Chương 10 Kỹ Thuật Đa Anten Bài Giảng Cơ Sở Kỹ Thuật Thông Tin Vô Tuyến

Nguyễn Viết Đảm 1

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

BÀI GIẢNG

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN KHOA VIỄN THÔNG 1

Hà nội 04-2017

Chương 10

KỸ THUẬT ĐA ANTEN

Nguyễn Viết Đảm

Khoa Viễn thông 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội

Điện thoại: 0912699394

Email: [email protected]

Nguyễn Viết Đảm 2

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

Khai thác tài nguyên vô

tuyến chưa triệt để.

Khai thác tiềm năng của

các thành phần và node

mạng chưa triệt để.

Khai thác CSI chưa triệt

để.

Việc phối kết hợp chưa cao.

• Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM,…

• Quy hoạch và tối ưu mạng, mạng tự tối ưu, SON,…

• Phân bổ tài nguyên tối ưu và lập lịch động, cơ chế thích ứng: AMC, AOFDM,…

Tài nguyên bị hạn chế và khan

hiếm

Nhu cầu chiến dụng ngày

càng gia tăng

Chất lượng và an ninh kém Yêu cầu chất lượng ngày

càng cao

Đặc

điểm

cơ

bản

Giải

pháp

điển

hình

Môi trường vô

tuyến

Yêu cầu và nhu

cầu

Mạng truyền thông vô

tuyến hiện tại

Đối tượng

NC:

Khám phá, Khai thác hiệu quả & triệt để tài

nguyên nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng

TIẾN HÓA TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Ý tưởng

NC

Khai thác hiệu quả và triệt

để tài nguyên vô tuyến

Khai thác triệt để năng lực

và tiềm năng của các thành

phần và nút mạng.

Đối phó, khắc phục các

nhược điểm.

Khai thác triệt để CSI.

 Vô tuyến khả tri: Phát hiện và khai thác

phổ tần rỗi (cảm nhận môi trường và

phân bổ tài nguyên)

 Vô tuyến hợp tác: Hợp tác, phối kết hợp

giữa các nút mạng và các phần tử để tăng

độ chính xác cảm nhận, mã hóa mạng

động,…

 Vô tuyến UWB, Massive MIMO, RoF….

Mục tiêu:

Tối đa hóa hiệu

năng (dung lượng

và chất lượng) và

hiệu quả chiếm

dụng năng lượng

Nguyễn Viết Đảm 3

Tiến hóa Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến truyền thông vô tuyến và vô tuyến UWB

Môi trường vô

tuyến

Yêu cầu và nhu

cầu

Mạng truyền thông vô

tuyến hiện tại

• Khai thác tài nguyên VT

chưa triệt để.

• Khai thác tiềm năng của các

thành phần và node mạng

chưa triệt để.

• Khai thác CSI chưa triệt để.

• Việc phối kết hợp chưa cao.

• Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM…

• Quy hoạch và tối ưu mạng, mạng tự tối ưu SON…

• Phân bổ tài nguyên tối ưu và lập lịch động, cơ chế thích ứng: AMC, AOFDM…

Khai thác hiệu quả và triệt để tài nguyên vô tuyến ở

dạng đồng hoạt động và chồng phổ tần.

Khả năng đề kháng với kênh pha đinh.

Dung lượng lớn.

Định vị chính xác.

Vô tuyến hóa thiết bị cá nhân.

Vi mạng hóa, truyền thông xanh.

Mục tiêu:

Tối đa hóa hiệu

năng (dung lượng

và chất lượng) và

hiệu quả sử dụng

năng lượng

Tài nguyên bị hạn chế và khan

hiếm

Nhu cầu chiến dụng ngày

càng gia tăng

Chất lượng và an ninh kém Yêu cầu chất lượng ngày

càng cao

Đặc

điểm

cơ

bản

Vô tuyến

UWB

Giải

pháp

điển

hình

Đối tượng NC:

Khám phá, Khai thác hiệu quả & triệt để tài

nguyên nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng

Nguyễn Viết Đảm 4

Tốc độ Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến tiến hóa truyền thông vô tuyến: Mô hình hóa và mô phỏng

- Các tham số đặc trưng của MT động (CSI động)

- Tài nguyên hạn chế và khả dụng động như: hố

phổ, chồng phổ (cơ hội chiếm dụng và chia sẻ tài

nguyên)…

- Tài nguyên bị hạn chế (mã, công suất, băng

thông…)

- Nhu cầu chiếm dụng tài nguyên động…

- Tính công bằng mềm dẻo, mức độ ưu tiên

Môi trường VT

(cảm nhận)

Yêu cầu cao

(các ràng buộc)

Ý tưởng NC

Tối đa hóa

hiệu năng

 Tính chất động, tính ngẫu nhiên của

môi trường vô tuyến và điều kiện ràng

buộc.

 Khó khăn thách thức…

 Xử lý tín hiệu tiên tiến, thư viện

chương trình xử lý tín hiệu trong các

ngôn ngữ lập trình

 Kiểm chứng, phê chuẩn kết quả

nghiên cứu

Cơ sở và

công cụ

nghiên cứu

Mô hình hóa và

mô phỏng hiệu

quả và chính xác

Góp phần gia tăng

tốc độ tiến hóa ?

Tối đa hóa hiệu năng (dung lượng và chất

lượng) và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Mục tiêu

Nguyễn Viết Đảm 5

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G

Wireless Communication Networks

 A Potential 5G Wireless Cellular Architecture

 Promising Key 5G Wireless Technologies

 Massive MIMO

 Spatial Modulation

 Cognitive Radio Networks

 Mobile Femtocell

 Green Communications

 Visible Light Communication

 Future Challenges in 5G Wireless Communication Networks

 Optimizing Performance Metrics

 Reducing Signal Processing Complexity for Massive MIMO

 Realistic Channel Models for 5G Wireless Systems

 Interference Management for CR Networks

Mục tiêu:

Mô hình và giải pháp tối ưu hóa hiệu năng cho hệ thống truyền thông vô tuyến ở

dạng: (i) khai thác triệt để năng lực & tiềm năng của các phần tử trong hệ thống;

(ii) khai thác triệt để tài nguyên vô tuyến khan hiếm; (iii) đối phó, khắc phục các

nhược điểm của môi trường truyền thông vô tuyến.

MINH HỌA TIẾN HÓA TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Nguyễn Viết Đảm 6

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless

One of the key Communication Networks

ideas of designing

the 5G cellular

architecture is to

separate outdoor

and indoor

scenarios so that

penetration loss

through building

walls can be

somehow avoided.

This will be

assisted by

distributed

antenna system

(DAS) and

massive MIMO

technology

The 5G-CR network is an innovative software defined radio (SDR) technique which has been considered as

one of the promising technologies to improve the utilization of the congested RF spectrum. Adopting CR is

motivated by the fact that a large portion of the radio spectrum is underutilized most of the time.

The 5G cellular

architecture should

also be a

heterogeneous

one, with

macrocells,

microcells, small

cells, and relays.

To accommodate

high mobility

users such as users

in vehicles and

high-speed trains,

we have proposed

the mobile

femtocell concept,

which combines

the concepts of

mobile relay and

femtocell. i

sum i 2

HetNets Channels p

P B log 1 N

 

   

 

C  

MINH HỌA TIẾN HÓA TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Nguyễn Viết Đảm 7

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến NỘI DUNG

10.1. Giới thiệu chung

10.2. Cấu hình đa anten

10.3. Lợi ích của kỹ thuật đa anten và vấn đề thực tiễn của sơ đồ

MIMO

10.3.1. Lợi ích của kỹ thuật đa anten

10.3.2. Vấn đề thực tiễn của sơ đồ MIMO

10.4. Mô hình MIMO tổng quát

10.5. Mô hình hệ thống MIMO tối ưu

10.5.1. Mô hình kênh SVD MIMO

10.5.2. Mô hình hệ thống SVD MIMO

10.5.3. Dung lượng truyền dẫn trong hệ thống SVD MIMO tối ưu

10.5.4. Truyền dẫn tối ưu trên kênh SU-MIMO

10.5.5. Kỹ thuật đổ đầy nước

10.6. Tạo búp phía phát hoặc phía thu

10.6.1. Tạo búp phía phát

10.6.2. Tạo búp phía thu

Nguyễn Viết Đảm 8

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến NỘI DUNG

10.7. Ghép kênh không gian

10.7.1. Nguyên lý cơ sở

10.7.2. Ghép kênh không gian khi máy phát không có thông tin về kênh

10.7.3. Ghép kênh không gian dựa trên tiền mã hóa khi máy phát có CSI

10.7.4. Xử lý thu không tuyến tính

10.7.5. Độ lợi ghép kênh

10.8. SU-MIMO trong LTE

10.8.1. Mô hình truyền dẫn SU-MIMO

10.8.2. Xử lý tín hiệu số trong SU-MIMO đường xuống từ BTS đến MS

10.8.2.1. Quá trình xử lý tín hiệu số phía phát

10.8.2.2. Quá trình xử lý tín hiệu số phía thu

10.9. Ghép kênh không gian SU-MIMO vòng kín trong LTE

10.9.1. Hoạt động ghép kênh không gian vòng kín

10.9.2. Tiền mã hóa cho hai cửa anten

10.9.3. Tiền mã hóa cho bốn cửa anten

10.9.4. Sơ đồ tiền mã hóa cấp hạng 1 (rank-1)

Nguyễn Viết Đảm 9

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến NỘI DUNG

10.10. Tiền mã hóa dựa trên phân tập trễ vòng, CDD

10.11. Ghép kênh không gian SU-MIMO vòng hở trong LTE

10.12. Phân tập

10.12.1. Phân tập thu

10.12.1.1. Mô hình kênh phân tập anten thu

10.12.1.2. Sơ đồ kết hợp chọn lựa (SC)

10.12.1.3. Sơ đồ kết hợp tuyến tính và kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC)

10.12.2. Phân tập phát

10.12.2.1. Phân tập dựa trên mã khối mã không gian thời gian (STBC)

10.12.2.2. Sơ đồ phân tập phát đường xuống dựa trên SFBC cho LTE

10.12.2.3. Sơ đồ phân tập phát đường xuống kết hợp giữa SFBC và FSTD

(SFBC+FSTD)

10.13. MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO)

10.13.1. MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO) đường xuống

10.13.2. MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO) đường lên

10.14. Báo hiệu phản hồi đường lên trong hệ thống LTE

Nguyễn Viết Đảm 10

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến NỘI DUNG

10.15. Cấu hình anten

10.15.1. Cấu hình anten BTS

10.15.2. Cấu hình anten UE

10.15.2.1. Các xem xét khi thiết kế UE

10.15.2.2. Ảnh hưởng của đa anten lên kích thước

10.15.2.3. Tiêu thu nguồn acqui của đa anten

10.15.2.4. Các khái niệm anten tiên tiến áp dụng cho UE

10.16. Đánh giá hiệu năng các sơ đồ MIMO

10.16.1. Cấu hình anten chuẩn để đánh giá hiệu năng đường xuống

10.16.1.1. Cấu hình anten enodeB với 4 hoặc 8 anten

10.16.1.2. Cấu hình anten UE

10.16.2. Đánh giá hiệu suất phổ cho sơ đồ MIMO

10.16.2.1. Hiệu suất phổ cho tốc độ UE từ 0 đến 15 km

10.16.2.2. Hiệu suất phổ cho tốc độ UE cao từ 15 đến 120 km/giờ

10.16.3. Kết luận

10.17. Tổng kết

10.18. Câu hỏi