Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM (ĐH Đà Nẵng)

Tổng quan các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM, phân tích, mô phỏng và so sánh hiệu năng qua tỷ lệ lỗi bit (BER) của từng kỹ thuật.

• Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Quỳnh Hương
• Trường học: Trường Cao đẳng Công nghệ Thông tin
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống MIMO OFDM

Hệ thống MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một công nghệ truyền thông hiện đại kết hợp hai kỹ thuật tiên tiến. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten phát và thu để tăng dung lượng kênh truyền, trong khi OFDM chia tần số thành các sóng mang trực giao để chống nhiễu. Sự kết hợp này tạo nên một hệ thống mạnh mẽ với khả năng truyền dữ liệu cao và khả năng chống can nhiễu tốt. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin di động từ 3G, 4G đến 5G, giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và tốc độ truyền tải dữ liệu.

1.1. Cấu trúc hệ thống MIMO OFDM

Hệ thống MIMO-OFDM bao gồm một máy phát có nhiều anten đầu vào và một máy thu có nhiều anten đầu ra. Tại máy phát, dữ liệu được điều chế bằng OFDM với nhiều sóng mang trực giao. Mỗi sóng mang được truyền đi thông qua các anten phát khác nhau. Tại máy thu, tín hiệu từ các anten được thu nhập và xử lý để khôi phục dữ liệu. Cấu trúc này cho phép khai thác cả lợi ích của không gian (từ MIMO) và tần số (từ OFDM), tạo nên một hệ thống hiệu quả về mặt phổ tần.

1.2. Dung lượng kênh truyền trong MIMO OFDM

Dung lượng kênh của hệ thống MIMO-OFDM được xác định bởi số lượng anten, trạng thái kênh truyền và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu. Với hệ thống MIMO nxm (n anten phát, m anten thu), dung lượng có thể tăng gấp min(n,m) lần so với hệ thống SISO. OFDM chia kênh thành các kênh con đơc lập, cho phép tối ưu hóa dung lượng trên từng sóng mang. Điều này làm cho MIMO-OFDM trở thành công nghệ lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền cao.

II. Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO OFDM

Tiền mã hóa (precoding) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu được thực hiện tại máy phát trước khi truyền đi để khử can nhiễu giữa các sóng mang và các anten. Trong hệ thống MIMO-OFDM, tiền mã hóa đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền và cải thiện tỉ lệ lỗi bit (BER). Có ba loại kỹ thuật tiền mã hóa chính: tuyến tính (Zero Forcing, Block Diagonalization), phi tuyến (Dirty Paper Coding, Tomlinson-Harashima) và kỹ thuật lựa chọn thiết bị. Mỗi kỹ thuật có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện kênh và yêu cầu ứng dụng khác nhau.

2.1. Tiền mã hóa Zero Forcing ZF

Kỹ thuật Zero Forcing là một phương pháp tiền mã hóa tuyến tính đơn giản và hiệu quả. ZF tính toán ma trận tiền mã hóa là nghịch đảo giả của ma trận kênh truyền, nhằm đặt không các thành phần can nhiễu. Phương pháp này có độ phức tạp tính toán thấp và dễ triển khai. Tuy nhiên, ZF có nhược điểm là không tối ưu hóa sự phân bổ công suất giữa các người dùng, dẫn đến hiệu suất hơi kém trong môi trường nhiễu cao.

2.2. Tiền mã hóa phi tuyến

Các kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến như Dirty Paper Coding (DPC) và Tomlinson-Harashima Precoding (THP) đạt hiệu suất tốt hơn so với phương pháp tuyến tính. DPC sử dụng mã Wyner nhằm khử can nhiễu mà không phải tăng công suất truyền. THP là một phương pháp phi tuyến đơn giản hơn DPC, sử dụng phản hồi ngoài tuyến tính. Các kỹ thuật này có độ phức tạp tính toán cao hơn nhưng mang lại hiệu suất BER tốt hơn đáng kể.

III. Ứng dụng SDMA và lựa chọn người dùng

SDMA (Space Division Multiple Access) là một kỹ thuật đa truy cập cho phép nhiều người dùng sử dụng cùng tài nguyên tần số nhưng ở các vị trí không gian khác nhau. Bằng cách sử dụng tiền mã hóa, hệ thống có thể truyền dữ liệu cho nhiều người dùng đồng thời mà không gây can nhiễu. Lựa chọn người dùng (user selection) là kỹ thuật chọn lựa tập hợp tối ưu những người dùng được phục vụ tại mỗi slot thời gian. Thông qua lựa chọn người dùng thông minh, hệ thống có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể và công bằng giữa các người dùng khác nhau.

3.1. Nguyên lý hoạt động của SDMA

Hệ thống SDMA hoạt động dựa trên việc sử dụng thông tin trạng thái kênh (CSI) tại máy phát. Với CSI, máy phát có thể thiết kế ma trận tiền mã hóa để tách không gian giữa các người dùng khác nhau. Mỗi người dùng nhận được tín hiệu được ưu tiên để riêng cho họ, trong khi can nhiễu từ những người dùng khác bị triệt tiêu. SDMA cho phép dung lượng kênh tăng tuyến tính với số anten phát tại trạm gốc.

3.2. Chiến lược lựa chọn người dùng tối ưu

Lựa chọn người dùng tối ưu liên quan đến việc chọn k người dùng từ tổng số N người dùng sao cho tối đa hóa một hàm mục tiêu nào đó (thông lượng, công bằng, hoặc hiệu suất BER). Các chiến lược lựa chọn bao gồm: tối đa hóa tổng dung lượng, tối thiểu hóa lỗi, hoặc cân bằng giữa hiệu suất và công bằng. Lựa chọn người dùng tối ưu yêu cầu tính toán phức tạp, nhưng mang lại lợi ích đáng kể về hiệu suất hệ thống.

IV. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất

Để đánh giá hiệu suất của các kỹ thuật tiền mã hóa, các nhà nghiên cứu thực hiện các mô phỏng máy tính với các điều kiện kênh khác nhau. Tỉ lệ lỗi bit (BER) là chỉ tiêu chính được sử dụng để so sánh. Kết quả mô phỏng cho thấy kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến đạt BER tốt hơn so với tuyến tính, nhất là ở tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao. Hiệu suất cũng phụ thuộc vào số lượng anten và số lượng người dùng. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quý báu về việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp cho các ứng dụng thực tế.

4.1. Hiệu suất các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính

Trong mô phỏng với kênh Rayleigh phẳng tần số, Zero Forcing (ZF) và Block Diagonalization (BD) được so sánh. Kết quả cho thấy ZF có BER cao hơn BD ở các SNR khác nhau, do BD tối ưu hóa tốt hơn việc phân bổ công suất. Tuy nhiên, độ phức tạp tính toán của BD cao hơn ZF. Ở SNR = 20 dB, ZF có BER xấp xỉ 10⁻³, trong khi BD đạt 10⁻⁴, cho thấy sự cải thiện đáng kể của phương pháp tối ưu hơn.

4.2. So sánh tuyến tính và phi tuyến

So sánh giữa các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính (ZF, BD) và phi tuyến (DPC, THP) cho thấy sự khác biệt rõ rệt. DPC và THP đạt BER thấp hơn so với ZF và BD, đặc biệt ở SNR cao. Tuy nhiên, độ phức tạp tính toán của DPC và THP cao gấp nhiều lần. Từ 10-20 dB SNR, kỹ thuật phi tuyến cải thiện BER khoảng 2-3 bậc độ lớn, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.