Đặt vấn đề Đã có nhiều giải pháp nhằm nâng cao chất lượng (tốc độ dữ liệu, độ tin cậy của thông tin, tính bền vững của tín hiệu…) bao gồm: Nâng cấp chất lượng đường truyền, nghiên cứu các phương thức điều chế mới, tăng công suất thu/phát của hệ thống. Tuy nhiên để đạt được giải pháp tối ưu (vừa đảm bảo chất lượng thông tin, vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế) thì việc nghiên cứu phát triển các loại mã, các phương pháp điều chế, xử lý tín hiệu mới là các giải pháp thích hợp. Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao trong khi băng tần lại hạn chế. Yêu cầu này dẫn đến việc nghiên cứu áp dụng hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới.
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu phát triển các hệ thống MIMO đạt nhiều thành tựu đáng kể. Hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát, nhiều anten thu trên cơ sở áp dụng kỹ thuật phân tập và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả sử dụng phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng tần. Hệ thống MIMO quy mô lớn (LS-MIMO) với việc sử dụng số lượng lớn các phần tử anten cả phía phát và phía thu sẽ phát huy tối đa những ưu thế về dung lượng kênh, tốc độ đường truyền cũng như hiệu quả sử dụng phổ [30]. Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit (BER), tăng ảnh hưởng của pha-đinh chọn lọc tần số, nhiễu xuyên ký hiệu ISI… Nhưng yêu cầu về chất lượng dịch vụ cũng không vì thế mà giảm.
Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang được áp dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, đó là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MC-CDMA [7, 56, 83, 91, 108]. Sự kết hợp giữa kỹ thuật MIMO quy mô lớn và MC-CDMA đem lại những tiềm năng to lớn cho hệ thống thông tin thế hệ tiếp theo [30, 70]. Chương một tập trung nghiên cứu về những vấn đề cơ bản của hệ thống MIMO MC- CDMA quy mô lớn làm nền tảng cho những nghiên cứu ở các chương tiếp theo.2 Mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn.1 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO (Multi input – Multi output), nhiều đầu vào nhiều đầu ra là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở bộ phát và bộ thu như biểu diễn trên hình 1. Chuỗi tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng các anten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian-thời gian (STE: Space-Time Encoder).
Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian-thời gian x được phát đi nhờ NT anten 6 phát. Bộ thu sử dụng phân tập thu với N R anten thu. Kênh tổng hợp giữa bộ phát (TX) và bộ thu (RX) có NT và N R đầu ra, được gọi là kênh vô tuyến MIMO NT x N R. Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống MIMO được biểu diễn như sau [51]: y1 h11 h12 h1NT x1 n1 (1.1) y h h h2 NT x2 n2 2 21 22 yN R hN R 1 hN R 2 hN R NT xNT nNT Trong đó: T x x1 , x2 ,., xNT là tín hiệu phát., yNR là tín hiệu nhận được.
n là vectơ nhiễu AWGN N R chiều. H là ma trận kênh truyền. hi , j là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j. Mô hình hệ thống MIMO 1.1 Dung lượng hệ thống MIMO Dung lượng kênh truyền được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt được với một xác suất lỗi bit tương đối nhỏ tùy ý.
Đối với mô hình thu phát truyền thống một anten phát và một anten thu (hệ thống SISO) thì theo định lý Shanon [112] dung lượng của hệ thống trong môi trường tạp âm AWGN được biểu diễn như sau: P (1.2) CSISO B log2 (1 ) BN0 7 Trong đó: B là băng thông, P là công suất thu trung bình, N 0 là mật độ phổ công suất tạp âm. Trong trường hợp xảy ra hiện tượng pha-đinh đa đường và giả sử băng thông được chuẩn hóa là 1Hz thì dung lượng của hệ thống được biểu diễn như sau: P 2 (1.3) CSISO log2 (1 h ) N0 2 Trong đó: h là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện E{ h } = 1 và E{.} là toán tử kỳ P 2 vọng, h là tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tại đầu vào bộ thu. N0 Từ công thức (1.3) ta nhận thấy, với một kênh truyền vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không gian thì dung lượng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở đầu vào bộ thu theo quy luật logarit. Do đó, muốn tăng dung lượng kênh truyền thì chỉ có cách tăng công suất phát.
Tuy nhiên, do mối quan hệ logarit nên dung lượng kênh truyền sẽ tăng rất chậm. Hệ thống MIMO được đề xuất nhằm khắc phục hạn chế về dung lượng kênh truyền của các hệ thống SISO. Với NT anten phát và N R anten thu, trong môi trường pha-đinh Rayleigh nhiều tán xạ và biến đổi chậm, kênh truyền MIMO NT x N R như biểu diễn trên hình 1.1, hệ thống MIMO cho phép đạt được dung lượng kênh truyền như sau [112]: P (1.4) CMIMO log2 det( I N HH H ) R NT N0 Trong đó: I N R là ma trận đơn vị kích thước N R x N R , . là chuyển vị Hermit. H Nhìn vào công thức (1.4) ta nhận thấy, khi sử dụng nhiều anten ở phía phát và phía thu sẽ tạo ra nhiều tuyến dữ liệu không gian kết nối giữa bộ phát và bộ thu.
Đồng thời trong trường hợp các kênh độc lập và phân bố giống nhau, dung lượng của hệ thống MIMO tăng gấp min ( NT , N R ) lần so với hệ thống SISO [8, 9, 38, 92].2 Ưu điểm của hệ thống MIMO Hệ thống kênh truyền MIMO có những ưu điểm nổi trội cụ thể như sau [19]: Độ tăng ích mảng: Độ tăng ích mảng là tỷ số SNR thu được cải thiện do hiệu ứng kết hợp các tín hiệu vô tuyến tại bộ thu. Việc kết hợp tín hiệu có thể được thực hiện thông qua quy trình xử lý tín hiệu không gian tại mảng anten thu. Độ tăng ích mảng tăng cường khả năng chống nhiễu, giúp cải thiện vùng phủ sóng và phạm vi của mạng thông tin di động. 8 Độ tăng ích phân tập: Như ta biết, mức tín hiệu tại bộ thu trong hệ thống thông tin di động hoặc các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung thăng giáng do hiệu ứng pha-đinh.
Độ tăng ích phân tập không gian làm giảm pha-đinh trên cơ sở bộ thu nhận được nhiều bản sao độc lập của tín hiệu phát theo không gian, tần số hoặc thời gian. Với việc tăng số lượng các bản sao độc lập của tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng, độ tin cậy của tín hiệu thu được. Kênh truyền MIMO với NT anten phát và N R anten thu tạo ra NT x N R kết nối độc lập, do vậy bậc phân tập không gian sẽ là NT x N R. Độ tăng ích phân kênh không gian: Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu thông qua phân kênh không gian, tức là truyền đồng thời nhiều luồng dữ liệu độc lập trên cùng băng tần hoạt động.
Mỗi luồng dữ liệu có chất lượng kênh bằng với chất lượng kênh trong hệ thống SISO vì vậy sẽ làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp min ( NT x N R ) lần. Giảm và tránh can nhiễu: Can nhiễu trong hệ thống thông tin di động là do nhiều người dùng sử dụng chung tài nguyên tần số hoặc thời gian. Hệ thống MIMO cho phép giảm can nhiễu là do hệ thống MIMO khai thác yếu tố không gian để làm tăng cách biệt giữa các người dùng khác nhau. Việc giảm và tránh can nhiễu giúp tăng phạm vi và vùng phủ của mạng thông tin di động, đồng nghĩa với chất lượng truyền dẫn tốt hơn.
Hay nói cách khác là tỷ lệ lỗi bit (BER) giảm. Như vậy, hệ thống MIMO đạt được nhiều ưu điểm như đã trình bày, việc ứng dụng hệ thống MIMO trong các hệ thống thông tin di động sẽ giúp cải thiện dung lượng, tăng độ tin cậy và vùng phủ sóng của hệ thống tin di động .3 Một số khái niệm cơ bản trong MIMO a. Nhiễu trắng Nhiễu trắng là một loại tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn băng tần truyền dẫn. Nhiễu trắng có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss.
Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa, nhiễu trắng có mật độ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn đồng nghĩa với công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống đang xem xét. Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) Băng tần của kênh truyền nói chung bị giới hạn. Khi một xung được truyền qua kênh có băng tần giới hạn thì sẽ bị méo dạng.
Bên cạnh đó, sự tán xạ của xung theo thời gian và xung của mỗi ký hiệu sẽ tác động sang khoảng thời gian của các ký hiệu dữ liệu kế tiếp. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu xuyên ký hiệu (ISI). Như chúng ta đã biết, xung ở 9 băng tần hạn chế được chọn để truyền dẫn nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thông hạn chế. Tuy nhiên, giới hạn băng tần của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung trong miền thời gian gây ra sự chồng chéo của các ký hiệu làm tăng xác suất lỗi ở bộ thu trong việc tách ký hiệu [1].
Để giảm nhiễu ISI ta cần sử dụng kỹ thuật truyền song song trên nhiều sóng mang con. Nhiễu đồng kênh (CCI) Ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu khác cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống là nhiễu đồng kênh (CCI). CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đa truy nhập nào.