn luận nhiều lựa chọn phân tập đơn giản khác, phân tập trễ chu kì, phân tập chọn, để cải tiến hoạt động của hệ thống. Sau đó sẽ mô tả các sơ đồ tiên tiến hơn mà có thể được sử dụng để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn. Bài viết này cũng sẽ giới thiệu các kỹ thuật vòng lặp mở cho các hệ thống đa anten, gồm tiêu chuẩn tương hợp MIMO cân bằng, chèn không gian - tần số, giải mã lặp.II. Mô tả hệ thống.Mô tả lớp vật lý (PHY) của hệ thống truyền thông tổng quát. Hoạt động của lớp vật lý có tương quan chặt chẽ đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, các thực thể có mức cao hơn như gởi yêu cầu tự động (ARQ) để truyền lại cũng có thể tác động đến hoạt động của hệ thống.Một môi trường không dây hứng chịu từ nhiều đường truyền. Đa đường truyền cũng có thể hiểu đơn giản như đa đường dẫn là nơi có nhiều sóng phản xạ từ máy phát đến đầu thu tại các thời điểm khác nhau. Hình 1 mô tả đặc điểm này, a và b là độ lợi của đường dẫn,   và   là thời gian trễ. Đường phản xạ thực tế là tổng của nhiều đường phản xạ từ vật cản, nguyên nhân gây ra fading. Truyền đa đường gây ra can nhiễu liên ký tự (ISI) bù đắp cho bộ cân bằng trong các hệ thống đơn sóng mang. Các bộ hiệu chỉnh được tính toán chuẩn xác để so sánh với bộ xử lí yêu cầu trong các hệ thống OFDM. Do đó, OFDM thích hợp hơn trong các đường truyền đa đường. Một sơ đồ khối của OFDM được cho ở hình 2. Chỉ cần tiền tố chu kỳ CP dài hơn các cái khác trong truyền đa đường đến vài lần (times), hoặc độ rộng của đa đường, sẽ không cần sử dụng bộ hiệu chỉnh. CP chú tâm vào đầu ra của biến đổi fourier ngược (IFFT) với mẫu L cuối của đầu ra IFFT, trong đó L là chiều dài của CP. Thuật ngữ: X[k] là kí hiệu thông tin được truyền trên sóng mang phụ k. H[k] là đáp ứng của sóng mang phụ vô hướng và giá trị của nó có liên quan đến đáp ứng kênh số của FFT h(t), V[k] là nhiễu, Y[k] là đầu ra. Tập hợp đầy đủ các đầu vào {X[k]} được gọi là truyền kí hiệu OFDM, và tập hợp các tín hiệu giải điều chế {Y[k]} được gọi là thu kí hiệu OFDM. Trên một sóng mang phụ là sóng mang phụ cơ sở, không có nhu cầu cho một bộ hiệu chỉnh.Xem một hệ thống MIMO không có nhiễu biểu diễn trên hình 4. Trong  hình này, mỗi tia tương ứng đến một kênh truyền đa đường. Từ điểm quan sát của một sóng mang phụ, mỗi kênh truyền đa đường rẽ đến một nhánh đơn vô hướng. Sóng mang phụ k có thể được biểu diễn như trong hình 3 bên dưới. Trong hình 4, Yi[k] là đầu ra sóng mang phụ thứ k của anten thu i, Hij[k] là độ lợi sóng mang phụ thứ k từ anten phát j đến anten thu i, Xj[k] là đầu vào sóng mang phụ thứ k từ anten j.Trong trường hợp sóng mang đơn, mỗi phần tử của ma trận sẽ là đáp ứng kênh của truyền đa đường. Dựa trên các khái niệm, xử lí tín hiệu rất phức tạp; tuy nhiên các hệ thống có thể đơn giản.Không có suy hao, biểu thức của OFDM được viết lại như sau: Y = H * X + N                (1) Trong đó Y, H, X là các thông số chung tương ứng của hệ thống 2 anten phát và 3 anten thu, N là nhiễu và can nhiễu. Với một hệ thống tổng quát, H là ma trận (Mt, Mr) đại diện cho số anten phát và anten thu. Kênh nhiễu Gaussian (AWGN), theo lý thuyết tỉ lệ dữ liệu truyền thu được lớn nhất của hệ thống này được cho bởi biểu thức của Shannon: Trong đó, P là công suất truyền, N0 là mật độ phổ công suất nhiễu, B là băng thông của tín hiệu. Một hệ thống MIMO Mt×Mr có thể cung cấp đến M = min (Mt, Mr) lần hiệu suất phổ của một hệ thống 1×1. 1. STC và các sơ đồ phân tập tiêu chuẩn tương thích khác.Trạm gốc BS có thể chịu nhiều chi phí và phức tạp hơn trạm thuê bao phụ SS, vì vậy dãy đa anten là lựa chọn tốt nhất tại trạm gốc BS, có thể ứng dụng kỹ thuật phân tập ở bộ thu. Các kỹ thuật này gồm có chuyển phân tập và tổ hợp tỉ số cực đại. Để cân bằng link, trạm thuê bao phụ SS cần được cải tiến. Nhiều phương án truyền dẫn được tận dụng tại trạm gốc yêu cầu chỉ một anten thu tại trạm thuê bao phụ. Hai phương án phân tập phát là phân tập trễ tuần hoàn và phân tập phát Alamouti. Bày này chủ yếu tập trung vào phân tập phát Alamouti.a. Phân tập phát Alamouti.Sơ đồ phân tập phát Alamouti là một STC bởi vì nó có thể gởi thông tin trên 2 anten phát và gồm hai đường truyền liên tục tại 1 thời điểm. Do đó nó có thể truyền thông tin trong không gian và thời gian.Theo tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 OFDM-256 mã Alamouti được ứng dụng cho một sóng mang phụ đặc biệt k. Giả định rằng hệ thống giải mã S1[k] và S2[k] được gởi đi trong đường truyền ký tự OFDM thứ nhất và thứ hai. Ký tự mã hóa Alamouti gởi S1[k] và S2[k] đi trên anten thứ nhất và thứ hai trong đường truyền đầu tiên và S2*[k], S1*[k] đi trên anten thứ nhất và thứ hai trong đường truyền kế tiếp.Bộ thu giải điều chế nhận dạng sóng từ một vài hoạt động đơn giản như sau. Để Y1[k] và Y2[k] nhận kí hiệu OFDM thứ nhất và thứ hai, tương ứng. Để C1[k] và C2[k] đáp ứng kênh cho sóng mang phụ thứ k của anten phát thứ nhất và thứ hai. Nếu nhiễu V1[k] và V2[k] không tương quan với nhau thì toàn bộ SNR đạt được cực đại và bằng   (S/N). Chú ý rằng cả C1[k] lẫn C2[k] cần mất dần trong toàn bộ xử lí kí hiệu. Hệ thống này có hai phần phân tập. Với hệ thống có k phần phân tập, tỉ lệ bit lỗi (BER) tương ứng với biểu thức (1/SNR)k trong môi trường fading. b. Chi tiết hoạt động của Alamouti. Có một số đặc tính của phân tập phát Alamouti theo tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 OFDM-256 mà chúng ta cần quan tâm. Một là tiêu đề của phân tập phát Alamouti được truyền từ hai anten với các sóng mang phụ chẵn truyền trên anten 1 và các sóng mang phụ lẻ truyền trên anten 2. Điều này có nghĩa là mỗi tập hợp dữ liệu cần được giải quyết ổn thỏa, được thực hiện bằng cách mô phỏng. Hai là các pilot có những tình trạng thoái hóa nhất định: cho Alamouti đầu tiên được truyền kí hiệu, thêm các pilot phá hoại và cho Alamouti thứ hai được truyền kí hiệu, thêm các pilot xây dựng. Tuy nhiên, các pilot không thể luôn luôn hữu ích vì thế phải xử lý đúng mức những pilot ký hiệu cần. Trong mô phỏng một kỹ thuật trên được sử dụng.Xin giới thiệu chi tiết sơ đồ khối chuỗi hoạt động của Alamouti. Quá trình hoạt động này có hai phần. Một là tính toán các thông số cần thiết cho dữ liệu giải điều chế như ước lượng kênh. Hai là dữ liệu thực tế giải điều chế và tự điều chỉnh (tracking). Hình 5 mô tả các thông số đánh giá của từng phần. Trong phần này hai kênh được đánh giá, đánh giá kênh sử dụng tính toán hệ số cân bằng Viterbi. Ei là năng lượng trung bình của đường truyền thứ i.