Đặt vấn đề 1.1 Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao Lịch sử phát triển các hệ thống thông tin di động là lịch sử từng bước nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và nâng cao tốc độ truyền dữ liệu. Thế hệ đầu tiên 1G là kết nối analog chỉ đáp ứng truyền tiếng nói 3KHz. Những năm 1990 thế hệ 2G ra đời với kết nối kỹ thuật số. Ở châu âu hệ thống được giới thiệu là kết nối toàn cầu GSM hoạt động ở băng tần 900 và 1800MHz với tốc độ truyền dữ liệu kênh đến 22.
GSM hoạt động với nền tảng cơ bản là hệ thống ô BTS và MS. ở Mỹ hệ thống 2G dùng TDMA/136. Kỹ thuật TDMA (truy nhập phân chia theo thời gian) tốc độ cao hoạt động theo 02 hướng phát triển HSCSD và GPRS cung cấp data lên tới 384kbit/s và 172. Tốc độ truyền dẫn được tăng cao trong thế hệ truyền dẫn không dây tiếp theo 3G là 384kbit/s cho di động và 2Mbit/s cho đứng im.
Các kỹ thuật tối ưu trong 3G được biết đến như là UMTS, WCDMA hoặc là UTRA FDD/TDD. UMTS là giải pháp lựa chọn cho mạng GSM, hiện tại 850 triệu người dùng tại 195 quốc gia đang sử dụng chiếm 70 % thị trường kết nối không dây. UMTS thường dùng ở dải băng tần 2GHz. Trong thế hệ 3G sử dụng công nghệ EDGE, có 2 hướng phát triển tốc độ của GSM đi lên thế hệ EDGE đó là ECSD và EGPRS.
Tốc độ tối đa của EDGE là 473. EDGE được giới thiệu bởi Mỹ, tích hợp với hệ thống TDMA/136, 200 nhà cung cấp đã sử dụng công nghệ này, nó được gọi là thế hệ 2.5G với công nghệ GPRS từng bước vươn tới UMTS. HIPERLAN là chuẩn đặc biệt có tốc độ lên tới 54Mbit/s thông thường là 24Mbit/s cho các ứng dụng, tốc độ truyền dẫn cao yêu cầu băng thông rộng, tần số sóng mang ở băng tần cao hơn, UHF HIPERLAN được sử dụng ở đoạn băng tần cao từ 5GHz đến 17GHz, cho hệ thống đa phương tiện quảng bá là dải băng 40 GHz và 60 GHz. Các ứng dụng và dịch vụ cho các hệ thống là khác nhau.11 áp dụng cho máy tính với tốc độ truyền lên tới hàng trăm Mbit/s gấp 250 lần so với tốc độ giới hạn của UMTS.
z 5 Thế hệ 4G cung cấp tốc độ data cao hơn thế hệ 3G. 4G được giới thiệu ở Nhật bản vào năm 2006, phần chính vẫn là nền tảng của 3G nhưng tốc độ data tăng lên. Theo NTT-DoCoMo tốc độ data của hệ thống 4G lên tới 20 – 40 Mbit/s cao hơn khoảng 20 lần so với tốc độ dich vụ internet ADSL. WLan có tốc độ truyền data cao hơn 2Mbit.
Hệ thống Bluetooth thường hoạt động ở băng tần 2GHz cung cấp tốc độ nhỏ hơn 1Mbit. WLan thường dùng chuẩn 802.11b IEEE tốc độ 11Mbit với khoảng cách 50 đến 100m còn IEEE 802.11a ở băng tần 5GHz có tốc độ lên tới 54Mbit/s. Tại Châu âu sử dụng chuẩn IEEE 802.11a là HIPERLAN pha 2 sử dụng băng tần 6GHz. Tất cả đi đến hệ thống 4G đều dùng công nghệ MiMo với tốc độ lên tới 1Gbps mà độ rộng băng thông chỉ khoảng 100Mhz (ở dải băng tần 3.
Sự phát triển nói trên đều nhắm đến việc đáp ứng yêu cầu không ngừng tăng của người dùng đầu cuối trên thiết bị cầm tay với nhiều loại hình dịch vụ phong phú trong một xã hội thông tin hiện đại. Trong đó kỹ thuật MIMO đã góp phần không nhỏ trong việc tạo ra hệ thống 4G. Hình dưới đây tóm tắt lại bức tranh công nghệ sử dụng trong các thế hệ kết nối truyền thông không dây. z 6 Hình 1 Công nghệ sử dụng cho các thế hệ truyền thông không dây [8] Nhu cầu về dung lượng trong hệ thống thông tin không dây như thông tin di động, internet hay các dịch vụ đa phương tiện đang tăng lên một cách nhanh chóng trên toàn thế giới.
Tuy nhiên phổ tần số lại hạn hẹp do vậy muốn tăng dung lượng ta phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Những tiến bộ trong mã hoá, như mã kiểm tra chẵn lẻ, mã turbo, đã có thể tiếp cận đến giới hạn dung lượng Shannon, với hệ thống 1-1 ăngten tuy nhiên có thể đạt hiệu quả nhiều hơn nữa với hệ thống nhiều ăngten thu và nhiều ăngten phát. Hiệu quả phổ tần là đặc điểm nổi bật của hệ thống Mimo, với môi trường truyền dẫn là lý tưởng thì dung lượng kênh truyền tăng gần như tuyến tính với số lượng ăngten.2 Vài nét lịch sử Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng nhiều ăngten thu và nhiều ăngten phát (Multiple Input – Multiple Output) để truyền thông tin. Ngoài khả năng tạo búp truyền thống (beamforming) hệ thống MIMO phát triển mới tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hoá…) và khả năng hợp các luồng tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc độ dữ liệu cũng như tầm truyền xa hơn.
Có thể nói Jack Winters (Bell Laboatries, 1984 ) là người đi tiên phong trong lĩnh vực MIMO mới khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng trên z 7 cùng kênh tần số hoặc thời gian khi sử dụng nhiều ăngten tại cả máy phát lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh, tuy nhiên dưới đây sẽ điểm lại các sự kiện lịch sử phát triển hệ thống MIMO theo 2 góc độ kỹ thuật: Phân tập theo không gian (Spatial diversity) và ghép kênh theo không gian (Spatial multiplexing).1 Phân tập không gian Năm 1991: Kỹ thuật phân tập trễ (Delay diversity) được phát minh bởi Wittneben Năm 1998: Kỹ thuật phân tập dùng Mã hoá không gian - thời gian mắt cáo STTC (Space – Time Trellis Coding) của Tarokh. Năm 1999: Alamouti giới thiệu kỹ thuật Mã hoá không gian - thời gian khối STBC (Space – Time Block Coding).2 Ghép kênh theo không gian Năm 1994: Paulraj & Kailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất (Ground breaking results), nêu ra khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng cho phát thanh quảng bá. Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST (Bell Labs Layered Space Time) nhằm hợp các luồng truyền song song trên kênh fading nhanh. Cũng thời gian này Foschini cùng Greg Raleigh đã tạo ra phương pháp mới về công nghệ có khả năng tăng hiệu suất thực về sử dụng kênh, được cấp bản quyền phát minh Mimo OFDM khi cho ra đời chipset “Pre _N” có tên là True MiMo.
Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó. Năm 1998 sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được làm bởi Bell labs Năm 2001 sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Iospan Wireless Inc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. z 8 Năm 2006 một số công ty Broadcom, Intel. đưa ra giải pháp MIMO-OFDM theo chuẩn IEEE 802.
Cũng trong thời gian này Beceem Commmnications, Samsung,. cũng phát triển MIMO-OFDMA dựa trên IEEE 802 16e là WIMAX. Tất cả đi đến hệ thống 4G đều dùng công nghệ MIMO. Điểm lại các sự kiện lịch sử như vậy để thấy rằng lý thuyết cũng như công nghệ MIMO mới được phát triển đột phá trong hơn thập kỷ qua nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy trên đường truyền vô tuyến vốn chịu nhiều tác động của can nhiễu và bị giới hạn lý thuyết ở mức thấp theo công thức Shannon (1948) cổ điển.
Dưới đây luận văn sẽ trình bày mô hình hệ thống MIMO tổng quát sau đó tập trung phân tích riêng về thuật toán D-Blast cho kênh fading chậm. z 9 Chƣơng II Mô hình hợp kênh không gian hệ thống MIMO 2.1 Mô tả hệ thống Hình 2 diễn tả mô hình hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Hình 2 : Cấu trúc hệ thống thông tin vô tuyến Mimo Trong hệ thống MIMO nhằm tăng tốc độ truyền, dòng dữ liệu bên phát được tách thành N dòng số liệu song song có tốc độ thấp hơn (dòng con). N chính là số anten phát.
Mỗi một dòng số liệu có tốc độ thấp sẽ được điều chế và phát đi trên mỗi anten phát. Thông thường các máy phát sẽ làm việc ở cùng một tốc độ, tuy nhiên tốc độ này có thể được điều chỉnh linh hoạt theo yêu cầu và dịch vụ bằng phương pháp điều chế thích ứng. Các dòng số liệu lúc này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời trên cùng một băng tần, nên về mặt lý thuyết hiệu suất sử dụng phổ sẽ tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M ăngten của hệ thống thu.
Bằng phương pháp truyền dẫn này, hiệu suất sử dụng phổ có thể sẽ tăng theo hàm tuyến tính với số anten là min(M,N), so với việc tăng theo hàm loga của hệ thống phân tập hay không phân tập truyền thống. Hệ thống MIMO chỉ có hiệu suất sử dụng phổ cao khi hệ thống làm việc được trong môi trường kênh giầu tán xạ (scattering). Các dòng dữ liệu từ các anten phát qua kênh chồng chập lên nhau ở các anten thu sẽ hoàn toàn được phân tách trở lại bằng các thuật toán ở bên thu. Điều này thực hiện được khi các đường truyền riêng rẽ giữa hệ thống phát và hệ thống thu không tương quan với nhau do có sự khác nhau về tham số không gian z 10 và đường truyền tán xạ.
Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt về tham số không gian này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các anten khác nhau. Mô hình toán học [1] [Chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản là kênh truyền có hệ số truyền xác định (không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và được biết trước (qua phép ước lượng kênh), băng tần hẹp bất biến với thời gian. Hệ thống có nt ănten phát nr ănten thu có thể được biểu diễn qua ma trân kênh H n xn sẽ có mô tả toán học r t là: y = Hx + w (2.1) trong đó x Cn là véc tơ bên phát (gồm nt ký hiệu từ nt anten phát), y Cn là nr t r giá trị nhận được tại nr anten thu, w CN(0, N0 I n ) là ồn trắng Gauss tại một thời r điểm kí hiệu. Ma trận kênh H Cn xn được coi là xác định và không đổi trong thời r t gian truyền, được biết ở cả bên thu và phát, hij là hệ số suy giảm kênh từ ănten phát j đến ănten thu i, tổng công suất phát của các anten giới hạn là P.