Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

Maximum Likelihood	Khả năng tối ưu
MSB	Most significant bit	Bit có giá trị cao nhất
EGC	Gain Combinations	Bộ tổ hợp cùng độ lợi
MRC	Maximum Ratio Combinations	Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa
PSAM	Pilot signal assisted Modulation	Điều khiển tín hiệu Pilot hỗ trợ

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 68 trang tài liệu này.

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Mạng thông tin di động có những ưu điểm mà mạng có dây không có được như: tính lưu động, những nơi có địa hình phức tạp, trong không gian..v..v. Vì vậy con người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động từng ngày, từ mạng 2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng các mô hình mạng WIFI (Wireless Fidelity), WIMAX (World Interoperability Microwave Access). Song song với từng thế hệ là các giải pháp mới được đưa ra như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO…Mỗi giải pháp mới đều có những ưu điểm hơn giải pháp cũ nhưng đều được phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ dữ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thông, tăng chất lượng dịch vụ…

Trong đó OFDM và MIMO là hai kỹ thuật được kết hợp với nhau và đưa vào sử dụng. OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để truyền và nhận dữ liệu. OFDM được đưa vào ứng dụng trong thực tế như: truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh và đã đem lại những hiệu quả đáng kể. Bên cạnh đó, MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers – IEEE), thường được dùng chung với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM). Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông hiện đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng 3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Và với sự kết hợp hai kỹ thuật MIMO và OFDM vào một số mô hình như WiMax, VoWifi trong các tiêu chuẩn 802.16, 802.11n đã đem lại các kết quả cao trong thực tế.

Vì thế, em đã chọn đề tài “Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO - OFDM trong hệ thống thông tin di động” để làm bài đồ án tốt nghiệp của mình.

2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO để kết hợp giữa kỹ thuật MIMO và kỹ thuật OFDM nhằm tăng dung lượng và chất lượng cho hệ thống thông tin di động không dây.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động.

4. Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

 Nghiên cứu, tìm tài liệu qua các phương tiện truyền thông (sách, báo, internet…).

 Tham khảo ý kiến đóng góp của giảng viên và cán bộ hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.

 Nghiên cứu lý thuyết nhằm có một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO cũng như hệ kỹ thuật OFDM từ đó kết hợp lại để tạo ra những mô hình ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kỹ thuật MIMO_OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n trong hệ thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX. Mặc dù bước đầu còn trong giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏ nhưng nó đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực thông tin di động như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi. Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó không thực hiện được.

Đề tài đã giới thiệu kỹ thuật OFDM, kỹ thuật này cho thấy sự cải thiện đáng kể về chất lượng tín hiệu. Phát triển đề tài này, có thể nghiên cứu thêm các hệ thống MIMO_OFDM với số anten phát và thu lớn hơn; như hệ thống 3x4, 4x4, 8x8… Nhưng số anten tăng cũng nảy sinh vấn đề cần giải quyết đó là: sự phức tạp trong bộ thu tín hiệu, làm cho các phép tính có độ khó cao, thiết bị thì cồng kềnh, giá thành cao. Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng, các thuật toán xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế. Với những ưu điểm về mặt kỹ thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, kỹ thuật MIMO_OFDM sẽ là một trong những kỹ thuật hàng đầu được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới như NGN, 4G.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

 Giới thiệu chung

Thông tin di động thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiplex Access). Điển hình cho thế hệ này là một số hệ thống như:

 AMPS (Advance Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

 TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ

 NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 MHz

 NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 MHz

 NTT (Nipon Telegraph and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu và sử dụng Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không

nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại …

Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động. Một số hệ thống thông tin di động thế hệ hai điển hình như:

 GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu

 IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ do Qualcomm đề xuất

 IS-136 (Interim Standard 136): Tiêu chuẩn thông tin di dộng TDMA cải tiến của Mĩ do AT&T đề xuất

 PDC (Personal Digital Cell): Hệ thống tổ ong cá nhân của Nhật Bản

Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13Kbps. Chúng có những phát triển rất mạnh vào những năm 1990. Tuy nhiên số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với nhu cầu về dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, các yêu cầu về chất lượng cuộc gọi… đã đòi hỏi các nhà thiết kế phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới.

Trong bối cảnh đó ITU đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động. Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thập kỉ 2000. Các hệ thống này điều sử dụng công nghệ CDMA và cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136. CDMA-2000 sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA IS-95.

Nhưng không dễ để phát triển từ thế hệ hai sang thế hệ ba do các vấn đề kỹ thuật giữa hai thế hệ có những điểm khác nhau. Thế giới có xu hướng quá độ lên thế hệ 2.5 trước khi triển khai thế hệ 3. Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng và số liệu 144 Kbps.

Thông tin di động thế hệ thứ ba là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện. Một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3:

 Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện. Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbps.

 Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu. Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên.

 Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu. Nghĩa là phải đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số hóa các dịch vụ số liệu.

 Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định nhất là đối với thoại.

 Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh.

Để đạt được những yêu cầu này phải kể đến những kỹ thuật đã góp phần giải quyết những vấn đề đó trong lĩnh vực thông tin di động như: sự hạn chế về dung lượng hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu của người dùng, chất lượng dịch vụ, tuổi thọ của pin trong các thiết bị di động…

Tuy nhiên đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Generation).

4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng. Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể. Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler … đã gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu tại đầu thu. Các kỹ thuật phân tập góp phần đáng kể trong trong việc giảm fading đa đường. MIMO là một hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hoá nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Nhiều cấu trúc MIMO đã được đề xuất và đạt được nhiều hiệu quả to lớn như cấu trúc không gian - thời gian lớp dọc của phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time), mã hoá khối không gian - thời gian STBC (Space-Time Block Coding), mã hoá Trellis không gian - thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)…

Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặt biệt là các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự (Inter - Symbol Interference) xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) một cách đáng kể. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu liên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Nhận thấy những tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM, các nhà thiết kế đã kết hợp cả hai vào một hệ thống truyền dẫn để tận dụng ưu điểm của chúng. Thành công rực rỡ đã đặt MIMO - OFDM làm nền tảng cho sự phát triển 4G. Trong tương lai, nhiều nghiên cứu sẽ đựơc phát triển để cải tiến chất lượng, dung lượng của hệ thống MIMO - OFDM.

Hình 1.1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G

 Wi-Fi (Wireless Fidelity)

 Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

 HSPA (High Speed Packet Access): Truy nhập gói tốc độ cao

 LTE (Long Term Evolution): Phát triển bền vững

 Những khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động

Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các kỹ thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số, một khe thời gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống. Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động thì có hạn. CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell. Do đó dung lượng hệ thống không cao.

Bên cạnh đó, chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển. Các hệ thống thông tin di động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz, các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được dùng cho di động thông thường.

Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.

1.2. MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong một kênh vô tuyến lí tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác. Tuy nhiên, trong một kênh thực tế tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng là kênh truyền có thể cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh truyền. Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu điều rất quan trọng.

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia… Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số.