I. Tổng Quan Về Ứng Dụng MIMO OFDM Giới Thiệu Chi Tiết
Trong bối cảnh xã hội thông tin phát triển mạnh mẽ, thông tin vô tuyến, đặc biệt là thông tin di động, đóng vai trò quan trọng nhờ tính linh hoạt và tiện lợi. Nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng tăng, dẫn đến nhu cầu lớn về tài nguyên vô tuyến. Tuy nhiên, truyền dẫn vô tuyến có đặc điểm tài nguyên hạn chế và chất lượng phụ thuộc vào môi trường. Để giải quyết mâu thuẫn giữa nhu cầu và tài nguyên, các nhà khoa học và công nghiệp đã đưa ra các giải pháp kỹ thuật như FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO. Các giải pháp mới đều hướng đến nâng cao tốc độ dữ liệu, chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thông và chất lượng dịch vụ. Trong đó, OFDM và MIMO là hai kỹ thuật mới nhất đang được nghiên cứu và ứng dụng. OFDM đã được ứng dụng trong truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh, còn MIMO vẫn đang trong quá trình thử nghiệm. Hiện nay, sự kết hợp giữa MIMO và OFDM đã mang lại kết quả cao trong thực tế, ví dụ như WiMax, VoWifi trong các tiêu chuẩn 802.11n. Luận văn này trình bày tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM, tập trung vào mô hình STBC-OFDM.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Đáng Chú Ý của Kỹ Thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 1950, nhưng chưa thể thực hiện do các thiết bị bán dẫn chưa phát triển. Sau 20 năm, OFDM có thể dễ dàng thực hiện với chi phí rẻ nhờ sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT. Trong thập niên 80, OFDM được nghiên cứu ứng dụng trong modem tốc độ cao và truyền thông di động. Thập niên 90, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL, sau đó được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB. Gần đây, OFDM được sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động 3.75G và 4G.
1.2. Các Ưu Điểm Vượt Trội Của Hệ Thống Đa Sóng Mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau. Thực hiện chia một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM. Ở phía thu, bộ tách kênh sẽ đưa đến bộ thu các kênh có tần số khác nhau, sau đó chúng được giải điều chế tạo ra tín hiệu gốc ban đầu. Tín hiệu thứ I tại sóng mang k được kí hiệu là Cik; f(t) là dạng xung của kí hiệu k. Nếu ta sử dụng dạng xung chữ nhật thì: f(t) = 1 trong khoảng 0 < t ≤ Ts, và f(t) = 0 khi t ≤ 0 hoặc t ≥ Ts.
II. Giải Pháp MIMO OFDM Vượt Qua Thách Thức Truyền Dẫn
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng dữ liệu này được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau. Sau đó, sóng mang con được tổng hợp và chuyển lên tần số cao để truyền. Tại đầu thu, dữ liệu được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu. Để hiểu rõ hơn về OFDM, cần làm quen với các khái niệm như hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số FDM, tính trực giao. Cuối cùng đánh giá ưu khuyết điểm của OFDM.
2.1. FDM và Tính Trực Giao trong Truyền Dẫn OFDM Hiện Đại
Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian. Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh, dẫn đến sự không hiệu quả về phổ. Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao.
2.2. Biểu Diễn Toán Học và Sơ Đồ Hệ Thống OFDM Băng Cơ Sở
Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự. Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên. Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sinc hay sin(x)/x. Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song (S/P: Serial/Parallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hoá và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.
III. IFFT FFT trong OFDM Bí Quyết Tối Ưu Hiệu Năng
IDFT (inversion discrete fourier transform) là biến đổi ngược Fourier rời rac. IFFT/FFT là thuật toán giúp thực hiện nhanh phép chuyển đổi IDFT/ DFT. IDFT được sử dụng để biến đổi chuỗi dữ liệu có chiều dài N{X(k)} thành các tín hiệu rời rạc trong miền thời gian {x(n)}. N là chiều dài DFT. DFT được sử dụng biến đổi tín hiệu rời rạc trong miền thời gian y(n) thành chuỗi dữ liệu Y(k). Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X‟(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín hiệu phức X(k) có độ dài N là.
3.1. Ứng Dụng Điều Chế QPSK và QAM trong MIMO OFDM Thực Tế
Trong hệ thống OFDM tín hiệu vào là luồng bit ở dạng nhị phân, do đó hệ thống sử dụng các quá trình điều chế số và có thể được chọn dựa trên yêu cầu công suất và hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau: QPSK là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn. Pha ban đầu được cho bằng 0. Một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn điểm bản tin. Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi.
3.2. Giải Mã FEC Bí Quyết Nâng Cao Chất Lượng Thông Tin
Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép mà không phải nâng cao giá trị tỷ số Eb/No. Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính: mã khối (block coding) và mã chập (convolutional coding). Ngoài ra, người ta còn dùng mã hóa Trellis, đây là kiểu mã hóa xem như gần giống với mã hóa chập.
IV. Ứng Dụng Thực Tế MIMO OFDM Triển Vọng Tương Lai
Nội dung luận văn chia làm 3 chương: Chương 1: Kỹ thuật OFDM. Chương 2: Kỹ thuật MIMO. Chương 3: Kỹ thuật MIMO-OFDM và mô phỏng hệ thống. Để đánh giá chất lượng của các hệ thống, trong luận văn đã đi sâu phân tích từng thành phần của các kỹ thuật, tổng hợp các lí thuyết và các bài báo cáo khoa học về đề tài liên quan. Sau cùng là thực hiện mô phỏng với các thông số về hệ thống, môi trường truyền gần thực tế nhất để kiểm định lại phần lí thuyết cũng như so sánh chất lượng giữa các hệ thống.
4.1. Thách Thức và Cơ Hội Phát Triển Của MIMO OFDM
Mặc dù đã cố gắng nhưng cũng không thể tránh được sai sót. Luận văn này hy vọng nhận được sự chỉ dẫn từ các thầy cô. Xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Vũ Thắng, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đề tài này. Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bạn bè đã hỗ trợ tài liệu, động viên để em thực hiện tốt luận văn này.
