Các kỹ thuật xử lý tín hiệu bao gồm các kỹ thuật như điều chế/giải điều chế, cân bằng/ước lượng kênh, mã hóa/giải mã kênh, tiền/hậu xử lý... nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng hệ thống, nâng hiệu quả sử dụng phổ đã và đang được áp dụng trong hệ thống thông tin di động từ thế hệ đầu tiên.
Đối với các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, yêu cầu đặt ra là làm thế nào để có thể cung cấp đa dạng các dịch vụ tốc độ bit cao, băng thông rộng với lượng người dùng tăng trưởng cực nhanh và khả năng truy cập hệ thống băng rộng khi di chuyển. Để giải quyết bài toán này, các nhà nghiên cứu đã không ngừng đề xuất các kỹ thuật trong thời gian vừa qua. Luận án tập trung vào 2 vấn đề chính: Tăng khả năng di chuyển của người dùng và tăng dung lượng hệ thống trong điều kiện tài nguyên hệ thống hữu hạn.
1.5.1 Các nghiên cứu nâng cao khả năng di chuyển
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được công nhận như một giải pháp đầy hứa hẹn cho sự tăng trưởng mạnh mẽ về yêu cầu lưu lượng dữ liệu băng thông rộng của các dịch vụ đa phương tiện vô tuyến [8].
Tuy nhiên, các lợi thế nổi trội của OFDM chỉ tồn tại trong điều kiện đồng bộ hoàn hảo với fading kênh truyền gần như bất biến [9], còn lúc đồng bộ kém, Inter-Carrier Interference (ICI) tăng thì có thể sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất truyền dẫn OFDM [10], [11]. Ngoài ra, khi thuê bao di chuyển với tốc độ cao (trong các mạng di động thế hệ sau) gây ra hiệu ứng kênh chọn lọc thời gian cũng dẫn đến ICI trong hệ thống OFDM [12]. Phân tích ảnh hưởng của Carrier Frequency Offset (CFO) lên các hệ thống OFDM đã được nghiên cứu trong [10]
trong khi đó, ảnh hưởng của PHN đã được phân tích trong [11] và ảnh hưởng của kênh truyền biến đổi theo thời gian đã được phân tích trong [12], [13]. Các ảnh hưởng kết hợp giữa kênh truyền biến đổi theo thời gian và Phase Noise (PHN) đã được phân tích trong [14]. Ngoài ra, ảnh hưởng kết hợp giữa CFO và kênh truyền biến đổi theo thời gian cũng đã được nghiên cứu trong [15], [16]
trong khi đó ảnh hưởng kết hợp giữa CFO và PHN được xác định trong [17].
Các nghiên cứu trên phân tích ảnh hưởng riêng lẽ giữa nhiễu pha, độ lệch tần số sóng mang trên kênh truyền biến đổi theo thời gian, chưa phân tích được ảnh hưởng kết hợp của các nhân tố này lên hệ thống truyền dẫn OFDM.
Nhờ các ưu điểm của OFDM, các vấn đề trong hệ thống OFDM đã liên tục được nghiên cứu và đề xuất, trong đó nổi trội là kỹ thuật ước lượng kênh [8], [18]. Các kỹ thuật ước lượng kênh trong hệ thống OFDM đã được đề xuất từ các hệ thống đơn anten đến đa anten, từ mạng đơn tế bào đến đa tế bào, từ đơn chặng đến đa chặng: [20] đã thiết kế một bộ ước lượng kênh dựa trên việc mở rộng không gian 2 chiều của Discrete Prolate Spheroidal (DPS) tổng quát. Với thiết kế không gian con chặt chẽ, chất lượng tín hiệu thu được cải thiện đang kể, đặc biệt khi kiến thức kênh truyền là hoàn hảo. [21] đã đề xuất kỹ thuật ước lượng kênh và huỷICImà có thể cung cấp một hiệu năng cao cho máy thu OFDM di chuyển với tốc độ nhanh... Tuy nhiên, các nghiên cứu này tập trung trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến bán công (half-duplex) với tín hiệu phát và tín hiệu thu được ấn định trong hai khe thời gian hoặc hai dải tần khác nhau [8], [19].
Gần đây, truyền dẫn song công (full-duplex) được xem như một ứng viên đầy hứa hẹn cho truyền thông vô tuyến thế hệ sau [22]. Trong nguyên lý song công, tín hiệu phát và thu có thể được truyền đồng thời cùng dải tần, điều này khiến hiệu quả phổ được tăng gấp đôi [23]. Tuy nhiên, truyền dẫn song công lại phát sinh tín hiệu tự giao thoa (self-interference) rất lớn tại anten thu [23] và thông tin trạng thái kênh CSI (channel state information) được yêu cầu để triệt
giao thoa và tách tín hiệu. Vừa qua, [24] và [25] đã phát triển kỹ thuật ước lượng kênh trên cơ sở ML (maximum-likelihood) để triệt tín hiệu tự giao thoa trong hệ thống MIMO-OFDM song công trên các kênh truyền block-fading. Như vậy, đối với các người dùng di chuyển, cần thực hiện ước lượng kênh biến đổi theo thời gian.
1.5.2 Các nghiên cứu nâng cao dung lượng hệ thống
Kỹ thuật nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MIMO là một trong những kỹ thuật chính để đạt được dung lượng cao trong các kênh truyền vô tuyến [26].
Dung lượng kênh truyền vô tuyến có đạt được đến vùng dung lượng (capacity region) tới hạn bằng kỹ thuật Dirty Paper Precoding (DPC) do giao thoa đa người dùng MUI được loại trừ ở bên phát [27]. Kỹ thuật phân bổ công suất để đạt được dung lượng tối ưu được đề xuất trong các nghiên cứu [28], [29].
Các phương pháp giảm độ phức tạp cũng được nghiên cứu trong [30, 31]. Tuy nhiên, vì độ phức tạp cao của DPC đặc biệt khi áp dụng vào kênh MIMOnên trong hầu hết các nghiên cứu này chỉ tập trung xét kênh Broadcast Channel (BC) chỉ với 1 user hoặc trên các kênh Multi-Input Single-Output (MISO).
Kỹ thuật tiền mã hoá cho kênh vô tuyến đã được đề xuất trước đây với hai kỹ thuật tiêu biểu là nghịch đảo kênh Channel Inversion (CI) còn được gọi là Block Diagonalization (BD) [32, 33] và áp dụng Singular Value Decomposition (SVD) [102]. Đây có thể được xem là hai kỹ thuật cơ bản bằng cách áp dụng không gian không của ma trận precoding để loại bỏ giao thoa đa người dùng.
Để mở rộng vùng phủ và tăng độ lợi phân tập phổ, kỹ thuật truyền dẫn thông tin đa chặng (multihop) sử dụng chuyển tiếp một hướng (one-way relay) đã được xem là kỹ thuật then chốt trong những năm gần đây [34]. Tuy nhiên, truyền dẫn chuyển tiếp một hướng lại giảm hiệu quả phổ bởi cần đến bốn khe thời gian cho một chu trình trao đổi thông tin giữa các node nguồn đích qua bộ chuyển tiếp [35], [33]. Để giảm số khe thời gian từ bốn thành hai trong chu trình trao đổi thông tin, truyền thông chuyển tiếp hai hướng (two-way relay) đã được đề xuất thay vì chuyển tiếp một hướng [36], [37]. Tại các node, thông tin mong muốn có thể được tách bằng cách loại bỏ giao thoa từ các tín hiệu truyền trong giai đoạn Multiple Access Channel (MAC) và BC bằng các kỹ thuật khác nhau, trong đó, kỹ thuật tiền và hậu mã hóa đóng một vai trò chính yếu.
Kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia không gian Space Division Multiple Access (SDMA) cũng đã được áp dụng trong các mạng chuyển tiếp hai hướng [38, 39]. Bằng cách áp dụng kỹ thuật tiền mã hóa (trong các hệ thống chuyển tiếp hai hướng đa người dùng) tại các node, SDMA cho phép node cùng chia sẻ cùng khe thời gian và tần số để trao đổi thông tin. Kết quả tăng đáng kể
dung lượng mạng chuyển tiếp hai hướng [40]. Để áp dụng được kỹ thuật SDMA đa người dùng trong thông tin đa chặng, giao thoa liên người dùng Inter-User Interference (IUI) cần phải được giảm thiểu bằng kỹ thuật tiền/hậu mã hóa tại các node.
Khi áp lực về dung lượng và lưu lượng do bùng nổ thuê bao và số lượng nối kết trong thông tin di động tăng, tái sử dụng tần số là một trong các giải pháp hiệu quả khi tài nguyên tần số trở nên khan hiếm hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, điều này gây ra giao thoa liên tế bào, giao thoa này đặc biệt lớn khi các thiết bị ở biên của tế bào. Như vậy, mặc dù đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao nhưng tốc độ tổng sẽ giảm sút nếu giao thoa liên tế bào không được kiểm soát một cách thỏa đáng. Trong các hệ thống phối hợp hoàn chỉnh, tín hiệu dữ liệu và CSI của tất cả các node được trao đổi thời gian thực giữa cácBS qua mạng truyền dẫn đường trục [41], [42]. Tất các cácBScó mảng anten lớn nên dễ dàng áp dụng các kỹ thuật tiền mã hóa trước đây. Ở hình thức phối hợp một phần, truyền dẫn đa tế bào yêu cầu BS chỉ phục vụ cho các thuê bao của nó và kiểm soát giao thoa bằng cách phối hợp tiền mã hóa giữa cácBS. [43] đã đề xuất bộ tiền mã hóa tuyến tính để tối thiểu hoá công suất phát của các BS để tối ưu Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) tại các MS. Trong khi đó, [44]
đã nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn đường xuống đa tế bào trong đó, các vector tiền mã hóa được thiết kế kết hợp để tối đa hóa tốc độ tổng. [45], [46], [47] đã đề xuất phương pháp tối đa hóa tốc độ tổng hệ thống hoặc tối thiểu thóa công suất phát là các tiêu chí được sử dụng khi thiết kế ma trận tiền mã hóa theo nguyên lý ZF. Kỹ thuật tiền mã hóa theo ZF có thể loại bỏ hoàn toàn cả ICI lẫn IUI nhưng lại yêu cầu khắt khe về số anten thu và phát. Việc tối ưu hóa dung lượng trong hệ thống truyền thông chuyển tiếp hai chiều dưới ràng buộc công suất phát và số anten là phức tạp nhưng thật sự cần thiết.
Trong các mạng thông tin di động thế hệ sau, do áp lực về dung lượng, đòi hỏi phải chấp nhận việc sử dụng tần số chung ở các tế bào lân cận, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng phổ nhưng đồng nghĩa với tăng giao thoa liên tế bào, giao thoa này đặc biệt lớn khi các thiết bị ở biên của tế bào. Như vậy, mặc dù đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao nhưng tốc độ tổng sẽ giảm sút nếu giao thoa liên tế bào không được kiểm soát một cách thỏa đáng. Để giải quyết điều này, các kỹ thuật tiền mã hóa được đề xuất trong [44], [45], [46], [47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55] ... Tuy nhiên, các giải pháp này có độ phức tạp cao và chưa xét đến trường hợp thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo.
Mặc dù ở trên chỉ là những đề xuất tiêu biểu trong một số kỹ thuật truyền dẫn của hệ thống thông tin di động băng rộng đa người dùng, nhưng qua đó, ta có thể thấy vẫn còn rất nhiều vấn đề xử lý tín hiệu cần phải được tiếp tục nghiên cứu cho các hệ thống thông tin di động.