Đại học Quốc gia Hà Nội: Phát triển kỹ thuật MIMO qua nghiên cứu Fading đa dạng

Nhu cầu sử dụng các thiết bị đầu cuối không dây để trao đổi thông tin đã gia tăng nhanh chóng. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc làm tăng tốc độ truyền dữ liệu để đáp ứng nhu cầu sử dụng truyền thông đa phương tiện của người dùng. Truyền thông chất lượng cao là mục tiêu cần đạt được của các mạng vô tuyến. Tuy nhiên, với tốc độ trên vẫn có thể không đáp ứng được khi đối mặt với việc đòi hỏi tốc độ truy cập dữ liệu ngày càng cao do nội dung truyền thông trở nên đa dạng. Đặc biệt là sự cạnh tranh với những mạng LAN (hữu tuyến) với công nghệ xDSL (đường dây thuê bao số) và mạng cáp quang.

Kỹ thuật MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là một sự lựa chọn đúng đắn cho sự phát triển tương lai của truyền thông không dây. Mặc dù vậy có rất nhiều kỹ thuật truyền dẫn khác nhau đã và đang được nghiên cứu để áp dụng cho hệ thống sử dụng mô hình này. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét các vấn đề liên quan đó là kênh thông tin vô tuyến và các kỹ thuật phân tập để làm cơ sở cho việc tiếp cận với các giải pháp kỹ thuật truyền dẫn qua kênh MIMO.

Trong truyền thông vô tuyến, tín hiệu luôn là tín hiệu băng thông và có băng tần hẹp. Tín hiệu băng thông phát đi tại tần số sóng mang f với đường bao s(t) được biểu diễn như sau: phức s(t) = ℜ [s(t)e^(j2πf_c t)]. Trong đó ℜ[⋅] biểu diễn phép toán lấy phần thực. Đặt độ dài của đường l là x_l và ký hiệu c là tốc độ ánh sáng thì thời gian truyền sóng từ BS tới MS là x_l/c. Giả sử độ suy hao của đường l là a_l, thì tín hiệu thu được tại MS không tính đến tạp âm là:

Hậu quả của truyền sóng pha-đinh đa đường là: Pha-đinh chọn lọc theo thời gian (time selective fading) gắn với Doppler spread tạo ra do chuyển động của MS. Trải trễ (delay spread) hay chọn lọc theo tần số. Nếu MS chuyển động qua các vùng ngẫu nhiên, nó chịu ảnh hưởng thay đổi về cường độ và pha tín hiệu với tốc độ thay đổi tùy thuộc vào vận tốc chuyển động của MS. Giả sử băng tần tín hiệu là rất nhỏ sao cho thời gian trễ không ảnh hưởng tới tín hiệu, và ta có s(t −τ_l) ≈ s(t).

Trong thông tin vô tuyến, các phương pháp phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông tin. Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của một số đường truyền có các tham số thống kê độc lập, nhưng truyền tải cùng một thông tin giống nhau. Bản chất của phương pháp phân tập là tín hiệu được truyền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinh khác nhau. Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu được với chất lượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu.

Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh hưởng pha-đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về thời gian sẽ không tương quan với nhau. Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thơi gian. Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệu pha-đinh không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ (coherence time) của kênh truyền.

Trong chương này, luận văn tập trung vào các phương pháp tách tín hiệu, cụ thể có hai sơ đồ đó là sơ đồ tách khối và sơ đồ tách symbol. Thông qua kết quả mô phỏng để so sánh phẩm chất lỗi bit (BER) giữa các phương pháp tách tín hiệu khác nhau.

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp tách tín hiệu sử dụng sơ đồ tách ký hiệu (symbol) cho tỷ số lỗi bit thấp hơn so với sơ đồ tách khối. Đặc biệt hệ thống STBC-SM có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống MIMO-SDM.

Luận văn nghiên cứu hệ thống kết hợp phân tập phát sử dụng mã khối không gian-thời gian (STBC) với sơ đồ ghép kênh theo không gian (SM) và các sơ đồ tách tín hiệu dành cho hệ thống này. Hai sơ đồ tách ký hiệu và tách khối được đưa ra để so sánh về tỷ số lỗi bit (BER).

Độ phức tạp tính toán của bộ tách ZF được đánh giá. Các kết quả so sánh hiệu suất được trình bày. Hiệu suất BER của các bộ tách symbol được phân tích.

Luận văn đã giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật truyền dẫn MIMO và đánh giá phẩm chất hệ thống. Cụ thể, tác giả nghiên cứu hệ thống kết hợp phân tập phát sử dụng mã khối không gian-thời gian (STBC) với sơ đồ ghép kênh theo không gian (SM) và các sơ đồ tách tín hiệu dành cho hệ thống này. Hai sơ đồ tách ký hiệu và tách khối được đưa ra để so sánh về tỷ số lỗi bit (BER).

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán xử lý tín hiệu, khám phá các sơ đồ mã hóa mới và ứng dụng MIMO trong các hệ thống 5G và 6G. Kỹ thuật MIMO hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu truyền thông ngày càng cao của xã hội.