1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN CÔNG DOANH

MIMO TRONG LTE VÀ LTE ADVANCED
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MIMO
1.1Giới thiệu chương
Nhằm mục đích không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ trên mạng
di động dữ liệu băng rộng, cụ thể ở đây là tốc độ truyền dữ liệu đường
xuống từ nhà mạng đến người dùng, và đường lên từ người dùng lên nhà
mạng, các nhà nghiên cứu viễn thông và hãng viễn thông lớn trên thế giới
đã đưa ra mô hình truyền dẫn dành cho LTE và LTE Advanced: Đa anten
phát, đa anten thu.
Công nghệ MIMO trong LTE giống như ghép kênh không gian, phân
tập truyền dẫn và beamforming là các thành phần quan trọng cho việc
cung cấp tỉ số đỉnh cao hơn, và hiệu năng của hệ thống sẽ tốt hơn, đây là
các yêu tố cơ bản để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu băng rộng trong tương lai qua
môi trường mạng không dây. Mở rộng trong tương lại của công nghệ LTE
MIMO được nghiên cứu trong 3GPP, mục “ LTE Advanced”, chúng ta sẽ
thấy các yêu cầu cần thiết của IMT-Advanced
1.2 Cấu hình đa anten
Các kĩ thuật đa anten được dùng để cải thiện hiệu năng của hệ thống
như:
- Cải thiện dung lượng của hệ thống
- Cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn đến người dùng bằng cách
cải thiện tốc độ truyền dữ liệu
Kỹ thuật đa anten có thể được phân loại như sau:
- Một đầu vào, nhiều đầu ra: SIMO- Single Input Multi Output
3
- Nhiều đầu vào, một đầu ra: MISO- Multi Input Single Output
- Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra: MIMO – Multi Input Multi
Output

Điều này đảm bảo khả năng sử băng thông cao mà không gây giảm hiệu
suất sử dụng công suất hay nói một cách khác cho phép tốc độ truyền dẫn
cao mà không ảnh hưởng đến phủ sóng.
Mặc dù MIMO rất đa dạng và phức tạp, các kĩ thuật SU-MIMO và MU-
MIMO đều dựa trên một số nguyên lý căn bản với mục đích tăng cường
một số thuộc tính kênh truyền sóng đa anten quan trọng. Tồn tại 2 ưu điểm
liên quan đến kênh này ( so với SISO) là:
 Độ lợi phân tập
 Độ lợi dàn và độ lợi ghép kênh không gian
không gian.
1.3.2 Các vấn đề thực tiện của mô hình MIMO
Các hạn chế thực tiễn quan trọng ảnh hưởng lên hiệu năng thực tế
của hệ thống MIMO lý thuyết và các hạn chế này thường mang tính quyết
định khi lựa chọn một chiếm lược truyền dẫn cụ thể trong một môi trường
truyền sóng cho trước và trong quá trình thiết lập hệ thống.
5
Các lợi ích đầy đủ của MIMO ( độ lợi dàn, độ lợi phân tập, độ lợi
ghép kênh) chỉ đạt được với giả thiết các anten phải không tương quan và
các ma trận MIMO phải là ma trận có hạng đầy đủ. Một lý do dẫn đến sự
khác nhau giữa các độ lợi MIMO lý thuyết và độ lợi đạt được thực tế là
khả năng máy thu ước tính chính xác các hệ số kênh mỗi khi máy phát cần.
1.4 Mô hình MIMO tổng quát
Hình sau mô tả mô hình MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr
anten thu

Hình 1.1: Mô hình MIMO tổng quát
1.5 Mô hình hệ thống MIMO tối ưu

, khi khoảng cách giữa các anten >/2 và môi
trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cột độc lập với
nhau. Lúc này, phân chia giá trị đơn, ta có:
H=UD


Trong đó U và 

là các ma trận nhất phân ( unitary) có kích thước
Sơ đồ máy thu, máy phát trong mô hình hệ thống MIMO tối ưu như sau


x 

và 

x 

,và (.)

là ma trận chuyển vị liên hợp phức
Hermintian. Đối với các ma trận nhất phân ta có: U

=

và V

=

.

Trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau:
Q= 


vớiNr<


ớ≥

Các cột ma trận U là vec tơ Eigen của 

, còn các cột của ma trận V là
vec tơ Eigen của ma trận 


Số các giá trị eigen khác không của ma trận 

chính bằng hạng của
ma trận này.
Nếu Nt=Nr thì D là một ma trận đường chéo. Nếu Nt>Nr thì gồm một
ma trận đường chéo NtxNr và sau đó là Nt-Nr cột bằng không. Nếu Nt<Nr
7
thì D gồm một ma trận đường chéo NtxNr và sau đó Nt-Nr dòng bằng
không. Dưới đây ta sẽ minh họa ma trận đường chéo D cho các trường hợp
Nt
≠Nr


̅
= D̅+

̅ ( 1.5)
8
Vì ma trận D là ma trận được chéo hóa, nên ta có thể phân tích quan hệ
giữa z và x vào dạng:


= 
/
xi+i (1.6)
Trong đó i=0,1,….,

-1 với 

xác định theo phương trình (1.4)
Biểu thức (1.4) và (1.5) cho phép ta xây dựng hệ thống SVD MIMO tối
ưu gồm 

kênh phadinh phẳng song song như trên hình 1.7 và 1.8
a) Máy phát SVD MIMO

Hình 1.2:Mô hình máy phát SVD MIMO
Từ hình 1.7 ta thấy tại máy phát SVD MIMO (hình 1.7) trước hết luồng ký
hiệu số liệu được bộ chia luồng không gian chia thành 


Hình 1.4:Phân chia kênh phadinh phẳng MIMO thành các kênhphadinh
phẳng song song tương đương dựa trên SVD
điển, các kết quả tương tự cũng liên quan đến các kênh Gauss song song (
tương quan). Dung lượng giới hạn lý thuyết tính theo bit/s/Hz được xác
định như sau:
C = E 



+




 (1.8)
C = E 



+




 (1.9)
Ta có
SE=









(1.14)
Nếu trong (1.22)




<<1 thì 

1 +




 tiến tới không và kênh
không gian này sẽ không cho độ lợi dung lượng đáng kể. Vì thế nếu không
sử dụng kênh này, tổng dung lượng cũng hầu như không giảm.
Phương trình được rút ra ở trên cho ta cách đánh giá hiệu năng của các
kênh. Nếu thừa số





, l=0,1,…, 

-1. Lưu ý rằng trong thiết
lập luồng lý tưởng, mỗi luồng có thể nhận được mã hóa kênh và điều chế
khác nhau. Ta có thể trình bày tín hiệu phát như sau:
̅ = VP (1.15)
= 

,

,
⋯ 
,
⋮ ⋱ ⋮

,



,


⋯ 
,


 (1.16
)

Trong đó ma trận V kích thước 

búp anten theo phương đến máy thu đích. Tạo búp có thể tăng cường tín
hiệu tại anten thu lên đến thừa số Nt, nghĩa là tỷ lệ với anten phát. Khi nói
về các sơ đồ truyền dẫn

Hình 1.5: Tạo búp điển hình với tương quan anten tương hỗ cao – Cấu
hình anten
dựa trên nhiều anten phát để cung cấp tạo búp, ta cần phân biệt giữa
các trường hợp tương quan anten tương quan anten tương hỗ cao và thấp.
13

Hình 1.6: Tạo búp điển hình với tương quan anten tương hỗ cao – Cấu
trúc búp

Phương pháp tạo bước sóng phía phát bằng cách sử dụng các dịch
pha khác nhau cho các anten tương quan cao đôi khi còn được gọi là tạo
búp sóng điển hình. Do khoảng cách giữa các anten nhỏ, búp sóng phát
tổng khá rộng và các điều chỉnh phương búp sóng ( trong thực tế là điều
chỉnh các dịch pha anten) thông thườngđược thực hiện khá chậm. Điều
chỉnh có thể được thực hiện trên cơ sở đánh giá phương đến đầu cuối di
động đích, được rút ra từ đo đạc trên đường truyền. Ngoài ra do giả thuyết
tương quan cao giữa các anten phát khá khác nhau, tạo búp sóng điển hình
không thể đảm bảo phân tập chống pha đinh kênh vô tuyến ngoài việc chỉ
tăng cường độ tín hiệu thu.
Trong tạo búp sóng phát Nt>1, Nr=1. Mỗi lần phát, một kí tự được đưa tới
anten. Khi sử dụng các trọng số phức khác nhau cho các tín hiệu cần phát
trên các anten khác nhau.
14

trực giao với kênh của nguồn đến.

Hình1.7: Khái niệm tạo búp
15
Bộ kết hợp tỉ lệ cực đại cung cấp thừa số cải thiện Nr trong SNR thu so với
trường hợp SISO, nghĩa là độ lợi dàn 10

(Nr) dB trong quỹ đường
truyền
 Bộ tạo búp N anten có thể khuếch đại một nguồn phát ( không
nhiễu) với hệ số N tại giá trị SNR trung bình: Tạo búp
 Bộ tạo búp N anten có thể lấy ra một nguồn phát và loại bỏ N-1
các nguồn khác: triệt nhiễu
 Tạo búp phát thực hiện cùng độ lợi như tạo búp phía thu nên có
CSIT: tạo búp phát và xóa không nhiễu
 N nguồn phát có thể được đồng thời lấy ra ( với giả thiết coi
rằng N-1 nguồn còn lại là nhiễu) bởi bộ tạo búp: ghép kênh
không gian
 N nguồn có thể ấn định cho N người sử dụng khác nhau: MU-
MIMO. SDMA
 Một số trong số N nguồn có thể thuộc các ô khác đa ô cộng tác
1.7 Ghép kênh không gian
Sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu cho php cải thiện tỉ số
tín hiệu trên tạp âm. Nó tỷ lệ với số lượng anten khi áp dụng tạo búp tại cả
máy thu và máy phát. Trường hợp tổng quát với Nt anten phát, và Nr anten
thu, hệ thống đa anten có thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm lên Nt x Nr
lần. Việc có thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm này trong máy thu cho phép


17
CHƯƠNG 2: MIMO TRONG LTE
2.1 Giới thiệu chương
Như chung ta đã biết, để đạt được các yêu cầu về tốc độ, chất lượng
dịch vụ trong LTE, chúng ta phải sử dụng công nghệ MIMO. Chương này
tập trung vào nghiên cứu MIMO đơn người dùng bao gồm mô hình truyền
dẫn SU – MIMO, xử lý các tín hiệu số đường xuống , ghép kênh không
gian vòng hở, vòng kín. Và trình bày MIMO đa người dùng trong LTE,
như MU – MIMO đương xuống, đường lên, báo hiệu phản hồi CSI, và
phân tập trong MIMO LTE.
2.2 SU-MIMO trong LTE
Có 2 chế độ trong ghép kênh không gian SU-MIMO đó là:
- Ghép kênh không gian vòng kín
- Ghép kênh không gian vòng hở
2.2.1 Mô hình truyền dẫn SU-MIMO
Mô hình truyền SU-MIMO tổng quát cho trường hợp truyền
dẫn vòng kín được mô tả như hình vẽ.
18

Hình 2.1: Mô hình truyền dẫn SU-MIMO tổng quát
2.2.2 Xử lý tín hiệu số trong SU – MIMO đường từ eNodeB đến đầu
cuối di động
2.2.2.1 Quá trình xử lý tín hiệu số phía phát

xếp lớp cho ra L lớp ( được đánh số l=0,1,…L-1 ) và L lớp này được đưa
lên bộ tiền mã hóa ( Precoder), bộ tiền mã hóa cho các luồng đến P cửa
anten ( được đánh số p = 0,1,….p -1). Các luồng tín hiệu được sắp xếp lên


sóng mang con và được điều chế OFDM bởi P bộ IFFT của P anten
2.2.4 Ghép kênh không gian SU-MIMO vòng hở trong 4G
Ghép kênh không gian vòng hở có thể hoạt động khi không thể có phản
hồi tin cậy tại eNodeB, chẳng hạn khi tốc độ UE không đủ thấp hoặc khi
chi phí phản hồi trên đường lên quá cao. Ghép kênh không gian sử dụng L
lớp và P anten ( P ≥ L) được xây dựng trên cơ sở sơ đồ như hình vẽ. Phản
hồi trong ghép kênh không gian vòng hở chỉ chưa RI và CQI. Trái ngược
với ghép kênh không gian vòng kín, eNodeB chỉ quyết định cấp hạng
truyền dẫn ( số lớp) và một tập ma trận tiền mã hóa cố định được sử dụng
quay vòng trên tất cả các sóng mang con được lập biểu trong miền tần số.
21

Hình 2.5 Ghép kênh không gian vòng hở với P anten và L lớp
Các hệ thống thông tin di động 4G cũng hỗ trợ tiền mã hóa bằng cách đưa
thêm bộ tiền mã hóa phân tập vòng trễ (CDD) trước các bộ tiền mã hóa.
Hai bộ tiền mã hóa được sử dụng là tiền mã hóa CDD trễ nhỏ và tiền mã
hóa trễ lớn. Mục đích của bộ tiền mã hóa trễ nhỏ là đưa ra tính chọn lọc
tần số nhân tạo để lập biểu các độ lợi theo cơ hội với chi phí phản hồi thấp,
còn CĐ trễ lớn đạt được phân tập bằng cách đảm bảo chắc chắn từng từ mã
MIMO được phát trên tất cả các lớp MIMO khả dụng.
2.3 MIMO đa người dùng- MU MIMO
2.3.1 MIMO đa người dùng đường xuống

thể sử dụng cùng một tài nguyên không gian tần số. Hình vẽ cho thấy thí
dụ về MU-MIMO đường lên cho UE1 và UE2. MU-MIMO có lợi khi có
nhiều người sử dụng trong một đoạn ô ( các người sử dụng VoIP) và số
anten thu tại eNodeB lơn hơn hoặc bằng hai.

Hình 2.7: MU-MIMO đường lên
2.4 Báo hiệu phản hồi đường lên trong LTE
Phản hồi đường lên để hỗ trợ truyền dẫn trong 4G bao gồm RI (
Rank Indicator: Chỉ thị cấp hạng), PMI( Precoder Matrix Indication: Chỉ
thị ma trận tiền mã hóa) và CQI ( Channel Quality Indication: Chỉ thị chất
lượng kênh). Đối với báo cáo PMI/CQI băng rộng không được chọn lọc
tần số, UE sẽ báo cáo một PMI/CQI băng rộng duy nhất tương ứng với
toàn bộ băng thông. Trong chế độ báo cáo chọn lọc tần số, CQI băng con
được báo cáo ở dạng một giá trị vi sai để giảm chi phí băng thông. Khi các
CQI chọn lọc tần số được lập cấu hình, các CQI băng con cùng với CQI
băng rộng đều được báo cáo, và các CQI băng rộng được sử dụng như
chuẩn để khôi phục điều kiện kênh được xuống trong toàn bộ băng.
24
2.5 Phân tập
2.5.1 Phân tập thu
Phân tập thu là dạng SIMO của các sơ đồ MIMO
Trong kênh pha đinh có 1 anten phát và Nr anten thu, mô hình kênh như
sau:
H=
[
ℎ


dựa trên 
,
, 
,
, …, 
,
tín hiệu
thu từ Nr anten thu. Nếu các anten thu đủ cách xa nhau, ta có thể coi rằng
các độ lợi kênh Rayleigh ℎ

độc lập với nhau và ta có thể nhận được độ
lợi phân tập Nr
2.5.1.1 Sơ đồ kết hợp lựa chọn
Sơ đồ kết hợp lựa chọn ( Selection Combiner) sử dụng bộ kết hợp đơn giản
nhất, trong đó bộ kết hợp chỉ đơn giản tính cường độ tín hiệu tức thời trong
số Nr anten thu sau đó chọn lựa anten có tín hiệu mạnh nhất. Vì SC loại bỏ
năng lượng hữu ích từ các luồng khác, nên sơ đồ này rõ ràng không phải là
tối ưu tuy nhiên do tính đơn giản của nó nên nó được sử dụng trong nhiều