Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật MIMO-OFDM trong hệ thống thông tin di động

Đồ án về kỹ thuật MIMO OFDM trong hệ thống thông tin di động. Tìm hiểu sâu về nguyên lý hoạt động, ưu điểm và ứng dụng của MIMO OFDM.

• Tác giả: Võ Thị Thái Hòa Trinh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Huyền Trang
• Trường học: Cao đẳng Công Nghệ Thông Tin hữu nghị Việt – Hàn
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin Ứng Dụng
• Đề tài: Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• Lí do chọn đề tài
• Mục đích nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO - OFDM
• Kỹ thuật MIMO - OFDM
• Hiệu quả của kỹ thuật MIMO – OFDM trong thông tin di động
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM
• TỔNG QUAN VỀ OFDM
• CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
• 2.1. Hệ thống đơn sóng mang
• 2.2. Hệ thống đa sóng mang
• 2.3. Tín hiệu trực giao
• SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM
• CÁC KĨ THUẬT CƠ BẢN TRONG OFDM
• 2.4. Điều chế/giải điều chế
• 2.5. Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial
• 2.6. Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM
• 2.7. Tiền tố lặp CP
• 2.8. Ước lượng kênh
• SO SÁNH ĐỘ PHỨC TẠP GIỮA KỸ THUẬT OFDM VỚI ĐIỀU CHẾ ĐƠN SÓNG MANG
• KẾT LUẬN CHƯƠNG
• 3. CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO
• GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MIMO
• Ưu điểm của kỹ thuật MIMO
• Nhược điểm của hệ thống MIMO
• ĐỘ LỢI TRONG HỆ THỐNG MIMO
• CÁC KĨ THUẬT PHÂN TẬP
• 3.1. Phân tập thời gian
• 3.2. Phân tập không gian
• 3.3. Phân tập tần số
• 3.4. Các phương pháp kết hợp phân tập
• MÃ HÓA KHÔNG GIAN - THỜI GIAN
• 3.5. Mã hóa khối không gian thời gian (Space time block Codes)
• 3.6. Mã lưới không gian thời gian STTC
• Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM
• GIỚI THIỆU CHUNG
• MÔ TẢ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO - OFDM
• 4.1. MIMO-OFDM Tx
• 4.2. MIMO_OFDM Rx
• 4.3. Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM
• PHÂN TÍCH HỆ THỐNG MIMO-OFDM
• 4.4. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
• 4.5. Space-Time Block-Coded OFDM
• KẾT LUẬN CHƯƠNG
• ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. MIMO OFDM Tổng Quan Kỹ Thuật Đột Phá Trong Di Động 5G

Mạng thông tin di động ngày càng phát triển, từ 2G đến 5G, với các giải pháp như FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, và MIMO. Xu hướng chung là nâng cao tốc độ dữ liệu, chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thông và tăng chất lượng dịch vụ. OFDM và MIMO là hai kỹ thuật được kết hợp và ứng dụng rộng rãi. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng nhiều anten để truyền và nhận dữ liệu, cải thiện hiệu suất và tốc độ. Sự kết hợp giữa hai kỹ thuật này đã mang lại những kết quả đáng kể trong thực tế. OFDM đã được ứng dụng trong truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh, mang lại những hiệu quả rõ rệt. MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11n của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử (IEEE), thường được dùng chung với kỹ thuật OFDM. Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng 3G như HSDPA. Việc kết hợp MIMO và OFDM trong các mô hình như WiMax, VoWifi trong các tiêu chuẩn 802.11n đã mang lại kết quả cao trong thực tế. Kỹ thuật MIMO-OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n trong hệ thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX. Mặc dù bước đầu còn trong giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏ nhưng nó đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực thông tin di động như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi. Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó không thực hiện được. Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng, các thuật toán xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế. Với những ưu điểm về mặt kỹ thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, kỹ thuật MIMO_OFDM sẽ là một trong những kỹ thuật hàng đầu được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới như NGN, 4G.

1.1. Lịch sử phát triển kỹ thuật MIMO OFDM trong 4G 5G

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz, các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được dùng cho di động thông thường. Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM. Tuy nhiên đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Generation). 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng. Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể.

1.2. Môi trường vô tuyến ảnh hưởng tới MIMO OFDM như thế nào

Trong một kênh vô tuyến lí tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác. Tuy nhiên, trong một kênh thực tế tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng là kênh truyền có thể cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler). Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp CP, kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.

II. Giải Mã OFDM Cách Tối Ưu Ghép Kênh Tần Số Trực Giao

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ 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 với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi. Tại đầu thu, dữ liệu sẽ 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. Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài khuyết điểm cần khắc phục. Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được, OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang – ICI có thể loại bỏ. Bên cạnh đó vẫn còn một số nhược điểm: độ dài một mẫu tín hiệu tăng lên do hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh; giảm hiệu quả sử dụng phổ so với điều chế đơn sóng mang.

2.1. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM trong truyền thông không dây

Khi sử dụng các khoảng bảo vệ có tính chất CP lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu liên kí tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất CP nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT. Tuy nhiên, OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier).

2.2. Tín hiệu trực giao là gì Ứng dụng trong OFDM

Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Tín hiệu trực giao có tính chất cho phép truyền và thu tốt nhiều tín hiệu trên cùng một kênh truyền mà không gây ra nhiễu xuyên kí tự giữa các tín hiệu này. Tính trực giao của tín hiệu được thể hiện ở dạng phổ của nó trong miền tần số. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của tín hiệu trực giao có đáp ứng tần số là sin hay sin(x)/x. Biên độ hàm sin có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ giảm dần khi càng xa tần số trung tâm. Mỗi sóng mang của tín hiệu có biên độ đỉnh tại tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóng mang khác.

2.3. Các kỹ thuật cơ bản của OFDM Điều chế S P IFFT FFT

Trong hệ thống OFDM tín hiệu vào là luồng bit ở dạng nhị phân. Nên trong hệ thống OFDM là 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. Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Với vai trò của khối IFFT (Inverse Discrete Fourier Transform): dùng thuật toán IFFT, tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.

III. MIMO Cách Tăng Tốc Độ Phạm Vi Truyền Thông Không Dây

Kỹ thuật MIMO (Multiple input Multiple output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. Các kỹ thuật MIMO thường gặp: phân tập theo không gian, phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số, mã hóa khối không gian_thời gian, mã hoá lưới không gian_thời gian, ghép kênh không gian. MIMO có những ưu điểm như: tăng độ lợi mảng, tăng độ lợi phân tập, tăng hiệu quả phổ, tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông; có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng được nhu cầu về dung lượng; khắc phục được nhược điểm của truyền đa đường để tăng dung lượng và chất lượng truyền dẫn.

3.1. Ưu điểm và nhược điểm của MIMO so với SISO

Tuy nhiên, MIMO cũng có những nhược điểm như: kích thước của thiết bị di động tăng lên; nhiễu đồng kênh do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần; nhiễu liên kênh do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO. Hệ thống MIMO chứa nhiều anten dẫn đến: tăng độ phức tạp, thể tích, giá thành phần cứng, tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu. Vì điều kiện kênh phụ thuộc vào môi trường vô tuyến nên không phải bao giờ hệ thống MIMO cũng có lợi.

3.2. Các loại độ lợi trong MIMO Beamforming Ghép kênh Phân tập

Độ lợi beamforming là kỹ thuật hướng búp sóng Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing): Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. Độ lợi phân tập không gian (spatial diversity): Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị Fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền Fading khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống.

3.3. Các kỹ thuật phân tập MIMO Thời gian Không gian Tần số

Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu bằng cách sử dụng hai hay nhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khác nhau. Phân tập có vai trò quan trọng trong chống fading, nhiễu đồng kênh, lỗi chùm. Kỹ thuật phân tập có thể sử dụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợi phân tập. Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian. Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắp xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập. Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số. Phân tập tần số: Là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tín hiệu.

IV. Bí Quyết Mã Hóa Không Gian Thời Gian Trong MIMO OFDM

Mã hóa không gian – thời gian (Space time Coding), viết tắt là STC. STC là phương pháp cải thiện độ tin cậy của tín hiệu truyền trong hệ thống liên lạc không dây bằng cách sử dụng đa anten. Mã hoá không gian-thời gian dùng nhiều đường truyền và nhiều phiên bản của tín hiệu truyền, gửi chúng đến bộ thu với mong muốn khi truyền qua kênh không gian vật lí thì ít nhất một trong các tín hiệu thu được sẽ ở trạng thái đủ tốt để thực hiện giải mã tại máy thu với độ tin cậy cao. Mã hoá không gian - thời gian có 2 loại chính: mã hoá khối không gian-thời gian (Space Time Block Code - STBC); mã hoá lưới không gian-thời gian (Space Time Trellis Code - STTC).

4.1. STBC Space time block Codes hoạt động như thế nào

STBC là một kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông không dây để truyền nhiều phiên bản của dòng dữ liệu qua nhiều anten và sử dụng các phiên bản của dữ liệu nhận khác nhau để nâng cao chất lượng tín hiệu nhận. STBC thì dữ liệu sẽ được truyền trong các khối đã được mã hoá và chúng được phân phối qua các anten không gian theo thời gian. Mỗi hàng là một khe thời gian, mỗi cột là các tín hiệu truyền của một anten theo thời gian.

4.2. STTC Space Time Trellis Code là gì Ưu điểm nhược điểm

STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được mở rộng cho trường hợp MIMO. STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra từng chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa. Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều độ phức tạp của STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn STTC.

V. Ứng Dụng MIMO OFDM Tương Lai Của Thông Tin Di Động

Kỹ thuật MIMO-OFDM ra đời đã tạo ra rất nhiều ưu điểm cho hệ thống thông tin di động. Đó là cho hiệu năng phổ cao, thích ứng với truyền dẫn đa đường trong hệ thống truyền dẫn không dây, tận dụng được sự phân tập anten từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu tại đầu thu, chống được hiện tượng Fading ảnh hưởng đến hệ thống băng rộng. Các hệ thống thông tin di động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz, các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được dùng cho di động thông thường. Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.

5.1. MIMO OFDM trong các chuẩn không dây IEEE

Kỹ thuật MIMO-OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n trong hệ thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX. Mặc dù bước đầu còn trong giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏ nhưng nó đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực thông tin di động như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi. Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó không thực hiện được.

5.2. Tiềm năng phát triển MIMO OFDM trong NGN và 4G

Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng, các thuật toán xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế. Với những ưu điểm về mặt kỹ thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, kỹ thuật MIMO_OFDM sẽ là một trong những kỹ thuật hàng đầu được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới như NGN, 4G.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG  Giới thiệu chung Thông tin di động thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiplex Access). Điển hình cho thế hệ này là một số hệ thống như:  AMPS (Advance Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến  TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ  NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 MHz  NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 MHz  NTT (Nipon Telegraph and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu và sử dụng Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại … Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động.

Một số hệ thống thông tin di động thế hệ hai điển hình như:  GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu  IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ do Qualcomm đề xuất  IS-136 (Interim Standard 136): Tiêu chuẩn thông tin di dộng TDMA cải tiến của Mĩ do AT&T đề xuất  PDC (Personal Digital Cell): Hệ thống tổ ong cá nhân của Nhật Bản SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 3 Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13Kbps. Chúng có những phát triển rất mạnh vào những năm 1990. Tuy nhiên số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với nhu cầu về dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, các yêu cầu về chất lượng cuộc gọi… đã đòi hỏi các nhà thiết kế phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới. Trong bối cảnh đó ITU đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động.

Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thập kỉ 2000. Các hệ thống này điều sử dụng công nghệ CDMA và cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136. CDMA-2000 sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA IS-95.

Nhưng không dễ để phát triển từ thế hệ hai sang thế hệ ba do các vấn đề kỹ thuật giữa hai thế hệ có những điểm khác nhau. Thế giới có xu hướng quá độ lên thế hệ 2.5 trước khi triển khai thế hệ 3. Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng và số liệu 144 Kbps. Thông tin di động thế hệ thứ ba là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện.

Một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3:  Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện. Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbps.  Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu. Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 4 Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động  Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu. Nghĩa là phải đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số hóa các dịch vụ số liệu.  Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định nhất là đối với thoại.  Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh.

Để đạt được những yêu cầu này phải kể đến những kỹ thuật đã góp phần giải quyết những vấn đề đó trong lĩnh vực thông tin di động như: sự hạn chế về dung lượng hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu của người dùng, chất lượng dịch vụ, tuổi thọ của pin trong các thiết bị di động… Tuy nhiên đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Generation). 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng. Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể. Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler … đã gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu tại đầu thu.

Các kỹ thuật phân tập góp phần đáng kể trong trong việc giảm fading đa đường. MIMO là một hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hoá nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Nhiều cấu trúc MIMO đã được đề xuất và đạt được nhiều hiệu quả to lớn như cấu trúc không gian - thời gian lớp dọc của phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time), mã hoá khối không gian - thời gian STBC (Space-Time Block Coding), mã hoá Trellis không gian - thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)… Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặt biệt là các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự (Inter - Symbol Interference) xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) một cách đáng kể. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 5 Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn.

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu liên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Nhận thấy những tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM, các nhà thiết kế đã kết hợp cả hai vào một hệ thống truyền dẫn để tận dụng ưu điểm của chúng. Thành công rực rỡ đã đặt MIMO - OFDM làm nền tảng cho sự phát triển 4G. Trong tương lai, nhiều nghiên cứu sẽ đựơc phát triển để cải tiến chất lượng, dung lượng của hệ thống MIMO - OFDM.1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G  Wi-Fi (Wireless Fidelity)  Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)  HSPA (High Speed Packet Access): Truy nhập gói tốc độ cao  LTE (Long Term Evolution): Phát triển bền vững  Những khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 6 Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các kỹ thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số, một khe thời gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống.

Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động thì có hạn. CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell. Do đó dung lượng hệ thống không cao. Bên cạnh đó, chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển.

Các hệ thống thông tin di động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz, các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được dùng cho di động thông thường. Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM. MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong một kênh vô tuyến lí tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác.

Tuy nhiên, trong một kênh thực tế tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng là kênh truyền có thể cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler).