CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MIMO MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HỆ MIMO 1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO 1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO Từ những thập niên 90 của thế kỷ trước người ta đã cảnh báo rằng nhu cầu người dùng mạng vô tuyến sẽ gia tăng rất mạnh trong các thập niên tiếp theo, vấn đề đặt ra là làm thế nào cải thiện tốc độ số liệu, chất lượng, dung lượng và độ linh hoạt của hệ thống. Khi tốc độ truyền số liệu của hệ thống mạng vô tuyến được cải thiện sẽ đồng nghĩa việc thu hút người dùng sử dụng các dịch vụ gia tăng tốc độ cao trên mạng khác ngoài thoại thông thường như: - Video conferencing - Video surveillance - Streaming video, music - Interactive gaming - Mobile IP - VoIP Có rất nhiều Viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm đã tập chung nghiên cứu rất sâu sắc về MIMO bởi người ta cho rằng: công nghệ MIMO thực sự là nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác. Cũng ngay từ những năm 90, nhóm nghiên cứu gồm Greg Raleigh và VK Jones đã chỉ ra những đặc tính, ưu điểm của: “truyền sóng vô tuyến đa đường” (Radio transmission multipath)- đây là một phương thức truyền sóng mà trước đó người ta thường quan niệm: Khi truyền sóng đa đường sẽ làm suy yếu sóng vô tuyến tại phía thu. Nhưng thực tế hai Ông đã chứng tỏ rằng: “ Khi tín hiệu vô tuyến được gửi từ phía phát sẽ phản xạ qua rất nhiều vật thể trong môi trường truyền sóng tạo thành nhiều đường riêng biệt rồi mới tới được phía thu và ta có thể tận dụng hiện tượng này làm tăng dung lượng của hệ thống lên nhiều lần”.
Hai Ông còn cho rằng: Nếu ta có thể coi mỗi một kênh là các đường truyền riêng biệt thì chúng ta có thể định tuyến các đường truyền này và tách chúng ra thành các “đường truyền ảo”. Một kênh có nhiều đường truyền ảo như trên thì cũng có thể coi là “một bó các đường truyền ảo”. Để tận dụng bó các đường ảo này trong khi truyền dữ liệu người ta sử dụng một hệ thống nhiều anten phát và nhiều anten thu -XIII- nhằm phân tập anten, hệ thống này gọi là MIMO; MIMO sẽ giải mã được luồng số liệu tốc độ cao thông qua các anten của nó. Mỗi một anten này sẽ tách luồng số liệu tốc độ cao thành luồng số liệu có tốc độ thấp hơn.
“ Bó các đường truyền ảo” ở trên sẽ được dùng để truyền các luồng số liệu tốc độ thấp này một cách đồng thời. Trong các hệ vô tuyến tín hiệu phát được phát ra theo rất nhiều đường như vậy phải dùng các bộ định tuyến để định tuyến được “ bó các đường truyền ảo” này. Khi nói đến khái niệm “các đường” thì giữa những đường này phải có “khoảng cách” hay “khe hở”, như vậy tín hiệu hoàn toàn có thể nhảy từ đường này sang đường kia khi chúng được truyền đi như vậy tại phía thiết bị thu do đó trong mô hình MIMO phải sử dụng các thuật toán đặc biệt hoặc các bộ vi xử lý tín hiệu đặc biệt để tách và khôi phục tín hiệu thu được thành tín hiệu nguyên thủy ban đầu như phía phát. Vào cuối những năm 1990 một bước tiến sâu hơn và lý thuyết điều chế và mã hóa đã được Tarokh cùng các tác giả khác và Alamouti thực hiện với các mã không gian thời gian (cụ thể: Kỹ thuật phân cực đơn giản, hiệu quả sử dụng 2 anten phát được giới thiệu bời Alamouti và được tổng quát hóa cho trường hợp nhiều anten phát bất kỳ bởi Tarokh).
Cũng đồng thời trong thời gian này, Foschini và Telatar cũng đã chứng minh một phương pháp tăng dung lượng kênh bằng cách sử dụng hiệu quả kích thứơc không gian. Một số trong các khái niệm này nhận được thuật ngữ chung là "phân tập phát" hay "điều chế MIMO". Phân tập phát không hoàn toàn là một khái niệm mới. Các khái niệm do Witneben và Hiroike đề xuất cũng các tác giả khác sử dụng phân tập thông qua các giải pháp xử lý hiệu quả tín hiệu.
Các bài báo đầu tiên này thiếu các nét mã hóa của vấn đề thiết kế tín hiệu nhưng thường dễ ràng thực hiện và vì thế nhận được sự quan tâm của các kỹ sư không phải là các học giả mã hóa. Các giải pháp phân tập phát hay MISO (Multi-input single-output: nhiều đầu vào một đầu ra) đảm bảo phân tập và độ lợi hiệu năng nhưng không nhất thiết là độ lợi phổ. Độ lợi phổ đòi hỏi khai thác chặt chẽ các kênh MIMO và bao hàm cả sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn nhiều anten. Năm 1998 Phòng thí nghiệm Bell nghiên cứu đưa ra mô hình ghép kênh không gian (spatial multiplexing) nhằm cải tiến hiệu suất hệ MIMO.
Như vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thông tin vô tuyến như sau: “Nếu một hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều anten ở cả phía phát lẫn phía thu thì ta gọi nó là một hệ thống MIMO”.1 TX 1 RX 1 h1,2 TX 2 RX 2 Máy phát Máy thu h1, Nr TX Nt RX Nr Hình 1.1 -Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu Hiện nay IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa ra các chuẩn 802.11n là chuẩn cho mạng vô tuyến thế hệ sau. Trong chuẩn này tốc độ truyền số liệu có thẻ lên tới 100Mb/s hoặc hơn nữa – đây là con số mà tại thời điểm hiện nay chỉ có áp dụng MIMO thì mạng vô tuyến theo chuẩn 802.11a/b/g mới đạt được. Trong chuẩn này qui định sóng radio sử dụng cho anten để truyền một dòng dữ liệu –đây là dạng điển hình của anten thông minh thay cho một hệ anten. Anten thông minh là kỹ thuật anten mảng, nhưng MIMO lại ghép nhiều mảng anten thành một mảng anten thông minh để truyền đồng thời dòng dữ liệu rát lớn – đây là yếu tố làm tăng dung lượng mạng vô tuyến.
Qui định trong thiết kế của chuẩn này cũng làm giảm méo tín hiệu và nhiễu thông qua các chuẩn về chuyển mạnh của hệ đa anten, phân tập lựa chọn, tần số tạo bước sóng và tổ hợp các phân tập thích ứng (Adaptive diversity combining).2 Ưu điểm MIMO Với tất cả đặc tính kể trên ta có thể kết luận vắn tắt về các ưu điểm của hệ MIMO như sau: - Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu. - Tăng cường khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác được nó. - Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả máy phát và thu) - Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất.3 Nhược điểm MIMO - Chi phí giá thành cho thiết bị cao hơn (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát, và phải dùng các bộ vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…) - Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO 1.1 Tài nguyên truyền dẫn Tài nguyên truyền dẫn đựơc chia thành hai loại: "không gian" và "thời gian". Trong chiều "không gian", đơn vị rời rạc được coi là "anten", còn trong chiều "thời gian" đơn vị rời rạc được coi là " chu kỳ ký hiệu" hay "thời gian ký hiệu".
Sự khác biệt căn bản giữa hai kích thước này là kích thước thời gian về căn bản là trực giao trong khi đó kích thước không gian: các ký hiệu được phát đồng thời từ các anten đồng kênh gây nhiễu cho nhau 1.2 Trực giao căn bản: Thời gian , tần số, mã. Ngoài khái niệm ghép kênh phân chia theo thời gian, chiều "thời gian" trực giao căn bản có thể chỉ thị ghép kênh phân chia theo tần số hoặc ghép kênh phân chia theo mã. Để đảm bảo tính trực giao trong chiều thời gian, cần loại bỏ nhiều giữa các ký hiệu trong các kênh đa đường. Điều này có nghĩa cần sử dụng cân bằng hợp lý khi ghép kênh phân chia theo thời gian hoặc khoảng bảo vệ khi ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).3 Phân tách không gian hay phân cực Chiều "không gian" có thể chỉ thị các anten hoạt động trong các vùng cách ly không gian hay trong các phân cực khác nhau.
Do môi trường tán xạ địa phương khác nhau, các anten được đặt đủ cách ly trong không gian sẽ tạo ra các kênh phađinh hầu như độc lập. Điều kiện "đủ" ở đây phụ thuộc và môi trường. Trong các ô vĩ mô ở vùng nông thôn, có thể cần cách ly vài bước sóng để các anten không tương quan với nhau, còn trong môi trường trong nhà chỉ cần một nửa bước sóng là đủ. Đối với phân cực, tỷ lệ ghép phân cực vuông góc quyết định phân cực có đảm bảo phân tập hay tạo nên các kênh song song cận trực giao.4 Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng, Beamfomer- tạo búp sóng 1.1 Beamforming Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng anten mảng (anten mảng trong beamforming là dùng các phần tử anten đặt sát nhau, sau đó điều chỉnh pha cấp sóng cho anten để tạo búp sóng hẹp; điều chỉnh pha các phần tử anten nhằm hướng về máy di động.
Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở -XVI- cự ly xa) để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi angten phát và độ nhạy phí thu. Nhiễu trong tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật beamforming sẽ giảm, bởi vì beamforming lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần tử anten mảng. Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu. Đồng thời khi đang truyền tín hiệu người ta có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp.
Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khả giống như mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phí thu các bộ tạo búp sóng tại các anten sẽ điều chỉnh các biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó như vậy tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn.2 Beamformer Quá trình tạo búp sóng thông thường xây dựng trên cơ sở sử dụng mảng anten được áp dụng cho các hệ thống TTDĐ thế hệ sau cho cả khái niệm mảng anten thích ứng và mảng anten cố định. Khi trang bị mảng anten thích ứng, BS có thể tạo búp đặc biệt cho người sử dụng.