MỞ ĐẦU 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa nước nhà như hiện nay, ngành thông tin di động đóng một vai trò hết sức quan trọng. Sự phát triển với tốc độ chóng mặt về cả số lượng thuê bao lẫn chất lượng dịch vụ đã đóng góp đảng kể vào việc liên lạc thông tin kinh tế - chính trị - xã hội của nước nhà. Và việc áp dụng các kĩ thuật truyền thông không dây tiên tiến là một nguyên nhân mấu chốt cho sự thành công.
Một loại hệ thống kênh truyền được sử dụng khá phổ biến trong thời gian những năm gần đây, bởi sự hiệu quả và thiết thực, đó là hệ thống MIMO, hệ thống cho thấy tính thực tế bởi việc thiết lập và xây dựng trên mô hình đa người dùng, và đa anten phát ở trạm phát. Điều này làm cho hiệu quả kênh truyền tăng lên đáng kể. Trong đó kĩ thuật tiền mã hóa đóng một vai trò cơ bản để tăng chất lượng tín hiệu kênh MIMO. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Một loại hệ thống kênh truyền được sử dụng khá phổ biến trong thời gian những năm gần đây, bởi sự hiệu quả và thiết thực, đó là hệ thống MIMO, hệ thống cho thấy tính thực tế bởi việc thiết lập và xây dựng trên mô hình đa người dùng, và đa anten phát ở trạm phát.
Điều này làm cho hiệu quả kênh truyền tăng lên đáng kể. Trong đó, kĩ thuật tiền mã hóa đóng một vai trò cơ bản để cải thiện khả năng nhận tín hiệu của máy thu, cải thiện hiệu suất sử dụng tín hiệu kênh MIMO. Vì vậy, đề tài này sẽ tìm hiểu, nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật tiền mã hóa.
2 Áp dụng mô phỏng lý thuyết trong mô hình truyền dẫn MIMO, đưa ra nhận xét, đánh giá.Nghiên cứu và áp dụng lý thuyết sử dụng thông tin kênh truyền trễ vào mô hình truyền dẫn MIMO đa người dùng. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: o Hệ thống MIMO-OFDM o Các kỹ thuật tiền mã hóa Phạm vi nghiên cứu: Kênh truyền MIMO, đồng thời giả sử các kênh truyền fading phẳng độc lập và phân bố đều. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp luận xuyên suốt của đề tài là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau: - Dẫn dắt vấn đề từ các khái niệm cơ bản trong kênh truyền SISO, MIMO, OFDM.
- Nguyên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa ZF, BD, DPC, THC. - Ứng dụng các kỹ thuật trên trong hệ thống MIMO. Sử dụng phần mềm chuyên dụng (Matlab) để mô phỏng mô hình. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Các khái niệm cơ bản trong kênh truyền SISO, MIMO, OFDM.
- Các kỹ thuật tiền mã hóa. - Thực hiện mô phỏng các mô hình trên, phân tích so sánh. - Viết báo cáo tổng kết đề tài. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.
GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương này, ta sẽ nghiên cứu về sự phát hiện của mạng thông tin di động và tình hình chung của mạng di động hiên nay. Trong phần này còn trình bày những khái niệm và một số vấn đề gây ảnh hưởng đến tín hiệu trong kênh truyền vô tuyến. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG [5], [10] Vào cuối những năm 1940, dịch vụ điện thoại vô tuyến đầu tiên đã ra đời và đây là dịch vụ thiết kế cho người sử dụng trên xe hơi. Sau đó, hệ thống điện thoại di động cải tiến (IMTS) ra đời vào những năm 1960 bởi Bell Systems đã mang lại một số cải tiến như gọi trực tiếp và có băng thông lớn hơn.
Nhiều hệ thống tương tự đầu tiên dựa trên IMTS ra đời vào cuối những năm 1960, đầu 1970. Các hệ thống này được gọi là ‘tế bào’ vì một vùng phủ sóng lớn được chia thành các khu vực nhỏ hơn, gọi là ‘tế bào’. Mỗi tế bào được cung cấp bởi một máy phát, máy thu có công suất thấp. Công nghệ di động thế hệ thứ 1 (1G) Hệ thống di động thế hệ thứ nhất là một hệ thống tương tự, được phát triển vào những năm 1970.
Thế hệ đi động đầu tiên này có hai cải tiến lớn, đó là sự ra đời của bộ vi xử lý và bộ chuyển đổi số của đường liên kết điều khiển giữa điện thoại và trạm tế bào. Hệ thống điện thoại di động cải tiến (AMPS) đầu tiên được đưa vào sử dụng tại Hoa Kỳ cũng là một hệ thống di động 1G. Công nghệ chính được sử dụng trong 1G là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), công nghệ này cho phép thực hiện cuộc gọi thoại trong một quốc gia. FDMA, đa truy cập phân chia theo tần số, là hệ thống tương tự phổ biến nhất.
Đối với kỹ thuật này, phổ tín hiệu sẽ được chia thành nhiều dải tần con, và mỗi dải tần gán cho một người sử dụng. Tại một thời điểm, chỉ có một người sử 4 dụng gán cho một tần số. Vì thế khi đó, tần số đó sẽ bận cho đến khi cuộc gọi kết thúc, hoặc nếu có cuộc gọi khác thì sẽ sử dụng tần số khác. Đối với cuộc gọi thông thường, sẽ cần hai tần số, một tần số để gửi, và một tần số để nhận.
FDMA chỉ được sử dụng trọng hệ thống tương tự thế thế đầu tiên, bởi vì sự lãng phí băng thông như đã nói ở trên. Công nghệ di động thế hệ thứ 2 (2G) Công nghệ di động thế hệ thứ hai xuất hiện vào cuối những năm 1980. Các hệ thống 2G đã thực hiện số hóa tín hiệu thoại và đường liên kết điều khiển. Hệ thống số mới này mang mang chất lượng tốt hơn và nhiều dung lượng kênh truyền hơn (Ví dụ: Cho phép nhiều người hơn sử dụng điện thoại cùng lúc mà không bị rớt cuộc gọi), chi phí thấp hơn tại các đầu cuối tiêu thụ.
Công nghệ chính trong 2G là đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA). Mạng thương mại đầu tiên ứng dụng TDMA cho sử dụng công cộng là Truyền thông di động cho hệ thống toàn cầu (GSM). TDMA, đa truy cập phân chia theo thời gian sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần. TDMA không chia thành các dải tần, mà chia theo thời gian, thành các khe thời gian trên tất cả các tần số.
Mỗi người dùng sẽ được cấp một khe thời gian. Vì vậy, nhiều người dùng có thể sử dụng chung một tần số, nhưng có khe thời gian khác nhau. TDMA được sử dụng nhiều trong mạng 2G. Công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) Hệ thống di động thế thế thứ ba hứa hẹn mạng lại các dịch vụ thông tin liên lạc như thoại, fax, khả năng truyền dữ liệu qua Internet nhanh hơn.
Mục tiêu chính của 3G là cung cấp các dịch vụ mọi lúc, mọi nơi trên toàn thế giới, với hệ thống chuyển vùng liền mạch giữa các tiêu chuẩn. IMT-2000 của ITU là một tiêu chuẩn toàn cầu cho hệ thống 3G và cho phép các dịch vụ và ứng dụng sáng tạo, như giải trí đa phương tiện, các dịch vụ dựa trên địa điểm,… Tại Nhật, Mạng 3G đầu tiên được khải triển vào năm 2001. Công nghệ 3G có thể hỗ trợ 144 Kbps với tốc độ di chuyển cao của phương tiên, 384 Kbps tại địa phương và 2Mbps cho các trạm cố định. 3G đã khởi đầu như thế nào? Ý tường đầu tiên không phải đến từ các nhà điều hành mạng, mà đến từ các nhà sản xuất thiết bị.
Năm 1996, NTT (Nippon Telephone & Telegraph) và Erission bắt đầu phát triển 3G, sau đó vào năm 1997 tại Hoa Kỳ, Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông (TIA - Telecomunication Industry Association) đã chọn CDMA (đa truy cập phân chia theo mã) là kỹ thuật chính sử dụng trong 3G. Vào năm 1998, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI - European telecommunicaitons Standards Institude) cũng chọn CDMA làm công nghệ phát triển. Cũng vào năm 1998, hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) đã phát triển kỹ thuật CDMA băng rộng (W-CDMA) và CDMA2000. Hai tiêu chuẩn vô tuyến chính sử dụng trong 3G là W-CDMA và CDMA2000.
W-CDMA được sử dụng ở Châu Âu, còn CDMA2000 được sử dụng tại USA. Đối với kỹ thuật CDMA, một tín hiệu mang dữ liệu, sau đó được nhân với 6 tín hiệu có tốc độ cao hơn, băng thông lớn hơn, ở đây sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). CDMA2000 sử dụng ghép kênh phân chia theo mã (CDM). CDMA, đa truy cập phân chia theo mã sử dụng phương pháp trải phổ.
Khác với FDMA, CDMA cho phép người dùng sử dụng tất cả các tần số có sẵn cùng lúc. Mỗi cuộc gọi sẽ được gán cho một mã riêng biệt, vì thế mới có tên là ‘phân chia theo mã’. CDMA rất hiệu quả về băng thông. CDMA còn có thể trao đổi thông tin với nhiều hơn một trạm cùng lúc.
Vì thế nó được chọn để sử dụng trong hệ thống 3G. Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G) Thông tin di động thế hệ thứ tư sẽ mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với hệ thống 3G. Dự đoán, tốc độ dữ liệu của hệ thống 4G tăng lên đến 100 Mbps đối với phương tiện di chuyển và 1Gbps đối với các trạm cố định. Các kỹ thuật được sử dụng trong mạng 4G là OFDM, SDMA,… Hình 1.4: SDMA SDMA là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian.
Kỹ thuật này sử dụng các hướng (góc) khác nhau trong không gian tín hiệu, sau đó được phân kênh 7 và gán cho người dùng khác nhau. Kỹ thuật này thường được thực hiện với các anten định hướng (hình 1. KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN [1], [10] Kênh truyền vô tuyến đưa ra những giới hạn về chất lượng của các hệ thống thông tin không dây. Đường truyền giữa máy phát và máy thu có thể thay đổi từ dạng đơn giản như đường truyền thẳng của ánh sáng, hoặc là các đường bị cản bởi tòa nhà, núi và xe cộ,… Trong khi kênh truyền có dây có tính chất đứng yên và có thể dự đoán được, còn kênh truyền không dây là các thông số ngẫu nhiên và biên độ của tín hiệu có thể bị giảm bởi các vật thể di động trong không gian.
Mô hình hóa kênh truyền vô tuyến là một trong những khó khăn trong việc thiết kế hệ thống vô tuyến di động, và thường được thực hiện với mô hình thống kế với các thông số đặc trưng cho từng hệ thống. Giới thiệu về truyền sóng vô tuyến Các cơ chế truyền sóng điện từ rất đa dạng, nhưng thường là do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ.