Tìm hiểu hệ thống MIMO và hệ thống MC CDMA

GIỚI THIỆU

Mục tiêu nghiên cứu

Đồ án này giới thiệu công nghệ MIMO và MC-CDMA, hai công nghệ tiên tiến giúp cải thiện tốc độ truyền tải và hỗ trợ đa dạng dịch vụ như video, dữ liệu và hình ảnh Nhờ vào khả năng đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng, các công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa hiệu suất mạng.

Bài viết này mô phỏng dung lượng của hệ thống MIMO với sự thay đổi số lượng anten tại cả hai đầu phát và thu Đồng thời, nó phân tích tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MC-CDMA và so sánh với tỉ lệ lỗi bit của OFDM Những kết quả này giúp đánh giá hiệu suất của các công nghệ truyền thông hiện đại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong đồ án này, chúng tôi tập trung phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến, đồng thời làm rõ các khái niệm liên quan đến hệ thống MIMO và MC-CDM.

Việc nghiên cứu lý thuyết về hệ thống thông tin di động tại Việt Nam hiện vẫn còn thiếu sót do thiếu số liệu thực tế Đặc biệt, hệ thống thông tin di động trong nước mới chỉ triển khai công nghệ 4G, dẫn đến khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn vẫn còn lớn.

Cấu trúc đồ án gồm 6 chương:

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quát về đồ án, bao gồm lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, cùng với việc phân chia bố cục của đồ án một cách rõ ràng.

Chương 2: Tổng quan hệ thống vô tuyến

Khái quát hệ thống vô tuyến

Chương 3: Tổng quan về hệ thống MIMO

Nêu khái niệm, ưu nhược điểm và các đối tượng liên quan trong hệ thống MIMO

Chương 4: Hệ thống MC-CDMA

Tìm hiểu về hệ thống MC-CDMA, các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống MC- CDMA

Kết quả thực hiện mô phỏng bằng MATLAB

Tổng kết nội dung thực hiện, đưa ra đánh giá và hướng phát triển

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN

Khái niệm

Các phương tiện thông tin được chia thành hai loại chính: thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Trong thời đại hiện nay, mạng thông tin vô tuyến đã trở thành phương tiện chủ yếu, mang lại sự thuận tiện cho cuộc sống hiện đại.

Hình 2.1Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin

Chất lượng hệ thống thông tin phụ thuộc vào kênh truyền, nơi tín hiệu được gửi từ máy phát đến máy thu Kênh truyền hữu tuyến ổn định và dễ dự đoán, trong khi kênh vô tuyến lại ngẫu nhiên và khó phân tích Một đặc điểm nổi bật của kênh vô tuyến là sự tồn tại của nhiều đường đi khác nhau giữa bộ phát và bộ thu, dẫn đến việc nhận các phiên bản tín hiệu khác nhau với những suy hao về pha và đường đi Tại bộ thu, các tín hiệu này tích lũy tạo thành mô hình nhiễu cộng trắng có phân bố Gaussian (AWGN) cho các kênh không dây Tuy nhiên, mô hình AWGN không đủ để mô tả chính xác các kênh không dây, vì vậy việc phát triển các mô hình khác để thể hiện các kênh này là rất quan trọng.

5 đường truyền khác nhau có thể cho tín hiệu thu Hình 2.2 mô tả các đường đi khác nhau trong một ví dụ điển hình

Hình 2.2: Hiện tượng truyền sóng đa đường

Nếu có một đường đi trực tiếp giữa bộ phát và bộ thu, gọi là đường đi trực tiếp

Một đường đi trực tiếp giữa bộ phát và bộ thu không bao giờ tồn tại khi có những vật cản lớn Nếu có đường đi trực tiếp, tín hiệu nhận được sẽ luôn mạnh và nổi bật hơn Tín hiệu từ đường đi trực tiếp có tính tất yếu cao hơn, mặc dù cường độ và pha của nó có thể thay đổi do tính di động, nhưng những thay đổi này thường là có thể đoán trước và chủ yếu phụ thuộc vào khoảng cách mà không bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố ngẫu nhiên.

Một đường truyền trực tiếp không phải là cách duy nhất mà sóng điện từ có thể di chuyển từ bộ phát đến bộ thu; sóng điện từ có thể phản xạ khi gặp các vật thể lớn hơn bước sóng Dù bị phản xạ từ nhiều bề mặt, sóng vẫn có khả năng đến được bộ thu Tuy nhiên, những đường truyền này thường có khoảng cách xa hơn, dẫn đến cường độ công suất và pha yếu hơn so với sóng đi theo đường truyền trực tiếp.

Nhiễu xạ là một hình thức lan truyền sóng điện từ xảy ra khi sóng va chạm với bề mặt không đều, chẳng hạn như các cạnh sắc nét.

Sự tán xạ xảy ra khi có nhiều đối tượng nhỏ hơn bước sóng giữa bộ phát và bộ thu, dẫn đến việc sóng bị tán xạ và tạo ra nhiều bản sao lan truyền theo các hướng khác nhau Ngoài tán xạ, các hiện tượng như hấp thụ và khúc xạ cũng ảnh hưởng đến sự lan truyền của sóng điện từ.

Cơ chế lan truyền ảnh hưởng đến tín hiệu thu được trong các kênh không dây, tạo ra những đặc điểm độc đáo Những tác động này có thể làm giảm công suất tín hiệu theo nhiều cách khác nhau Có hai khía cạnh chính của sự suy giảm công suất tín hiệu: đầu tiên là sự suy hao đường truyền, tương ứng với đặc tính của tín hiệu khi truyền qua khoảng cách lớn hoặc trong thời gian dài Thứ hai là fading tầm hẹp, liên quan đến sự thay đổi nhanh chóng về biên độ và công suất tín hiệu qua khoảng cách ngắn hoặc thời gian ngắn.

Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm các bước mã hóa nguồn để giảm thông tin dư thừa, tiếp theo là mã hóa kênh nhằm chống lại lỗi do kênh truyền Tín hiệu sau khi mã hóa kênh sẽ được điều chế để có thể truyền tải đi xa, với các mức điều chế phù hợp với điều kiện kênh truyền Khi tín hiệu được phát đi từ máy phát, tại máy thu, tín hiệu sẽ trải qua các bước ngược lại và được giải mã Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế, mã hóa khác nhau Do đó, các kỹ thuật mới được phát triển nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền và hệ thống vô tuyến.

Hình 2.3: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

Sự suy hao tầm rộng, hay fading, được gây ra bởi nhiều yếu tố như suy hao lan truyền, suy hao anten và suy hao bộ lọc Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi chậm, ngay cả khi các thuê bao di chuyển với tốc độ cao Tại anten phát, sóng vô tuyến được truyền đi theo mọi hướng, tạo thành hình cầu Dù sử dụng anten định hướng, sóng vẫn mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng được tập trung vào một khu vực nhất định Do đó, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu, nghĩa là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Công thức (2.1) được sử dụng để tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách R.

𝑃 𝑅 : Công suất tín hiệu thu được (W)

𝐺 𝑇 : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)

𝜆: bước sóng của sóng mang

Hoặc có thể viết lại là:

𝐺 𝑅 (2.2) Gọi là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

Chúng ta có thể xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và liên lạc trực tiếp không vật cản, như tuyến vi ba điểm nối điểm ngắn Tuy nhiên, các tuyến thông tin trên mặt đất như di động và mạng LAN không dây có môi trường truyền dẫn phức tạp hơn, khiến việc tạo ra mô hình trở nên khó khăn hơn.

Khi sử dụng các kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, nếu điều kiện không gian tự do không được đáp ứng, công thức suy hao đường truyền sẽ được áp dụng để tính toán chính xác mức suy hao tín hiệu.

(2.4) Với ℎ 𝐵𝑆 10Ghz

Fading là hiện tượng xảy ra do lan truyền đa đường, gây ra bởi sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt là từ mặt nước, và sự phản xạ từ các bất đồng trong khí quyển Ngoài ra, nhiễu xạ bởi các vật cản trên đường truyền cũng góp phần vào hiện tượng này Vào giữa trưa, không khí bị xáo trộn bởi các dòng đối lưu và gió, trong khi vào buổi tối, đặc biệt trong mùa hè, gió giảm và sự phân bố nhiệt độ, độ ẩm không đều có thể tạo ra hiện tượng ống sóng, làm cho tia sóng không đến được điểm thu, từ đó gây ra fading đa đường.

Các kênh fading trong hệ thống vô tuyến

2.2.2.1 Mô hình fading Rayleigh Đầu tiên, chúng ta tập trung vào fading phẳng Giả sử rằng không có đường truyền thẳng giữa máy phát và thu Ở một kênh truyền đa đường với I đường, truyền một tín hiệu với tần số sóng mang f cthì tại máy thu sẽ thu được tổng của I đường và thành phần nhiễu Gaussian như sau:

ilà biên độ và pha của thành phần thứ i, η(t) là thành phần nhiễu Gaussian

Khai triển công thức (2.14) ta có:

Thông thường, trong thông tin số, thành phần thứ 1 và thứ 2 của (2.15) thường được gọi là đồng pha và thành phần vuông pha Số hạng 𝐴 = ∑ 𝐼 𝑖=1 𝑎 𝑖 cos (𝜑 𝑖 ) và

Tổng của I biến ngẫu nhiên, được biểu diễn bởi công thức ∑ 𝐼 𝑖=1 𝑎 𝑖 sin (𝜑 𝑖 ), phản ánh sự ngẫu nhiên trong môi trường Khi I có giá trị lớn, định lý giới hạn trung tâm thường được áp dụng để tính toán Các biến ngẫu nhiên A và B được coi là độc lập và phân bố đồng nhất theo phân phối Gaussian Đường bao tín hiệu, được tính bằng R = √𝐴 2 + 𝐵 2, tuân theo phân bố Rayleigh Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên Rayleigh cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố của tín hiệu.

Với  2 là phương sai của các biến ngẫu nhiên A và B

Công suất thu có hàm mật độ xác suất như sau :

Các tín hiệu thu được từ (2.16) và (2.17) đại diện cho các tín hiệu tương tự tại đầu vào của máy thu Chúng ta thường xử lý các tín hiệu số băng gốc sau khi đã qua các bộ lọc và bộ lấy mẫu Ký hiệu tín hiệu băng gốc thời gian rời rạc là rt, mà thực tế là tín hiệu ngõ ra sau khi đã qua bộ lọc và giải điều chế từ tín hiệu đầu vào r(t) Tương tự, st và ηt là các tín hiệu thời gian rời rạc của tín hiệu phát s(t) và nhiễu η(t) Chúng ta có thể sử dụng công thức sau để biểu diễn mối quan hệ giữa các tín hiệu băng gốc.

Với α là biến Gaussian ngẫu nhiên phức

Hệ số suy giảm α bao gồm hai phần: phần thực và phần ảo, cả hai đều là biến ngẫu nhiên theo phân phối Gaussian chuẩn Biên độ của hệ số suy giảm α được mô tả bằng biến ngẫu nhiên Rayleigh.

Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra trong công thức (2.18) được xác định là mô hình kênh truyền fading Hệ số α biểu thị độ lợi đường, trong khi thành phần ηt đại diện cho nhiễu Gaussian.

Hình 2.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Trong một kênh truyền fading phẳng, khi có một thành phần chiếm ưu thế cố định trong nhiều đường ngẫu nhiên, các biến ngẫu nhiên Gaussian A và B không còn tuân theo phân bố chuẩn Tình huống này xảy ra khi có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu Khi đó, phân bố của biến ngẫu nhiên đường bao R sẽ tuân theo phân bố Ricean, với hàm mật độ xác suất được xác định cụ thể.

𝜎 2 ) , 𝑟 ≥ 0, 𝐷 ≥ 0 (2.19) Với D là công suất của đường LOS của kênh truyền

I0 là giá trị của hàm Bessel loại 1 cấp 0:

Hệ số Ricean, ký hiệu là 2𝜎²/K, cho thấy rằng khi K tiến gần về 0, phân bố Ricean sẽ hội tụ về phân bố Rayleigh Tương tự như phân bố Rayleigh, mối quan hệ giữa các tín hiệu rời rạc ở đầu vào và đầu ra tuân theo công thức (2.18) Điểm khác biệt chính là phần thực và ảo của độ lợi đường α là các biến ngẫu nhiên Gaussian với trị trung bình khác không, dẫn đến phân bố biên độ trở thành Rician thay vì Rayleigh.

Hình 2.9: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician với các giá trị K khác nhau

2.2.2.3 Mô hình fading lựa chọn tần số

Fading lựa chọn tần số được ảnh hưởng bởi nhiễu liên ký hiệu (ISI - Inter-Symbol Interference) Trong bối cảnh này, mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào có thể được mô tả cụ thể.

Trong mô hình fading Rayleigh, tín hiệu nhận được được biểu diễn bởi công thức 𝑟(𝑡) = ∑ 𝐽−1 𝑗−0 𝛼 𝑗 𝑠 𝑡−𝑗 + 𝜂(𝑡), trong đó độ lợi đường α j có phân bố Gaussian phức độc lập và η(t) là nhiễu Các biến ngẫu nhiên Gaussian phức này có trị trung bình bằng 0 và phân bố độc lập, đồng nhất Một trường hợp đặc biệt của mô hình này là mô hình Rayleigh 2 đường.

𝑟(𝑡) = 𝛼 0 𝑠 𝑡 + 𝛼 1 𝑠 𝑡−1 + 𝜂(𝑡) (2.22) Với phần thực và ảo của các giá trị α 0 và α 1 là các biến ngẫu nhiên Gaussian phức có trị trung bình bằng 0 phân bố độc lập và đồng nhất

CÁC KHÁI NIỆM VỀ PHÂN TẬP

Trong viễn thông, một phương pháp quan trọng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu là truyền cùng một tín hiệu qua nhiều kênh khác nhau Phương pháp này cho phép đầu thu chọn lọc trọng số các tín hiệu nhận được hoặc kết hợp chúng thành một tín hiệu tối ưu Mục đích chính của việc này là chống lại hiện tượng fading và nhiễu, vì mỗi kênh truyền sẽ chịu ảnh hưởng khác nhau từ fading và nhiễu.

Mã sửa lỗi FEC (forward error correction) có thể được kết hợp với kỹ thuật phân tập để cải thiện độ tin cậy trong truyền thông Việc truyền tải qua nhiều kênh giúp đạt được độ lợi phân tập, thường được đo bằng đơn vị dB Các loại phân tập khác nhau có thể được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất truyền tín hiệu.

Hình 2.10: Phân loại phân tập

=> Mục đích chính của việc phân tập nhằm tăng tốc độ phát và giảm BER.

Phân tập tần số (Frequency Diversity)

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu phát tín hiệu trên nhiều kênh tần số sóng vô tuyến, cho phép tín hiệu được phát trên hai tần số khác nhau đến anten thu Tín hiệu nào có chất lượng tốt hơn sẽ được chọn lọc Mặc dù các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật này giúp cải thiện chất lượng tín hiệu, nhưng hiệu quả sử dụng phổ tần vẫn chưa đạt tối ưu.

Hình 2.11: Phân tập tần số

Phân tập thời gian (Time Diversity)

Kỹ thuật phân tập thời gian là phương pháp cơ bản nhất, sử dụng các khe thời gian khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu Nhờ đó, tại đầu thu, chúng ta có thể nhận được nhiều bản sao của tín hiệu ở các thời điểm khác nhau Hơn nữa, cùng một tín hiệu có thể được thu nhận với nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau, giúp chọn ra tín hiệu thu tốt nhất.

Hình 2.12: Phân tập thời gian

Phân tập không gian (Space Diversity)

Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten được bố trí tại phía phát hoặc phía thu Trong phương pháp này, các phiên bản khác nhau của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu qua các anten khác nhau trong không gian, giúp cải thiện độ tin cậy và chất lượng tín hiệu.

Phân tập anten được chia thành ba loại dựa trên cách sử dụng anten: phân tập anten phát (hệ thống MISO), phân tập anten thu (hệ thống SIMO) và phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO).

Hình 2.13: Các dạng phân tập

Trong hệ thống anten thu, việc sử dụng nhiều anten cho phép nhận các phiên bản tín hiệu phát độc lập, từ đó kết hợp chúng một cách hoàn hảo để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm hiện tượng fading đa đường Để đạt được tỷ lệ lỗi bit (BER) mong muốn trong thực tế, có thể kết hợp hai hoặc nhiều hệ thống phân tập, như phân tập không gian thời gian (STC) và phân tập theo không gian tần số (SFC), nhằm cải thiện hiệu suất của hệ thống.

Phân tập phân cực (Polarization Diversity)

Gần đây, kỹ thuật phân tập phân cực đã được áp dụng để giảm thiểu hiện tượng fading đa đường, giúp giảm kích thước anten tại các trạm cơ sở Kỹ thuật này thường được sử dụng trong các trạm gốc và chỉ cần một anten trên mỗi sector nhờ vào việc sử dụng anten kép phân cực Trong khi phân tập không gian yêu cầu các anten được đặt cách xa nhau, phân tập phân cực lại yêu cầu tất cả các anten trung tâm phải có pha trùng nhau để tối ưu hiệu suất.

Tín hiệu truyền đi giữa điện thoại di động và các trạm thu cơ sở bao gồm điện trường phân cực ngang và dọc, Ex và Ey, được phát bởi hai anten tại trạm gốc và nhận bởi hai ăng-ten tại điện thoại Hai tín hiệu này có thể trải qua fading không tương quan, do sự phân cực độc lập Hiện tượng giải tương quan tín hiệu trong mỗi phân cực xảy ra do nhiều phản xạ trong các kênh giữa trạm di động và trạm gốc Khi có đủ phản xạ ngẫu nhiên, trạng thái phân cực của tín hiệu trở nên độc lập.

Công nghệ phân cực truyền sử dụng điện và từ trường để sửa đổi các tín hiệu mang thông tin, cho phép gửi thông tin tương tự hiệu quả hơn Số lượng tín hiệu này giúp loại bỏ sự trực giao của phân cực, nâng cao khả năng truyền tải thông tin.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO

Định nghĩa

Hiệu năng kém và dung lượng hạn chế của kênh truyền không dây yêu cầu nâng cấp băng thông lên hơn 1 bit/Hz Hệ thống MIMO có thể giải quyết vấn đề này nhờ vào việc cải thiện hiệu suất của kênh truyền, vốn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng fading đa đường MIMO khai thác sự đa đường để tăng cường tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và cung cấp hai tính năng chính.

- Beamforming-kỹ thuật hướng búp sóng: nó cho phép anten chỉnh theo hướng thích hợp để đạt được SNR tốt hơn bằng cách tăng công suất thu

Phân tập không gian-tín hiệu cho phép máy phát được mã hóa cả trong không gian lẫn miền thời gian, đồng thời cung cấp một số dự phòng nhằm nâng cao hiệu suất BER của hệ thống.

Công nghệ MIMO, với khả năng truyền dữ liệu song song từ nhiều anten khác nhau, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu tại máy thu để tách biệt các dòng dữ liệu Nhiều viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm đã đầu tư sâu vào nghiên cứu MIMO, vì nó được coi là nền tảng cho các hệ thống mạng 3G, 4G và các mạng không dây khác.

Nhóm nghiên cứu do Greg Raleigh và VK Jones đã chỉ ra những đặc tính và ưu điểm của phương thức "truyền sóng vô tuyến đa đường" Trái với quan niệm trước đây rằng truyền sóng đa đường sẽ làm suy yếu tín hiệu tại phía thu, nghiên cứu của họ chứng minh rằng khi tín hiệu vô tuyến được phát đi, nó sẽ phản xạ qua nhiều vật thể trong môi trường, tạo thành nhiều đường truyền riêng biệt.

Hiện tượng mới cho phép tăng dung lượng hệ thống lên nhiều lần bằng cách coi mỗi kênh như các đường truyền riêng biệt, từ đó định tuyến và tách chúng thành các “đường truyền ảo” Một kênh có thể chứa nhiều đường truyền ảo, được gọi là “một bó các đường truyền ảo” Để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu qua các đường ảo này, hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát và thu, giúp phân tập anten và giải mã luồng số liệu tốc độ cao thành các luồng có tốc độ thấp hơn.

"Bó các đường truyền ảo" được sử dụng để truyền đồng thời các luồng số liệu tốc độ thấp Trong hệ thống vô tuyến, các tín hiệu phát ra qua nhiều đường khác nhau cần có bộ định tuyến để định tuyến các "bó đường truyền ảo" này Giữa các đường này cần có "khoảng cách" hoặc "khe hở" để tín hiệu có thể nhảy giữa các đường khi truyền đến thiết bị thu Do đó, trong mô hình MIMO, cần áp dụng các thuật toán đặc biệt hoặc bộ vi xử lý tín hiệu để tách và khôi phục tín hiệu về dạng nguyên thủy Năm 1998, Phòng thí nghiệm Bell đã nghiên cứu và phát triển mô hình ghép kênh không gian (spatial multiplexing) nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống MIMO.

=> Như vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thông tin vô tuyến như sau:

Kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một phương pháp sử dụng nhiều anten ở cả phía thu và phát, kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm nâng cao hiệu suất truyền dẫn dữ liệu.

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thông tin điểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống MIMO

Ưu điểm , nhược điểm

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 kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu

- Tăng độ lợi phân tập, tăng cường khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác được nó, nâng cao chất lượng hệ thống

- 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 từ anten truyền không chỉ giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ mà còn đơn giản hóa thiết kế bộ khuếch đại công suất.

- Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian

- Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu

- Kích thước của thiết bị di động tăng lên

- Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần

- Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO

CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY

Hệ thống SISO

SISO (Single Input Single Output) là hệ thống thông tin không dây truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu, với một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế Hệ thống này thường được áp dụng trong phát thanh, truyền hình và các kỹ thuật truyền dẫn không dây như Wi-Fi và Bluetooth Dung lượng của hệ thống SISO phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu, được xác định theo công thức Shannon: log (12 R) bit/s/Hz.

Hệ thống SIMO

Để nâng cao chất lượng hệ thống, một bên sử dụng một anten trong khi bên kia sử dụng nhiều anten Hệ thống này được gọi là SIMO, trong đó có một anten phát và nhiều anten thu Máy thu trong hệ thống SIMO có khả năng lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu để tối ưu hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các thuật toán beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining) Khi máy thu nắm rõ thông tin về kênh truyền, dung lượng hệ thống có thể tăng theo hàm logarit của số anten thu, ước tính khoảng log(12 R) bit/s/Hz.

Hệ thống MISO

Hệ thống MISO, với nhiều anten phát và một anten thu, cung cấp phân tập phát qua kỹ thuật Alamouti, giúp cải thiện tín hiệu Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng Beamforming để nâng cao hiệu suất phát và vùng bao phủ Khi máy phát nắm rõ thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống có thể tăng theo hàm logarit của số anten phát, được xác định gần đúng là log(12 R) bit/s/Hz.

Hệ thống MIMO

Hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu nhằm nâng cao chất lượng và hiệu suất hệ thống Bằng cách áp dụng phân tập phát và thu, cùng với kỹ thuật Beamforming, hệ thống có thể tối ưu hóa công suất và giảm thiểu nhiễu Đặc biệt, dung lượng hệ thống được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh từ kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền được xác định tại cả hai đầu, hệ thống đạt được độ lợi phân tập cao và độ lợi ghép kênh tối đa, với dung lượng có thể tính theo công thức: log (12 T R R) bit/s/Hz.

Trong trường hợp hệ thống đạt độ lợi ghép kênh cực đại,dung lượng hệ thống có thể xác định bởi :

Hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai nhờ vào hiệu suất cao, khả năng triệt tiêu can nhiễu và dung lượng lớn Khi kết hợp với ưu thế chống fading chọn lọc tần số của hệ thống OFDM, MIMO trở thành một giải pháp tiềm năng trong các chuẩn không dây như IEEE 802.11n (WLAN) và IEEE 802.16n (WIMAX).

MÃ HÓA KHÔNG GIAN-THỜI GIAN STC

Môi trường vô tuyến thường gặp phải hiện tượng đa đường và tán xạ mạnh, dẫn đến tín hiệu thu được từ các anten trở nên độc lập Thay vì chống lại đa đường, mã hóa không gian-thời gian được áp dụng để nâng cao chất lượng kênh truyền Trong đó, có hai loại mã hóa không gian-thời gian, bao gồm mã hóa không gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code).

-Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code)

Mã hóa không gian thời-gian khối STBC

STBC (Space-Time Block Coding) là một kỹ thuật trong truyền thông không dây, cho phép truyền nhiều phiên bản của dữ liệu qua nhiều anten, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu nhận Trong quá trình truyền, tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ và nhiễu nhiệt, dẫn đến việc một số phiên bản dữ liệu có chất lượng tốt hơn những phiên bản khác.

STBC mã hóa dữ liệu đầu vào thành ma trận, trong đó các hàng tương ứng với anten phát và cột đại diện cho thứ tự phát theo thời gian Dữ liệu được truyền trong các khối đã mã hóa và phân phối qua các anten không gian theo thời gian Cấu trúc của STBC được thể hiện dưới dạng ma trận, với mỗi hàng là một khe thời gian và mỗi cột là tín hiệu phát của một anten.

Sij là kí tự trên khe thời gian i, được truyền từ anten j

T là số khe thời gian, nT là số anten truyền

Tỉ lệ mã hoá (R) của STBC được tính bằng số kí tự được mã hoá trong một khối (k) trên số khe thời gian (T):

STBC cho phép phân tập hiệu quả với độ lợi nhỏ, tùy thuộc vào tốc độ mã của bộ mã Quá trình giải mã được thực hiện đơn giản thông qua các bộ giải mã tương quan tối đa (ML).

 Mã hóa Alamouti Đây là mã hoá khối không gian-thời gian với 2 anten phát

Hình 3.3: Sơ đồ mã hoá Alamouti

Hình 3.4: Mã hóa Alamouti thực tế

Block Matrix tín hiệu có dạng (với s1 và s2 là 2 symbol tín hiệu liên tiếp nhau)

    (3.7) Tín hiệu tại anten thu:

Thông tin nguồn Điều chế

Tín hiệu ước lượng của s1 và s2 sẽ được tổng hợp theo không gian-thời gian từ tín hiệu y1 và y2:

 Sau khi tổng hợp trực giao không gian-thời gian, năng lượng nhiễu không thay đổi nhưng năng lượng tín hiệu tăng (Space Time diversity gain)

Với mã hóa khối không gian-thời gian Alamouti, tốc độ dữ liệu được duy trì ở mức tối đa (full rate) trong khi vẫn đạt được độ lợi phân cực tương đương với trường hợp sử dụng hai anten thu, với phân cực của hai anten phát thấp hơn phân cực của hai anten thu.

Với việc sử dụng nhiều anten thu, tín hiệu từ từng anten sẽ được tổng hợp, mang lại độ lợi phân cực thu cao hơn.

Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC

STTC là một loại mã chập mở rộng cho hệ thống MIMO, cho phép phân tập đầy đủ và đạt độ lợi mã cao Cấu trúc của STTC rất phù hợp với truyền thông vũ trụ và vệ tinh nhờ vào việc sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao thông qua phương pháp giải mã phức tạp.

STBC xử lý từng khối ký tự độc lập để tạo ra chuỗi vector mã độc lập, trong khi STTC xử lý từng chuỗi ký tự để tạo ra chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa.

STTC mang lại độ lợi mã cao hơn đáng kể so với STBC, với khả năng tăng cường độ lợi mã khi số trạng thái của lưới mã gia tăng Mặc dù vậy, độ phức tạp của STBC lại thấp hơn nhiều so với STTC, nhờ vào quy trình mã hóa và giải mã đơn giản của STBC.

29 các giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn STTC

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MC-CDMA

Máy phát

Máy phát MC-CDMA sử dụng mã trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số, với mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải được điều chế bằng sóng mang phụ khác nhau Để đảm bảo truyền đa sóng mang hiệu quả, cần đạt được fading không chọn lọc tần số trên mỗi sóng mang Do đó, nếu tốc độ truyền của tín hiệu gốc cao, tín hiệu cần được chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi trải trong miền tần số.

 Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau

Chuỗi dữ liệu ngõ vào có tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự phức ak.

Luồng thông tin này được chuyển đổi thành P chuỗi dữ liệu song song (ak,0(i), ak,1(i), , ak,P-1(i)), trong đó I biểu thị cho chuỗi ký tự thứ I, với mỗi khối chứa P ký tự.

Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (dk(0), dk(1), …, dk(KMC-1)) với chiều dài KMC, tạo ra tổng số ký tự mới N = P.KMC, tương ứng với số sóng mang phụ Các ký tự mới này có hình thức tương tự như ký tự trong hệ thống OFDM Cụ thể, ở nhánh song song thứ 0, mỗi ký tự OFDM được biểu diễn dưới dạng Si,k = ak,0(i).dk(k) với k = 0, 1, …, KMC-1.

Hình 4.3: Máy phát MC –CDMA.[8]

Do sự tương đồng giữa các ký tự trên mỗi nhánh của hệ thống MC-CDMA và OFDM, việc điều chế sóng đa mang tại băng tần gốc có thể thực hiện qua phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT) Tín hiệu sẽ được chèn khoảng dự phòng (quard interval) dưới dạng tiền tố vòng (CP) giữa các ký tự nhằm tránh hiện tượng ISI do fading đa đường Cuối cùng, tín hiệu sẽ được phát trên kênh truyền sau khi thực hiện quá trình đổi tần lên RF.

Tín hiệu phát băng gốc dạng phức như sau:

Trong đó: dk(0), dk(1), dk(KMC-1) là mã trải phổ với chiều dài KMC

T ’ s là khoảng kí hiệu trên mỗi sóng mang phụ, đại diện cho khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sóng mang phụ Hệ số mở băng thông kết hợp với chèn khoảng dự phòng được xác định bằng công thức: = /PTs (4.6).

Không có thao tác trải phổ trong miền thời gian (từ (3.3))

Công thức (4.4) cho thấy rằng khoảng ký tự tại mỗi mức sóng mang phụ gấp

P lần khoảng ký tự gốc do việc chuyển đổi từ nối tiếp/song song

Mặc dù khoảng cách giữa các sóng mang phụ tối thiểu được cho bởi (4.5) nhưng khoảng cách giữa các sóng mang phụ cho mỗi ak,p(i) lại là P/(T ’ s- ).

Máy thu MC-CDMA

Bộ thu là bộ OFDM thêm vào một công việc kết hợp để tách dữ liệu được phát đối với mỗi người sử dụng mong muốn

Giả sử hệ thống MC-CDMA có K người dùng đang truy cập, tín hiệu gốc nhận được có dạng:

Đường bao phức tại sóng mang phụ thứ (mP+p) của người sử dụng thứ k được biểu diễn bởi hk m,p(t) Đáp ứng xung của kênh truyền tương ứng với người dùng thứ k có dạng hk(t) = (4.8), trong đó t và τ lần lượt là thời gian và độ trễ Biên độ thực ai(t) và biên độ trễ quá i(t) của thành phần đa đường thứ i tại thời điểm t, cùng với pha 2 biểu diễn độ lệch pha do sự lan truyền trong không gian tự do của thành phần đa đường thứ i và bất kỳ độ dịch pha nào trên đường truyền Nhiễu Gauss n(t) có giá trị trung bình bằng 0 và mật độ phổ công suất hai phía là N0/2.

Bộ thu MC-CDMA yêu cầu việc tách sóng được thực hiện đồng bộ để thao tác giải trải phổ (despreading) thành công

Hình 4.4: Máy thu MC-CDMA.[9]

Hình 4.4 biễu diễn bộ thu MC-CDMA cho người sử dụng thứ k Quá trình tách sóng tại máy thu theo thứ tự sau:

Sau khi thực hiện việc đổi tần và khử khoảng dự phòng, các sóng mang phụ thứ m (với m = 0, 1, , KMC-1) tương ứng với dữ liệu thu được ak,p(i) sẽ được tách đồng bộ bằng DFT Kết quả thu được trên mỗi nhánh là yp(m).

Tiếp theo, nhân yp(m) với độ lợi Gk(m) để kết hợp năng lượng tín hiệu rời rạc trong miền tần số, và biến quyết định sẽ là tổng của các thành phần băng gốc có trọng số.

Trong tín hiệu nhận được sau khi chuyển đổi xuống, y (m) đại diện cho thành phần dải nền Nhiễu Gauss phức của sóng mang phụ thứ i tại thời điểm t=iTs được ký hiệu là nm (iTs).

Trong tuyến xuống đồng bộ, tín hiệu trải phổ của K người dùng được kết hợp trước khi áp dụng phương pháp OFDM, dẫn đến việc xếp chồng K tín hiệu lại với nhau để tạo ra tín hiệu trải phổ tổng hợp.

Kết quả này có thể viết dưới dạng ma trận:

S=C.d (4.12) trong đó d= (d1, d2,…,dk-1) T (4.13) là vector chứa các ký hiệu phát của K người dùng tích cực Ma trận C có cột thứ k đại diện cho mã trải phổ đặc trưng của người dùng thứ k.

Hình 4.5: Máy phát MC-CDMA đường xuống.[10]

Tín hiệu MC-CDMA tuyến xuống là kết quả của quá trình xử lý tín hiệu s bằng khối OFDM theo phương trình (4.8)

Tín hiệu đường lên (uplink) trong hệ thống MC-CDMA được tạo ra trực tiếp từ chuỗi S k của người dùng thứ k thông qua khối OFDM Sau khi thực hiện biến đổi ngược OFDM và loại bỏ các khoảng tần số thừa tại máy thu, vector thu tương ứng với chuỗi phát S k sẽ được xác định.

Trong phương trình 𝑟 = ∑ 𝑘−1 𝑘=0 𝐻kSk + n = (R0, R1,…, RL-1) T, H k đại diện cho các hệ số của kênh truyền tương ứng với người dùng thứ k Để đạt được hiệu suất sử dụng phổ cao nhất trong phương pháp OFDM, tuyến lên cần phải được đồng bộ Vector r sẽ được đưa vào bộ phát hiện nhằm ước lượng dữ liệu phát thông qua phương pháp cứng hoặc mềm Ma trận hệ thống A của tuyến lên được xác định bởi các yếu tố liên quan đến quá trình truyền tải.

Các chuỗi mã căn bản

Hệ thống trải phổ thông tin sử dụng chuỗi ký hiệu đặc biệt để mã hóa tín hiệu gốc của người dùng, giúp khôi phục thông tin qua máy thu đồng bộ Việc "nghe trộm" trở nên khó khăn do tính chất nhiễu tương tự như chuỗi trải phổ DS-CDMA khai thác tự tương quan của mã để tối ưu hóa tín hiệu đa đường của từng cá nhân, trong khi các mã của người dùng có tương quan chéo thấp, cho phép trải phổ tín hiệu riêng biệt cho mỗi người MC-CDMA cũng dựa vào tính chất tương quan chéo này để cải thiện hiệu suất truyền thông.

Các đặc điểm của chuỗi trải phổ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong việc hỗ trợ đa người dùng thông tin.

Pseudo-Noise (PN) là một chuỗi nhị phân có tính chất tương tự như nhiễu, bao gồm các loại chuỗi như chuỗi có chiều dài cực đại (m-sequences), chuỗi Gold và chuỗi Kasami.

Dãy PN được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến trải phổ với các chức năng sau:

 Trải băng tần của tín hiệu điều chế thành băng tần phát có độ rộng lớn hơn Tín hiệu qua trải phổ phải có dạng tạp âm băng rộng

 Phân biệt tín hiệu của các người sử dụng khác nhau nhưng cùng sử dụng một băng tần truyền dẫn trong một hệ thống đa truy nhập

Các mã thường được sử dụng trong hệ thống CDMA là:

Chuỗi M là chuỗi cơ bản trong các chuỗi ngẫu nhiên, được tạo ra từ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp và các cổng logic XOR Một chuỗi thanh ghi dịch tuyến tính được xác định bởi đa thức tạo mã tuyến tính g(x) với bậc m>0.

Hình 4.6: Mạch thanh ghi dịch cơ số hai.[5] Đặc tính của chuỗi M:

 Chuỗi M được tạo ra rất đơn giản

 Số bit 1 nhiều hơn bit 0: mọi chuỗi m đều chứa 2 m-1 số bit 1 và 2 m-1 – 1 số bit 0

 Có ít các giá trị tự tương quan nên có khả năng đồng bộ tốt

Chuỗi M thường được áp dụng trong các hệ thống đa kênh truyền, đặc biệt là những hệ thống có thời gian trải phổ trễ lớn Chúng cũng rất hiệu quả trong các kênh truyền đa đường, như trong máy nhận Rake.

Ví dụ về đặc tính tự tương quan của chuỗi m: 1 + x 2 + x 5 , có chiều dài 124, có chu kỳ cực đại là 31 được mô tả như hình:

Hình 4.7: Đặc tính tự tương quan của chuỗi 1 + x 2 + x 5 có chiều dài 124.[5]

Chuỗi Gold, được phát triển bởi Gold vào năm 1967-1968, là một loại chuỗi được tạo ra từ việc EXOR hai chuỗi M có cùng chiều dài N = 2^n - 1, gọi là cặp chuỗi m được ưa chuộng (Preferred Pair) Chuỗi Gold được định nghĩa dựa trên nguyên tắc này.

Trong đó chỉ có N + 2 chuỗi chu kỳ N có tính tương quan chéo tốt tại một trong 3 giá trị: -t(n), -1, t(n)-2: t(n) 

Chuỗi Gold có tính tương quan chéo thấp nên trong thực tế rất hay được sử dụng

Một số cặp chuỗi m, quy ước hai vector [5 2 0] và [1 0 0 1 0 1] đều biểu diễn cho đa thức x 5 + x 2 + 1 Tương tự ta có bảng:

Bảng 4.1Một số cặp chuỗi M ưa chuộng [5] n N Chuỗi m thứ I Chuỗi m thứ II

Mã Wash – Hadarmard có tính trực giao cao, do đó, mã W – H được coi là tối ưu để giảm thiểu nhiễu giữa các người dùng trong kết nối từ trạm gốc đến thiết bị đầu cuối.

Ma trận W – H đơn giản nhất là:

Mã của người sử dụng thứ nhất là [1 1], mã của người sử dụng thứ hai là [1-

1] Ta thấy, [1 1] trực giao với [1 -1] Ma trận này có thể mở rộng bằng cách sử dụng kỹ thuật đệ quy Cho 2 n User, có thể xác định được ma trận 2 n-1 :

Chuỗi Kasami được tạo ra bằng cách nhân ba chuỗi m (u, v, w), trong đó hai chuỗi u và v có chiều dài N là một cặp ưa chuộng, và chuỗi thứ ba w là 1/10 chiều dài của chuỗi u Chuỗi PN bao gồm hai loại: small set và large set.

Chuỗi Kasami small set được định nghĩa như sau:

(4.22) Chuỗi Kasami large set được định nghĩa như sau:

Ví dụ: một mô hình tạo chuỗi Kasami có n = 6

Hình 4.8: Mô hình tạo chuỗi Kasami có n = 6 [5]

CÁC KỸ THUẬT DÒ TÍN HIỆU ( DETECTION ALGORITHM)

Dữ liệu người dùng sẽ được khôi phục thông qua các phương pháp kết hợp nhằm tận dụng mô hình phân tập tần số Mục tiêu chính của những phương pháp này là tối ưu hóa trọng số Gk’(m) để giảm thiểu nhiễu Gauss và nhiễu MAI Có bốn phương pháp kết hợp được áp dụng trong kỹ thuật dò tín hiệu.

 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC

Phương pháp ORC phục hồi tính trực giao giữa các người dùng ngay cả khi có fading, cho phép các biến trên mỗi nhánh kết hợp theo cách loại bỏ nhiễu đa truy cập (MAI) Tuy nhiên, nhiễu trên các nhánh có biên độ sóng mang phụ thường bị khuếch đại mạnh, với các sóng mang phụ này được nhân với độ lợi lớn để biên độ mới đạt giá trị 1 Ảnh hưởng của việc khuếch đại nhiễu này dẫn đến việc tăng tỷ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống.

ORC chỉ áp dụng cho tuyến xuống của hệ thống thông tin di động MC-CDMA Nguyên nhân là do tín hiệu từ các người dùng đến trạm gốc trên tuyến lên (từ MS đến BS) có độ trễ khác nhau và đáp ứng kênh truyền khác nhau Dù các mã trải phổ hoàn toàn trực giao, phương pháp ORC vẫn không đạt được mục tiêu như tên gọi của nó.

 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC đỉnh

Phương pháp này giúp loại bỏ ảnh hưởng của triệt nhiễu liên quan đến sóng mang phụ có biên độ yếu, đặc biệt khi được khuyết đại mạnh như trong phương pháp ORC Quyết định được đưa ra dựa trên tổng các thành phần băng gốc của sóng mang phụ có biên độ lớn hơn ngưỡng tách sóng Trọng số Gk’(m) được lựa chọn phù hợp để tối ưu hóa quá trình này.

Trong đó u(.) là hàm bước đơn vị và là ngưỡng tách sóng

Trong phương pháp ORC, chỉ những giá trị nhiễu vượt quá một ngưỡng tối ưu mới được khuếch đại để đạt được hiệu quả tối đa.

SRN cho trước, sẽ tồn tại một giá trị ngưỡng tối ưu để đạt được giá trị BER nhỏ nhất

Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC) sử dụng trọng số Gk’(m) để điều chỉnh sự dịch pha do kênh truyền gây ra.

Trong kênh truyền nhiễu Gauss trắng cộng, phương pháp kết hợp tối ưu EGC giúp khôi phục tính trực giao giữa các người dùng, từ đó loại bỏ can nhiễu đa truy cập và lấy trung bình giá trị nhiễu Tuy nhiên, trong kênh truyền fading phẳng với sự xuất hiện của sóng mang phụ, mặc dù EGC vẫn lấy trung bình giá trị nhiễu, can nhiễu đa truy cập lại không bằng 0, gây ảnh hưởng lớn đến biến quyết định D.

 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC)