MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu chung Trong sự phát triển như vũ bão của ngành Công nghệ thông tin – Viễn thông, các sản phẩm, công nghệ mới luôn luôn được ra đời, cải tiến, cập nhật để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng mạng truyền thông vô tuyến như mobile, internet không dây (WIFI, WiMAX,…)… càng ngày càng tăng, với các yêu cầu cao hơn về chất lượng dịch vụ, độ tin cậy, tốc độ cao cũng như băng thông rộng để đảm bảo truyền dẫn vô tuyến đa phương tiện như dữ liệu, web, tv, video, nhạc…, các nhà khoa học đã phải nghiên cứu, phát triển không ngừng các kỹ thuật truyền dẫn. Hiện nay hệ thống thông tin di dộng thế hệ thứ 3 (3G) đã được triển khai ở rất nhiều nước trên thế giới cho phép khai thác các dịch vụ đa phương tiện trên điện thoại di động. Và hệ thống thế hệ thứ 4 cũng đang trong quá trình thử nghiệm, hoàn thiện và những bước đầu đưa vào sử dụng.
Trong đó, hệ thống thế hệ thứ 4 sử dụng kỹ thuật OFDM kết hợp với MIMO để tận dụng được ưu thế của cả hai kỹ thuật này. MIMO là từ viết tắt của Multi Input Multi Output – đa đầu vào đa đầu ra. Trong đó tín hiệu được truyền từ nhiều anten ở đầu phát đến nhiều anten ở đầu thu thay vì chỉ một anten đơn thu phát như trong kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) trước đây. MIMO được kết hợp với kỹ thuật mã hóa không gian – thời gian (STC Space-Time Coding) để tăng độ phân tập cho tín hiệu truyền.
Kỹ thuật này có thế mạnh rất lớn trong việc truyền dẫn tín hiệu, tăng tốc độ, độ phân tập, đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu. MIMO có ưu điểm cho phép truyền cùng lúc nhiều ký hiệu, sử dụng khả năng beamforming và triệt nhiễu hiệu quả, tăng dung lượng, hiệu suất của hệ thống (tỉ lệ với số anten sử dụng). 10 Luận văn thạc sỹ Hình 1.1: Hệ thống MIMO OFDM là kỹ thuật kết hợp cả điều chế và ghép kênh để truyền tín hiệu đi trong các sóng mang con (subcarriers). Không giống như kỹ thuật ghép kênh thông thường chỉ thực hiện trên một kênh (channel) độc lập, OFDM triển khai chia tín hiệu ra thành một tập tín hiệu con vào trong một số các kênh độc lập, và mỗi tín hiệu con được điều chế bởi một sóng mang con.
Các sóng mang con này trực giao với nhau. Sau đó các sóng mang con được ghép kênh với nhau để tạo một tín hiệu OFDM truyền đi trong không gian. OFDM có ưu điểm là chống lại fading lựa chọn tần số do tín hiệu được tách ra làm nhiều băng hẹp nên hệ thống chỉ phải chịu fading phẳng, dễ xử lí hơn nhiều. Ngoài ra OFDM có khả năng kháng nhiễu tốt do các sóng mang con là trực giao, tốc độ truyền lại cao.
Vì các ưu điểm này nên OFDM được nhắm đến để tận dụng băng tần còn rất hạn chế hiện nay.2: Sóng mang con trong OFDM 11 Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật OFDM đã được nghiên cứu từ những năm 60 nhưng phải đến gần đây nó mới được phát triển và ứng dụng nhiều. Như đã nói ở trên, OFDM có rất nhiều ưu điểm như chống lại fading lựa chọn tần số, tiết kiệm băng thông, loại nhiễu,… Ngoài ra, do giới hạn của băng tần, các hệ thống yêu cầu phải có hiệu suất phổ rất cao. Để đạt được điều này, chúng ta sử dụng OFDM kết hợp với hệ thống anten đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO). Nhưng bên cạnh đó khi kết hợp hai kỹ thuật này, các vấn đề của hệ thống cũng được cộng gộp.3: Hệ thống kết hợp MIMO và OFDM (Nguồn: Simon Gale, Nortel) Trong hệ thống MIMO-OFDM, các vấn đề mã hóa để tăng độ phân tập, ước lượng kênh truyền, ước lượng sai lệch và đồng bộ tần số sóng mang, tần số lấy mẫu để giảm nhiễu, giảm tỷ lệ lỗi bit…là rất cần thiết.
Đã có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật OFDM, MIMO cũng như kết hợp hệ thống MIMO-OFDM và các vấn đề của hệ thống. Nhưng hầu hết các nghiên cứu đều chỉ giải quyết một vấn đề riêng biệt nào đó của hệ thống như mã hóa hay ước lượng kênh truyền hay chỉ đồng bộ tần số, hoặc chỉ nghiên cứu đối với riêng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM hay riêng MIMO, ít có nghiên cứu nào tổng hợp các vấn đề của hệ thống lại để giải quyết trong khi các vấn đề đều có mối tương quan lẫn nhau. Ở phạm vi đề tài này, ta xét đến vấn đề ước lượng kênh truyền của hệ thống đối với tín hiệu đã được mã hóa kênh truyền không gian – thời gian để giảm tỷ lệ lỗi bit cho hệ thống, tăng hiệu suất, độ phân tập cho hệ thống MIMO-OFDM. Trong đó, ước lượng kênh truyền của hệ thống được thực hiện bằng phương pháp 12 Luận văn thạc sỹ chèn pilot và ước lượng pilot bằng Least Mean Square (LS) để xác định thông tin kênh truyền từ đó khôi phục lại tín hiệu truyền dựa theo các thông tin kênh truyền đã ước lượng, phần này được đề cập trong chương 3.
Đồng thời luận văn đưa ra một dạng pilot được thiết kế để đơn giản hóa việc tính toán ước lượng. Ngoài ra luận văn còn kết hợp mã hóa kênh truyền không gian – thời gian cùng với bộ ghép xen để tăng độ phân tập cho tín hiệu truyền, giảm tỷ lệ lỗi bit, tăng độ tin cậy cho hệ thống, được đưa ra trong chương 4. Chương trình mô phỏng được thực hiện bằng Matlab 7.0, xây dựng hệ thống MIMO –OFDM 2 antenna phát và 2 anten thu với phần ước lượng kênh truyền bằng pilot như đã nói ở trên kết hợp với mã hóa kênh truyền không gian – thời gian. Kết quả mô phỏng được thể hiện ở chương 5, đưa ra giá trị tỷ lệ lỗi tín hiệu (SER) theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đối với các trường hợp và so sánh, đánh giá hiệu quả của các phương pháp đã thực hiện.
Tuy nhiên vì giới hạn thời gian và khả năng thực hiện nên đề tài chưa xem xét đầy đủ tất cả các vấn đề của hệ thống MIMO-OFDM ví dụ như đồng bộ tần số sóng mang, đồng bộ tần số lấy mẫu cũng như chưa xem xét được nhiều dạng pilot, nhiều kiểu mã hóa có thể được cải tiến tốt hơn. Ngoài ra, đề tài chưa tìm ra được một vấn đề mới của hệ thống, chỉ xem xét và kết hợp các vấn đề đã được nghiên cứu khá nhiều từ trước cho đến nay. Do đó đề tài phần lớn là mang tính cải thiện trong giáo dục, trong đó đưa ra mô hình của hệ thống MIMO-OFDM một cách khá đầy đủ và trực quan để sinh viên có thể hiểu một cách tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM, các vấn đề của hệ thống và các khối xử lý theo sơ đồ khối được đưa ra trong chương 5. Luận văn này cũng được ra đời, kết hợp với đề tài NCKH “Kết hợp kỹ thuật MIMO và OFDM ứng dụng trong mạng không dây” đưa ra một cách khá đầy đủ các vấn đề của hệ thống MIMO-OFDM, để đưa ra cái nhìn tổng quan cho người đọc.
Đồng thời, luận văn này cũng đề nghị đưa ra một bài thí nghiệm để triển khai trong chương trình đại học, nhằm giúp sinh viên hiểu được tổng quát về mô hình hệ thống thông tin di động (cellular), cách nghiên cứu, các thông số đánh giá chất lượng, hiệu quả của hệ thống. 13 Luận văn thạc sỹ 1.2 Tổng quan tình hình ứng dụng trong mạng viễn thông hiện nay Về mạng mobile, hiện nay 3G đang thống lĩnh trên thị trường thế giới sau khi được triển khai, nâng cấp từ GSM. Người dùng dịch vụ di động cũng đang chờ đón được sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ kế tiếp (4G) – đang được các nhà mạng tiến hành triển khai tại một số nước trên thế giới. Trên thực tế, sau những nghiên cứu rất đa dạng, rộng lớn về OFDM, OFDMA, MIMO cũng như kết hợp MIMO-OFDM, người ta đã cho ra đời LTE (Long Term Evolution) với tốc độ cao hơn hẳn so với 3G là 100 – 300 Mbps trên băng thông 20MHz đường downlink.
Tưởng chừng LTE dừng lại với vị trí 4G nhưng với sự phát triển mạnh trong các nghiên cứu, tốc độ này chưa đạt chuẩn 4G mà Liên minh Viễn thông Thế giới ITU đề ra. Do đó công cuộc nghiên cứu lại tiếp tục và 4G lại được kì vọng ở LTE – Advanced với tốc độ lên đến 1Gbps cố định và 100Mbps đối với người dùng di động. Cũng như mạng mobile, thị trường internet không dây cũng có một đối thủ cạnh tranh của LTE với tốc độ tương đương là WiMAX (128Mbps ở băng thông 20MHz) đường downlink. Và cũng như LTE, WiMAX cũng bị phủ nhận ở vai trò thế hệ kế tiếp và chỉ được coi là pre-4G (hay 3.
Do đó các nghiên cứu, thử nghiệm lại được tiếp tục với công nghệ WiMAX 2 (802.4: Các chuẩn ứng dụng MIMO-OFDM Với tình trạng hiện tại của ngành viễn thông, các nghiên cứu tiếp nối liên tục và ngày càng nâng cao là yêu cầu rất cấp thiết. Do đó, mỗi nghiên cứu được thực hiện và thành công là một cơ hội mở ra cho ngành viễn thông nói riêng và thế giới công nghệ nói chung. 14 Luận văn thạc sỹ 1.3 Tình hình nghiên cứu hiện nay Các nghiên cứu gần đây đã tìm hiểu và đưa ra giải pháp cho các vấn đề của hệ thống MIMO-OFDM. Đầu tiên ta xét đến vấn đề mã hóa không gian – thời gian để tăng độ phân tập cho hệ thống.
Đã rất nhiều loại mã hóa được xét đến trong các nghiên cứu cả trong và ngoài nước. Như trong [2], một bộ mã trellis ngoài (outer trellis code) được kết hợp với một bộ trộn phối hợp thiết kế trực giao (inner CIOD) với độ phức tạp giải mã thấp và một bộ mã hóa trong STBC (inner STBC) được đề nghị để tăng cường hoạt động truyền dẫn. Chúng ta đã biết mã trellis rất ưu việt khi đạt được độ lợi mã hóa tốt mà không phải đấu tranh với băng thông và mã STBC trong bộ CIOD cho phép giải mã tín hiệu không qúa phức tạp và cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn OSTBC truyền thống. Nhờ đó mang lại độ phân tập không gian và đa đường tốt hơn cho hệ thống MIMO-OFDM.
Sự phân tích xác suất mã hóa từng đôi một (PEP – pairwise error probability) từ mã CIOD mã trellis chỉ ra rằng nó đã đạt được sự phân tập không gian đầy đủ và phân tập đa đường cao.