CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày một vài điểm về lịch sử cũng như đặc điểm, khái niệm cơ bản của hệ thống MIMO, các chuẩn truyền thông tiêu biểu trong MIMO. Đồng thời cũng trình bày sơ lược về quá trình thiết kế hệ thống trên nền phần cứng FPGA.1 Giới thiệu về MIMO.1 Lịch sử về MIMO. Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng cũng như chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ thống thông tin, chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suốt, tăng dung lượng truyền khi tăng băng thông.
Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng đến một mức giới hạn nào đó vì khi công suất tăng thì có thể gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh và việc phân bố. Vì thế để có thể tăng năng suất và chất lượng người ta trong cậy vào các kỹ thuật truyền phát và xử lý tín hiệu. Trong đó có MIMO-OFDM. Ở đề tài này chỉ nghiên cứu một phần về MIMO.
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu mà không cần tăng công suất phát cũng như băng thông của hệ thống.1 mô tả các chuẩn thông tin không dây của IEEE tương ứng với tốc độ bit và vùng phủ sóng, trong đố các chuẩn màu đậm được ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM, điều này cho thấy tầm ứng dụng rất lớn của MIMO-OFDM. Các chuẩn không dây Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng chế về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến. Năm 1985 đồng nghiệp của Jack Winters là Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa trên những nghiên cứu của Jack Winters. Từ năm 1986 đến 1995 đã có nhiều bài báo về MIMO được đưa ra.
Năm 1996, trong khi đang làm việc tại trường đại học Stanford, Greg Raleigh và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do hệ thống vô tuyến va chạm với các vật tạo ra nhiều kênh truyền ảo riêng lẻ trong hệ thống MIMO. Từ đó Greg Raleigh đã viết bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAST (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến sử dụng công nghệ MIMO.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng phổ lần đầu tiên khoảng 20-40 bps/Hz.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này cũng đưa ra phương pháp áp dụng cho M anten thu để có độ lợi 2M. Năm 2003, Airgo đã tung ra chip MIMO đầu tiên. Năm 2004, IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp Trang 12 kỹ thuật OFDM.
Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu tiên của 802.11n để thảo luận và sửa chữa.2 Các dạng cấu hình anten thu-phát. Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành 4 hệ thống cơ bản gồm: SISO (Single Input Single Output) SIMO (Single Input Multiple Output) MISO (Multiple Input Single Output) MIMO (Multiple Input Multiple Output) Hệ thống SISO Hình 1. Hệ thống SISO Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế.
Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức Shanon: C log 2 (1 SNR) bit/ s/ Hz Trang 13 Hệ thống MISO Hình 1. Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ.
Khi máy phát biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công thức: C log 2 (1 N .SNR ) bit/ s/ Hz Hệ thống SIMO Hình 1. Hệ thống SIMO Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, được tính theo công thức: Trang 14 C log 2 (1 M .SNR) bit/ s/ Hz Hệ thống MIMO Hình 1.
Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo công thức: C log 2 (1 M.SNR) bit/ s/ Hz 1.3 Một số ứng dụng tiêu biểu.11n Mạng máy tính cục bộ không dây (WLAN: wireless LAN ), còn gọi tắt là WiFi (Wireless Fidelity) đầu tiên được IEEE chuẩn hoá vào năm 1997 và được gọi là 802.
Chuẩn này hoạt động trong dải tần vô tuyến 2.4Ghz với tốc độ chỉ đạt được là 2Mbps. Tốc độ này quá thấp cho các ứng dụng. Vì vậy, IEEE đã phát triển các chuẩn mới.11a/b được chấp thuận và sản phẩm thương mại đầu tiên ra đời năm 2001. Các mạng WLAN đã phát triển vượt bậc nhờ Trang 15 giá thành ngày càng giảm, được tích hợp sẵn trong các thiết bị xách tay và nhất là sự tiện nghi cho người sử dụng khi truy cập mạng mà không cần dây nối.
Đến nay, mạng WLAN đã được phát triển thêm rất nhiều chuẩn, trong đó nổi bật là 802.11n và gần đây là 802.11n sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM nên tốc độ đạt trên 100Mbps (tối đa là 600 Mbps). Wireless LAN không những hỗ trợ thiết lập mạng cục bộ mà còn cho phép thiết lập mạng ngang hàng peer-to-peer (adhoc network) giữa các thiết bị. Vì vậy, mạng này không chỉ hiện diện trên các máy tính xách tay, các thiết bị hỗ trợ cá nhân (PDA), mà còn xuất hiện ở nhiều thiết bị giải trí đa phương tiện, các thiết bị văn phòng. Thành công của mạng wireless LAN đã thúc đẩy việc phát triển nhanh mạng máy tính với quy mô lớn hơn và có nhiều tính năng hơn.
Mạng máy tính không dây diện rộng (Wireless MAN) được nghiên cứu và thử nghiệm, chuẩn 802. Sự phát triển cực nhanh đó cho thấy mối quan tâm của thế giới dành cho mạng máy tính không dây cục bộ và các thế hệ sau của nó là rất lớn.16 còn được gọi với tên WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) được phát triển trong những năm gần đây.16 đầu tiên được công bố vào tháng 12 năm 2001, dành cho hệ thống không dây dải rộng cố định điểm – đa điểm (fixed point to multipoint broadband wireless system) hoạt động trong vùng phổ tần đăng ký (licensed spectrum) từ 10 đến 66 GHz. Trên thực tế, WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMAX gồm 2 phần cơ bản là trạm phát và trạm thu.
Trạm phát giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 km2. Trạm thu có thể là các anten nhỏ như các card mạng kết nối vào hoặc được thiết lập sẵn trên bo mạch chủ bên trong các máy tính. Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển bằng đường Trang 16 truyền thẳng (line of sight) và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất xa. Truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 là các hệ thống di động băng rộng.
Với hệ thống này, các thiết bị di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao. Đồng thời, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệ không dây khác nhau. Kỹ thuật MIMO-OFDM cho phép truyền tín hiệu với tốc độ cao, tránh được cảICI và ISI. Vì vậy, kỹ thuật MIMO-OFDM là công nghệ then chốt của truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G).2 Giới thiệu về thiết bị FPGA.1 Định nghĩa FPGA.
Field-programmable gate array (FPGA) là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận: Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block) Hệ thống mạch liên kết lập trình được Khối vào/ra (IO Pads) Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý. FPGA cũng được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, nhưng nếu so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên thư viện logic thì FPGA không đạt đựợc mức độ tối ưu như những loại này, và hạn chế trong khả năng thực hiện những tác vụ đặc biệt phức tạp, tuy vậy FPGA ưu việt hơn ở chỗ có thể tái cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản do vậy chi phí giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng.