Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu về thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu đơn giản về thông tin thoại hay điện báo ban đầu, đến nay nhu cầu truy cập và trao đổi các nguồn thông tin đa phương tiện, hình ảnh video chất lượng cao đang ngày càng trở nên bức thiết. Bên cạnh nhu cầu về tốc độ truy cập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc, mọi nơi cũng là một yêu cầu không thể thiếu. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) kết hợp với giao thức truy cập tốc độ cao HSPDA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download dữ liệu với tốc độ lên tới 14.4 Mbps. Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn là một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa. Để đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động, thì các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là một ứng cử viên triển vọng nhất. Bài báo này trình bày tổng quan về công nghệ MIMO vô tuyến và các kỹ thuật mã hóa, tách tín hiệu đi kèm với nó, đồng thời chỉ ra một số hướng phát triển nghiên cứu về MIMO đang được quan tâm.
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 MIMO – Công nghệ truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Trần Xuân Nam - Đinh Thế Cường - Nguyễn Tuấn Minh (Học viện Kỹ thuật Quân sự) - Nguyễn Vĩnh Hạnh (Phòng Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Lăng) Lời giới thiệu Cùng với phát triển xã hội thông tin, nhu cầu thông tin lúc nơi ngày trở nên cần thiết Từ nhu cầu đơn giản thông tin thoại hay điện báo ban đầu, đến nhu cầu truy cập trao đổi nguồn thông tin đa phương tiện, hình ảnh video chất lượng cao ngày trở nên thiết Bên cạnh nhu cầu tốc độ truy cập, tính di động cho phép truy cập lúc, nơi yêu cầu thiếu Các hệ thống thông tin di động hệ thứ triển khai sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) kết hợp với giao thức truy cập tốc độ cao HSPDA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download liệu với tốc độ lên tới 14.4 Mbps Tuy nhiên, dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ hàng trăm Mbps, chí lên tới Gbps, thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều Để đáp ứng yêu cầu truyền liệu tốc độ cao hệ thứ thông tin vô tuyến di động, hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu (MIMO: Multiple Input Multiple Output) ứng cử viên triển vọng Bài báo trình bày tổng quan công nghệ MIMO vô tuyến kỹ thuật mã hóa, tách tín hiệu kèm với nó, đồng thời số hướng phát triển nghiên cứu MIMO quan tâm Mô hình hệ thống MIMO MIMO hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten máy phát máy thu Hình Chuỗi tín hiệu phát {bk } mã hóa theo hai miền không gian (theo hướng anten phát) thời gian nhờ mã hóa không gian thời gian (STE: SpaceTime Encoder) Tín hiệu sau mã hóa không gian-thời gian (KG-TG) {sk } phát nhờ N anten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với M anten thu Kênh tổng hợp máy phát (Tx) máy thu (Rx) có N đầu vào M đầu ra, vậy, gọi kênh MIMO M × N {bˆk } {bk } Hình 1: Mô hình hệ thống MIMO điển hình 104 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 2.1 Dung lượng kênh MIMO Dung lượng kênh truyền định nghĩa tốc độ truyền dẫn tối đa với xác suất lỗi tương đối nhỏ Đối với kênh truyền không sử dụng phân tập, có độ lợi h , chịu ảnh hưởng tạp âm cộng trắng Gauss dung lượng kênh truyền tính theo định lý Shannon [4] sau: C SISO = W log2 (1 + ρ | h |2 ) [bit/s] (8) W băng tần kênh truyền tính Hz ρ h tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) đầu vào máy thu Từ công thức (8) thấy với kênh vô tuyến có độ rộng băng tần định không sử dụng phân tập không gian (SISO: Single Input Single Output) dung lượng kênh truyền tỉ lệ với SNR đầu vào máy thu theo luật logarith nên Vì vậy, muốn tăng dung lượng kênh truyền có cách tăng công suất phát Tuy nhiên, mối quan hệ logarith nên dung lượng kênh truyền SISO tăng chậm MIMO đề xuất để khắc phục hạn chế dung lượng kênh truyền hệ thống SISO Với N anten phát M anten thu, môi trường pha-đinh Rayleigh giàu tán xạ biến đổi chậm, kênh MIMO N × M Hình 1, cho phép đạt dung lượng kênh truyền [1], [2] C MIMO MW log2 (1 + ρ ) nÕu M < N = M NW log2 1 + ρ nÕu M ≥ N N (9) Xem xét công thức (9) thấy dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số anten phát thu đạt đến r = min(M , N ) lần dung lượng kênh truyền SISO Hình biễu diễn tăng tuyến tính dung lượng kênh MIMO theo số anten thu phát 2.2 Các phương pháp truyền dẫn MIMO Kết nghiên cứu dung lượng kênh truyền MIMO thúc đNy sóng nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn nhằm đạt dung lượng lý thuyết mong muốn Tiếp theo công trình chung với Gans [3], Foschini đề xuất hệ thống truyền dẫn theo lớp kết hợp với mã hóa nhằm đạt dung lượng kênh truyền mong muốn kết công thức (9) Tuy nhiên, kết nghiên cứu Foschini [4] cho thấy dung lượng kênh truyền MIMO (9) thực tế đường giới hạn đạt nhờ kết hợp phương pháp mã hóa thuật toán có độ phức tạp hay giữ chậm giới hạn Vì vậy, để có hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu ứng dụng thực tế, công trình nghiên cứu MIMO tập trung vào việc đề xuất phương pháp truyền dẫn thỏa mãn cân độ lợi thu từ kênh MIMO độ phức tạp cần thiết Các phương pháp truyền dẫn phân loại thành hai nhóm sau: Phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) mã hóa không gian thời gian (STC: Space-Time Coding) 105 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 Hình 2: Biểu diễn dung lượng kênh MIMO theo r = min(M , N ) Phân kênh theo không gian Hình 3: Sơ đồ phân kênh theo không gian Ở sơ đồ phân kênh theo không gian, dòng liệu phát, sau ánh xạ thành dấu (symbol) tín hiệu (constellation) phân (DEMUX) thành N luồng song song truyền đồng thời qua N anten phát Vì vậy, tốc độ truyền dẫn tăng N lần so với hệ thống sử dụng anten phát, anten thu (SISO) thông thường Tuy nhiên, luồng liệu thu máy thu bị nhiễu lẫn nên tăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh luồng tín hiệu, làm tăng BER Để giảm nhỏ BER hệ thống máy thu sử dụng M ≥ N anten tách tín hiệu hiệu để thực tách riêng luồng tín hiệu Hình 4: So sánh ph m chất BER tách tín hiệu khác 106 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 Hình so sánh phNm chất BER số tách tín hiệu mô sử dụng điều chế BPSK M=N=4 Chúng ta nhận thấy phNm chất vượt trội V-BLAST so với tách tín hiệu tuyến tính hay QR Mã hóa Không gian-Thời gian Mã hóa không gian-thời gian phương pháp mã hóa cho hệ thống phân tập phát Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan hai miền không gian thời gian vào tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu máy thu nhằm đạt độ lợi phân tập độ lợi mã hóa Mã không gian-thời gian phân loại thành hai loại: mã khối không gian-thời gian (STBC: Space-Time Block Code) mã lưới không gian-thời gian (STTC: Space-Time Trellis Code) Mã STBC có ưu điểm thiết kế giải mã đơn giản Tuy nhiên, mã STBC lại cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cung cấp độ lợi mã hóa Ngược lại, mã STTC cho phép thu độ lợi phân tập mã hóa, việc thiết kế giải mã lại phức tạp Trong sơ đồ mã hóa không gian-thời gian phương pháp STBC Alamouti đề xuất năm 1998 [6] đánh giá phương pháp hiệu Phương pháp Alamouti sử dụng phương pháp mã hóa giải mã đơn giản, nhiên lại cho phép đạt đầy đủ tốc độ mã độ phân tập cho tín hiệu phức Hình 5: Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC Alamouti Hình mô tả cấu hình hệ thống MIMO sử dụng mã STBC Alamouti sử dụng hai anten phát hai anten thu Số lượng anten phát bị giới hạn N = số anten phát M tăng lên để thu độ lợi phân tập tốt Nguyên lý, mã hóa Alamouti sau: thời điểm k , anten phát thứ phát sk anten phát thứ hai phát sk+1, với dấu * biểu diễn phép toán lấy liên hợp phức Tại thời điểm tiếp theo, anten phát thứ phát -s*k+1, anten phát thứ hai phát s*k Do tín hiệu phát từ hai anten phát trực giao với nên việc giải mã đơn giản hóa nhờ sử dụng kết hợp (combiner) tuyến tính kết hợp với tách tín hiệu hợp lẽ tối đa (MLD: Maximum Likelihood Detector) 107 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 Hình 6: Ph m chất BER STBC Alamouti so với phương pháp MRC Hình so sánh phNm chất BER STBC Alamouti với hệ thống không sử dụng phân tập (SISO) hệ thống phân tập thu (SIMO) sử dụng kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC: Maximum Ratio Combining) Từ hình vẽ thấy sơ đồ STBC Alamouti cho phép cải thiện BER đáng kể so với hệ thống SISO So với hệ thống sử dụng phân tập thu SIMO MRC, sơ đồ Alamouti cho phép thu cấp độ phân tập (cùng độ dốc), nhiên bị thiệt hại 3dB công suất điều kiện chuNn hóa công suất phát cho tổng công suất phát từ anten phát với công suất phát anten hệ thống SIMO MRC [6] Ngoài mã STBC Alamouti, sơ đồ mã STBC STTC khác tham khảo chi tiết thêm [7] Kết luận hướng nghiên cứu mở MIMO phương thức truyền dẫn liệu cho phép tăng nhanh dung lượng kênh truyền vô tuyến Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến triển khai ứng dụng đề xuất cho hệ thống 3G trở Tuy nhiên, xây dựng hệ thống MIMO đạt hiệu cao vấn đề đặt Một hướng nghiên cứu cần tiếp tục phát triển việc đề xuất tách tín hiệu MIMO hiệu quả, có phNm chất BER tốt lại không yêu cầu độ phức tạp tính toán cao Một hướng nghiên cứu khả thi khác việc tích hợp mã không gian thời gian vào hệ thống băng rộng với nhiễu đồng kênh (CCI) nhiễu tương tác dấu (ISI) Tóm tắt Cung cấp dung lượng vượt giới hạn Shannon, hệ thống vô tuyến đa đầu vào đa đầu (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output), biết đến tảng cho công nghệ truyền dẫn hệ thứ (4G) Sử dụng đa anten phát đa anten thu, hệ thống MIMO cho phép truyền dẫn liệu với tốc độ lên tới gigabit môi trường truyền sóng tia truyền thẳng (NLOS: Non Light of Sight) Bài báo giới thiệu tổng quan công nghệ MIMO, kỹ thuật truyền dẫn tiềm Nn bên trong, hướng ứng dụng hệ thống thông tin hệ 108 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 Summary With the integration of Internet and multimedia applications in next generation wireless communications, the demand for wide-band high rate communication sevices is growing As the radio spectrum is limited, higher data rates can be achieved only by designing more efficient signaling techniques Recent research on information theory showed that large gain in capacity of communication over wireless chanels is feasible in multiple-input multiple output (MIMO) systems The MIMO chanel is contructed with multiple element array antennas at both ends of the wireless link Space-time coding is a set of pratical signal design techniques aimed at approaching the information theoretic capacity limit of MIMO chanels Tài liệu tham khảo [1].I E Telatar (1999), “Capacity of multiantenna Gaussianchannels,” European Transactions on Telecommunications, vol.10, no.6, pp.585–595, November/December [2].G.J Foschini and M.J Gans (1998),“On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas, “Wireless Personal Communications,” vol.6, pp.311–335 [3].G.J Foschini (1996), “Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multielement antennas,” Bell Labs Technical Journal, pp.41–59, Autumn, [4].C.E.Shannon (1949), The Mathematical Theory of Communication, University of Illinois Press [5].P.W.Wolniansky, G Foschini, G Golden, and R.A Valenzuela (1998), "V-BLAST: an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel" in Proceedings URSI International Symposium on Signals, Systems, and Electronics, (IEEE, New York, NY, USA), pp 295-300 [6].S.M Alamouti (1998), “A simple transmit diversity technique for wireless communications,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 16, no 8, pp 1451–1458, [7] B Vucetic and J Yuan (2003), Space-Time Coding, Wiley & Sons Ltd 109 ... thống vô tuyến đa đầu vào đa đầu (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output), biết đến tảng cho công nghệ truyền dẫn hệ thứ (4G) Sử dụng đa anten phát đa anten thu, hệ thống MIMO cho phép truyền dẫn. .. thêm [7] Kết luận hướng nghiên cứu mở MIMO phương thức truyền dẫn liệu cho phép tăng nhanh dung lượng kênh truyền vô tuyến Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến triển khai ứng dụng đề xuất cho... có độ phức tạp hay giữ chậm giới hạn Vì vậy, để có hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu ứng dụng thực tế, công trình nghiên cứu MIMO tập trung vào việc đề xuất phương pháp truyền dẫn thỏa mãn cân độ