Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng mã Dual Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM

Hệ thống MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) sử dụng nhiều ăng-ten ở cả phía phát và phía thu để tăng dung lượng kênh truyền và cải thiện độ tin cậy. Kỹ thuật này khai thác hiện tượng phân tập không gian, cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu song song trên cùng một băng tần. Điều này đặc biệt hữu ích trong môi trường truyền dẫn đa đường, nơi tín hiệu bị phản xạ và tán xạ nhiều lần. Theo nghiên cứu, hệ thống MIMO có thể cải thiện đáng kể tốc độ truyền dữ liệu so với hệ thống truyền thông sử dụng một ăng-ten duy nhất, đặc biệt trong các môi trường có nhiều tán xạ đa đường.

OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, chia kênh truyền thành nhiều kênh con hẹp băng thông, mỗi kênh con được điều chế bằng một sóng mang trực giao. Kỹ thuật này có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu xuyên kênh (ICI) rất tốt. OFDM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây như Wi-Fi, 4G LTE và 5G NR, nhờ khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và độ tin cậy tốt trong môi trường truyền dẫn phức tạp.

Kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) là một mô hình kênh truyền lý tưởng, trong đó nhiễu được mô tả bằng nhiễu trắng Gaussian. Tuy nhiên, trong thực tế, kênh truyền thường phức tạp hơn nhiều và chịu ảnh hưởng của fading. Kênh Rayleigh fading là một mô hình phổ biến để mô tả kênh truyền đa đường trong môi trường không dây, trong đó tín hiệu bị suy giảm do sự giao thoa của nhiều thành phần tín hiệu đến từ các đường đi khác nhau. Việc hiểu rõ đặc tính của các loại kênh truyền này là rất quan trọng để thiết kế các hệ thống truyền thông hiệu quả.

Fading và nhiễu có thể gây ra suy giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống MIMO-OFDM. Fading làm giảm biên độ tín hiệu và gây ra sự biến đổi pha, dẫn đến lỗi trong quá trình giải mã. Nhiễu làm tăng tỷ lệ lỗi bit (BER) và giảm dung lượng kênh truyền. Để giảm thiểu tác động của fading và nhiễu, các kỹ thuật mã hóa kênh, điều chế và ước lượng kênh được sử dụng.

Mã Dual Turbo bao gồm hai bộ mã hóa Turbo mắc song song, mỗi bộ mã hóa nhận một phiên bản xen kẽ khác nhau của dữ liệu đầu vào. Ở phía thu, hai bộ giải mã Turbo hoạt động lặp đi lặp lại, trao đổi thông tin ngoại lai (extrinsic information) để cải thiện độ tin cậy của quyết định giải mã. Quá trình lặp này cho phép mã Dual Turbo đạt được hiệu suất sửa lỗi gần với giới hạn Shannon.

Mã Dual Turbo có một số ưu điểm so với mã Turbo truyền thống. Thứ nhất, nó có khả năng sửa lỗi tốt hơn, đặc biệt ở tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp. Thứ hai, nó có thể giảm độ trễ giải mã nhờ cấu trúc song song. Tuy nhiên, mã Dual Turbo cũng có độ phức tạp tính toán cao hơn so với mã Turbo truyền thống, đòi hỏi phần cứng mạnh mẽ hơn để triển khai.

Để đạt được hiệu suất tối ưu, các tham số của mã Dual Turbo cần được tối ưu hóa. Các tham số quan trọng bao gồm độ dài khối mã, tỷ lệ mã và thuật toán xen kẽ. Việc lựa chọn các tham số phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của kênh truyền và yêu cầu về hiệu suất của hệ thống. Các phương pháp tối ưu hóa như tìm kiếm vét cạn (brute-force search) và thuật toán di truyền (genetic algorithm) có thể được sử dụng để tìm ra các tham số tối ưu.

Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM với mã Dual Turbo bao gồm các bước sau: tạo chuỗi dữ liệu ngẫu nhiên, mã hóa dữ liệu bằng mã Dual Turbo, điều chế dữ liệu bằng QPSK hoặc QAM, ghép kênh OFDM, truyền tín hiệu qua kênh truyền, giải ghép kênh OFDM, giải điều chế và giải mã bằng mã Dual Turbo. Các tham số của hệ thống, chẳng hạn như số lượng sóng mang con OFDM, chiều dài tiền tố vòng (cyclic prefix) và các tham số của mã Dual Turbo, được thiết lập để tối ưu hóa hiệu suất.

Kết quả mô phỏng trên kênh AWGN cho thấy mã Dual Turbo đạt được tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp hơn so với mã Turbo truyền thống ở cùng một tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR). Trên kênh fading Rayleigh, sự khác biệt về hiệu suất càng rõ rệt hơn, cho thấy khả năng chống fading tốt hơn của mã Dual Turbo.

Việc so sánh hiệu suất BER giữa mã Turbo và Dual Turbo trong các mô phỏng đã chỉ ra rằng Dual Turbo vượt trội hơn, đặc biệt trong điều kiện kênh truyền xấu. Sự cải thiện này là do khả năng lặp và trao đổi thông tin giữa hai bộ giải mã trong cấu trúc Dual Turbo, giúp nó đưa ra quyết định chính xác hơn về các bit đã truyền.

Luận văn đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng mã Dual Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM. Các kết quả mô phỏng đã khẳng định rằng mã Dual Turbo cung cấp hiệu suất sửa lỗi tốt hơn so với mã Turbo truyền thống trong cả kênh AWGN và kênh fading Rayleigh.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số của mã Dual Turbo cho các môi trường truyền dẫn khác nhau, phát triển các thuật toán giải mã hiệu quả hơn và nghiên cứu các ứng dụng của mã Dual Turbo trong các hệ thống truyền thông không dây tiên tiến. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các kỹ thuật ước lượng kênh và cân bằng kênh đến hiệu suất của hệ thống MIMO-OFDM với mã Dual Turbo cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.