Đầu tiên chúng ta đưa ra một kết quả so sánh dung lượng giữa MIMO và SISO với mô hình kênh BBC Guidford và chỉ bao gồm thành phần LoS.
Hình 4.1 Dung lượng ergodic giữa MIMO và SISO
Trong Hình 4.2 chúng ta minh họa dung lượng của 1 kênh Fading MIMO Rayleigh ngẫu nhiên với 2 tham số chính được sử dụng rộng rãi. Tham số đầu tiên ở Hình 4.3 gọi là dung lượng ergodic, nó đề cập tới trường hợp khoảng thời gian
thấy trong nhiều kênh fading như fading nhanh và dung lượng có thể được xác định bằng cách lấy trung bình trên các kênh truyền MIMO. Tham số thứ hai ở hình 4.2 là dung lượng tổn hao với xác suất tổn hao là 1%. Trong trường hợp này fading là gần như tĩnh hay fading chậm, kênh fading này là ngẫu nhiên nhưng không thay đổi dọc theo toàn bộ từ mã. Định nghĩa của lượng tổn hao cho biết độ lợi duy nhất được cung cấp bởi tín hiệu MIMO khi không có giá trị thay đổi tần số hoặc thời gian trong vòng 1 từ mã.
Hình 4.2 Dung lượng (bps/Hz) của kênh Rayleigh - Dung lượng tổn hao với xác xuất tổn hao là 1%
Ở Hình 4.2, chúng ta có thể thấy được dung lượng tổn hao của kênh Rayleigh ngẫu nhiên. Như có thể thấy trong hình, sự phân tập có thể đạt được bởi SIMO, MISO và kết quả phân tập MIMO trong 1 giới hạn của đường cong dung lượng không ảnh hưởng đến độ dốc của nó. Chúng ta cũng có thể thấy SIMO lợi hơn MISO 3 dB do có độ lợi dải. Mặt khác, độ lợi ghép kênh đạt được bằng cách tối ưu các tỷ lệ điều chỉnh của kênh MIMO nhằm tăng giá trị của CNR, nhờ đó đạt được dung lượng cao hơn.
Hình 4.3 Dung lượng (bps/Hz) của kênh Rayleigh - Dung lượng ergodic
Ở Hình 4.3, dung lượng ergodic được trình bày với việc sử dụng SIMO, MISO và các phân tập MIMO không đưa ra kết quả là độ lợi đáng kể do sự phân tập lớn đã đạt được bằng việc sử dụng fading nhanh trong 1 từ mã. Tuy nhiên, chúng tôi thấy rằng đối với tối ưu MIMO trong khi có hiệu suất không thay đổi là sử dụng phân tập MIMO trong chế độ CNR thấp, chúng tôi thấy rằng dung lượng sẽ tăng đáng kể khi CNR tăng.
Trong quá trình tiêu chuẩn hóa DVB-NGH, hai yêu cầu kỹ thuật của MIMO được phân biệt theo dung lượng ghép kênh và sự tương thích với thiết bị thu đơn anten.
Kỹ thuật đầu tiên được gọi là mã hóa MIMO loại 1, trong đó khai thác không gian đa đường của kênh MIMO mà không cần nhiều anten ở phía nhận. Chúng cũng có thể được áp dụng trong việc phân phối qua mạng SFN để tái sử dụng hạ tầng mạng (tức DVB-T và DVB-T2). Kỹ thuật thứ hai được biết đến như mã hóa MIMO loại 2, trong đó khai thác sự phân tập và dung lượng ghép kênh của kênh MIMO. Như chúng ta biết, kỹ thuật ghép kênh không gian có được độ lợi dung lượng rất
lớn trong điều kiện thu tốt (ví dụ như tiếp nhận tại các thiết bị thu ngoài trời) cho việc cung cấp các ứng dụng có tốc độ bit cao
4.3 Hoạt động của DVB-NGH sử dụng MIMO trong môi trường di động
Hình 4.4 và hình 4.5 đưa ra sự tương quan giữa dung lượng (bps/Hz) so với CNR trong NGH của mô hình kênh MIMO ngoài trời ở tốc độ 60 km/h. Đối với dung lượng ergodic minh họa ở phía dưới, chúng ta nhận ra 1 sự tương tự so với kênh Rayleigh ngẫu nhiên độc lập của Hình 4.3. Tuy nhiên trong trường hợp này MISO làm tốt hơn SISO.
Hình 4.4 Dung lượng (bps/Hz) của NGH với kênh MIMO ngoài trời - Dung lượng tổn hao với xác xuất tổn hao 1%
Đối với trường hợp dung lượng tổn hao với tỷ lệ tổn hao 1% ở hình 4.4, SISO còn vượt trội hơn MISO nhưng hơn thế nữa, chúng ta quan sát thấy sự phân tập MIMO gần với SIMO. Mặt khác, tối ưu MIMO cung cấp 1 sự gia tăng đáng kể dung lượng trong mô hình kênh này. Nói chung, việc sử dụng các cấu hình anten phân cực chéo, mặc dù phụ thuộc vào hệ số XPD, gây bất lợi cho kỹ thuật truyền
Hình 4.5 Dung lượng (bps/Hz) của NGH với kênh MIMO ngoài trời - dung lượng ergodic
Với môi trường di động, chúng ta sẽ được cung cấp các kết quả mô phỏng lớp vật lý để minh họa việc thực hiện các phương án MIMO cho DVB-NGH. Các kịch bản mô phỏng là NGH ngoài trời và NGH trong nhà, tương ứng với mô hình kênh MIMO có tốc độ 60 km/h và 3 km/h. Các mô phỏng sử dụng mã LDPC với độ dài 1 từ mã là 16200 bits.
Hình 4.6 và 4.7 đưa ra dung lượng hệ thống với tỷ lệ lỗi khung (FER) là 1% sau khi BCH. Các phương án để phân tích là SISO, SIMO với 2 anten thu; và eSFN, MIMO Alamouti và eSM-PH với 2 anten cho việc truyền nhận. Kết quả dung lượng bao gồm cả tác động phần tiêu đề pilot với các giá trị sau đây được sử dụng trong các quá trình chuẩn hóa NGH. Trong khi mật độ 1 pilot giả định là 1/12 cho SISO, SIMO và eSFN, mật độ 1 pilot giả định là 1/6 cho MIMO Alamouti và eSM-PH.
Hình 4.6 Tỷ lệ truyền dẫn cho phương án MIMO NGH khác nhau trong NGH kênh MIMO ngoài trời với tốc độ 60 km/h bao gồm cả phần pilot.
Đối với kịch bản ngoài trời được minh họa trong Hình 4.7, kết quả nêu bật những lợi ích quan trọng đạt được bằng phương án DVB-NGH MIMO trên SISO. So với SISO có CNR trung bình là 15 dB, SIMO tăng công suất cung cấp thêm 44.7% hoặc 4.5 dB của CNR đạt được ở 3.2 bpc, eSFN cung cấp mức tăng dung lượng 57% (5.8 dB của CNR đạt được ở 3.45 bpc) và eSM-PH cung cấp tăng công suất thêm 81.5% (7.8 dB của CNR đạt được ở 4 bpc).
Hình 4.7 Tỷ lệ truyền dẫn cho phương án MIMO NGH khác nhau ở NGH trong nhà kênh MIMO với tốc độ 3 km/h bao gồm cả phần pilot.
Đối với kịch bản trong nhà minh họa trong Hình 4.7, cho thấy tổng thể các yêu cầu để đạt được mức QoS cao hơn. Trong trường hợp này, độ lợi đạt được bằng phương án MIMO so với SISO trong môi trường trong nhà đều cao hơn so với môi trường ngoài trời. Ở đây, so với SISO và với mức CNR trung bình 17.5 dB, SIMO cung cấp mức tăng dung lượng thêm 83.3% (6.8 dB của CNR đạt được ở 3.28 bpc), eSFN cung cấp mức tăng dung lượng thêm 100% (8.2 dB của CNR đạt được ở 3.65 bpc) và eSM-PH cung cấp mức tăng thêm 122% (9.4 dB của CNR đạt được ở 3.95 bpc).
Trong cả 2 trường hợp, hiệu suất của MIMO Alamouti nằm giữa SIMO và eSFN do ảnh hưởng của việc tăng pilot.
Tiếp theo là kết quả thực hiện eSM-PH với giải mã lặp đi lặp lại (các đường cong FER có nhãn “ID”). Hình 4.7 cho thấy FER và CNR cho tỷ lệ mã 1/3, 8/15 và 11/15, tức là thấp nhất, trung bình và cao nhất cho truyền MIMO loại 2. Ở đây QoS được lựa chọn để so sánh là FER bằng 10-2. Đối với độ lợi bộ giải ánh xạ max-log
do lặp đi lặp lại làm tăng tỷ lệ giải mã, tức là 1 dB, 1.1 dB và 1.8 dB tương ứng với tốc độ mã 1/3, 8/15 và 11/15. Hơn nữa, chúng tôi trình bày kết quả với bộ giải điều chế MMSE mà có khả năng khai thác các lợi ích của việc đi lặp lại trong khi giải mã có độ phức tạp tính toán thấp. Trong trường hợp này, MMSE tăng độ lợi giải điều chế lên khoảng 0.7 dB (1/3), 0.9 dB (8/15) và 1.1 dB (11/15) bởi giải mã lặp đi lặp lại. Tuy nhiên, chúng ta quan sát sự suy giảm hiệu suất của bộ giải ánh xạ MMSE so với các bộ giải điều chế max-log với tỷ lệ ngày càng tăng. Các bộ giải ánh xạ max-log sẽ vượt qua bộ giải ánh xạ MMSE khoảng -0.15 dB (0.2 dB), 0.4 dB (0.5dB) và 1.2 dB (1.9 dB) cho bộ giải mã lặp lại (không lặp lại). Chúng tôi lưu ý rằng với tất cả các mô phỏng trên, máy thu MMSE với giải mã lặp đi lặp lại không thực hiện kém hơn thiết bị thu sử dụng bộ giải điều chế max-log không lặp đi lặp lại.
4.4 Hoạt động của bộ thu DVB-T2 sử dụng MIMO-OFDM
Trên hình 4.8, chúng ta thấy được tỷ lệ lỗi trong việc truyền dữ liệu qua kênh AWGN sử dụng nguyên lý điều chế QPSK. Từ đồ thị kết quả, có thể thấy được rằng nếu SNR giảm đi thì BER tăng lên.
Trên hình 4.9 là so sánh BER giữa SISO và MIMO. Từ đồ thị kết qua này có thể thấy được năng lượng duy trì của hệ thống MIMO Eb/N0 có hiệu suất cao hơn hệ thống SISO. Ví dụ với năng lượng Eb/N0 = 12dB, ta thấy rằng
BER của hệ thống SISO là 0.158%
BER của hệ thống MIMO là 0.005%
Từ đó có thể rút ra kết luận rằng BER của hệ thống MIMO tốt hơn 30-35 lần so với hệ thống SISO.
Hình 4.9 So sánh BER giữa SISO và MIMO
4.5 Kết luận chương
Chương này đã đưa ra được các kết quả thực nghiệm mô tả lợi ích của MIMO trong hệ thống truyền hình quảng bá DVB và tiềm năng phát triển trên các thế tiếp theo DVB-NGH và DVB-T2. Ngoài ra, dựa trên những kết quả đó còn phân tích được các đặc tính kỹ thuật, truyền dẫn của DVB-NGH và DVB-T2 sử dụng MIMO. Phân tích hoạt động của DVB-T2 sử dụng MIMO để cho thấy hiệu quả sử dụng phổ trên kênh truyền, tốc độ bit cao hơn thế hệ trước đó của DVB. Các phân tích đưa ra đã chứng minh được rằng công nghệ MIMO là một giải pháp then chốt
để nâng cao năng lực hệ thống và độ tin cậy của liên kết mà không cần bất kỳ sự bổ sung nào về băng thông hay công suất truyền tín hiệu. Không những thế, nó còn cho thấy tiềm năng có thể truyền dẫn tín hiệu HDTV trên hệ thống truyền hình mặt đất.
KẾT LUẬN
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T2 là tiêu chuẩn đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Tiêu chuẩn này sử dụng chuẩn nén tín hiệu MPEG-4, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao mã hóa COFDM và các đặc tính kỹ thuật ưu việt. Việc phát triển tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 đã đáp ứng được nhu cầu thực tế. Đó là sự gia tăng dung lượng băng thông giúp cung cấp cho người xem các dịch vụ truyền hình mới.
Luận văn đã nêu ra được các vấn đề then chốt của các hệ thống truyền hình hiện tại và hệ thống truyền hình số mặt đất ứng dụng kỹ thuật mới MIMO. Cùng với đó đưa ra bài toán ứng dụng kỹ thuật MIMO cho các bộ thu DVB và đã phân tích cho thấy công nghệ MIMO là phương pháp duy nhất để khắc phục giới hạn thông tin lý thuyết của hệ thống SISO mà không cần bổ sung về băng thông hay công suất phát. Việc thực hiện nhiều anten ở máy phát và phía thu (MIMO) cho phép khắc phục những hạn chế Shannon của truyền thông anten đơn mà không cần băng thông bổ sung hoặc gia tăng công suất truyền tải. Bởi vì tiềm năng của nó, MIMO đã trở thành một phần không thể thiếu của các tiêu chuẩn không dây như IEEE 802.11n cho các mạng nội bộ không dây . Các phân tích đưa ra đã chứng minh được rằng công nghệ MIMO là một giải pháp then chốt để nâng cao năng lực hệ thống và độ tin cậy của liên kết mà không cần bất kỳ sự bổ sung nào về băng thông hay công suất truyền tín hiệu. Không những thế, nó còn cho thấy tiềm năng có thể truyền dẫn tín hiệu HDTV trên hệ thống truyền hình mặt đất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] DVB Project, http://www.dvb.org, referred July 5, 2009.
[2] ETSI EN 302 744 V. 1.6.1: Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television (DVB- T), Jan. 2009.
[3] ETSI EN 302 304 V. 1.3.1: Digital Video Broadcasting (DVB);,Transmission system for Handheld Terminals (DVB-H), Nov. 2004.
[4] ETSI EN 302 755 V. 1.1.1: Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure, channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2), June 2008.
[5] J. Bingham, "Multicarrier Modulation for Data Transmission: An Idea Whose Time Has Come," in IEEE Communications Magazine, vol. 28 of 5, pp. 5-14, May 1990.
[6] R. Nee and R. Prasad, OFDM Wireless Multimedia Communications.: Artech House Boston London, 2000.
[7] J. Heiskala and J. Terry, OFDM Wireless LANs: A Theoritical and Practical Guide.: John Wiley and Sons Ltd, 2005.
[8] L. Litwin, "An Introduction to Multicarrier Modulation," in IEEE Potentials, vol.19 of 2, pp. 36-38, May 2000.
[9] J. Rinne, "Performance and Analysis of OFDM for Digital TV Broadcasting Systems," Licentiate Thesis, Tampere University of Tecnology, 1994.
[10] S. Weinstein and P. Ebert, "Data Transmission by Frequency- Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform," in Communication Technology, IEEE Transactions, vol. 1, pp. 628-634, 1971.
[11] G. Santella, R. Martino, and M. Ricchiuti, "Single Frequency Network (SFN) planning for digital terrestrial television and radio broadcast services: the Italian frequency plan for T-DAB," in Vehicular Technology Conference, IEEE 59th, vol. 4, pp. 2307-2311, 2004.
[12] J. C. Kim and J. Y. Kim, "Single Frequency Network Design of DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld) System," in Advanced Communication Technology, vol. 3, pp. 1595-1598, 2006.
[13] J. Lee, H. Lou, D. Toumpakaris, and J. Cioffi, "Effect of Carrier Frequency Offset on OFDM Systems for Multipath Fading Channels," in Global Telecommunications Conference, IEEE, vol. 6, pp. 3721-3725, 2004.
[14] X. Ma, H. Kobayashi, and S. Schwarrz, "Effect of Frequency Offset on BER of OFDM and Single Carrier Systems," in Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, vol. 3, pp. 2239-2243, 2003.
[15] C. Mushchallik, "Influence of RF Oscillators on an OFDM Signal," in IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 41, pp. 592-603, August 1995.
[16] Q. Zou, A. Tarighat, and A. Sayed, "Compensation of Phase Noise in OFDM Wireless Systems," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 55, pp.5407- 5424, 2007.
[17] S. Han and J. Lee, "An Overview of Peak-to-Average Power Ratio Reduction Techniques for Multicarrier Transmission," in IEEE Wireless Communications, vol. 12, pp. 56-65, 2005.
[18] DVB Document A114: Commercial Requirements for DVB-T2; April 2007. www.dvb.org.
[19] DVB Document A133: Implementation Guidelines for a Second Generation Digital Terrestrial Television Broadcasting System (DVB-T2), Feb. 2009, www.dvb.org.
[21] S. Haykin and M. Moher, Modern Wireless Communication., Pearson Prentice Hall, 2005.
[22] B. Skalar, "Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems Part I: Characterization," IEEE Communications Magazine, September, 1997.
[23] B. Bing, Braodband Wireless Access., Kluwer Academic Publishers, 2002. [24] J. D. Parsons, The Mobile Radio Propagation Channel., Pentech Press Ltd, 1992. [25] T. Ojanperä and R. Prasad, Wideband CDMA for Third Generation MobileCommunications.: Arctech House Publishers, 1997.
[26] S. Mathur, "Small Scale Fading in Radio Propagation," Department of Electrical Engineering, Rutgers University, Lecture notes for Wireless Communication Technologies course offered by Dr. N. Madhaban, Spring 2005. [27] L. Cheng, B. Henty, F. Bai, and D. D. Stancil, "Doppler Spread and Coherence Time of Rural and Highway Vehicle-to-Vehicle Channels at 5.9 GHz," in Global Telecommunications Conference, pp. 1-6, 2008.
[28] R. N. Pupala, "Introduction to Wireless Electromagnetic Channels & Large Scale Fading," Department of Electrical Engineering, Rutgers University, Lecture notes for Wireless Communication Technologies course offered by Dr. N. Madhaban, Spring 2005.
[29] T. S. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice., Prentice Hall, 2002.
[30] M. Simon and M. Alouini, Digital Communication Over Fading Channels., 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2005.
[31] "COST 207: Digital Land Mobile Radio Communications (Final report)," Commission of the European Communities, Directorate General
[32] A. Gallardo, M. Woodward, and J. Rodriguez-Tellez, "Performance of DVB-T OFDM based Single Frequency Networks: Effects of Frame Synchronisation, Carrier Frequency Offset and Non-Synchronised Sampling Errors," in Vehicular Technology Conference, vol. 2, pp. 962-966, 2001.
[33] A. Mattsson, "Single Frequency Networks in DTV," in IEEE Transactions on Braodcasting, vol. 51, Deceember 2005.
[34] B. Ai, Z. Yang, C. Pan, J. Ge, and Y. Wang, "On the Synchronization Techniques for Wireless OFDM Systems," in IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 52, no. 2, June 2006.
[35] A. Palin and J. Rinne, "Symbol Synchronization in OFDM System for Time selective Channel conditions," in IEEE International Conferenec on Electronics, Circuits and Systems, vol. 3, pp. 1581-1584, September 1999.
[36] J. J. van de Beek, M. Sandell, and P. O. Börjesson, "ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 45, no. 7, July 1997.
[37] D. Liu and J. Chung, "Enhanced OFDM Time and Frequency Synchronization Through Optimal Code Correlation," in Circuits and Systems, vol. 1, pp. 176-179, August 2002.
[38] S. A. Fetchel, "OFDM Carrier and Sampling Frequency Synchronization and Its Performance on Stationary and Mobile Channels," in IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 46, no. 3, August 2000.
[39] B. Jahan, M. Lanoiselée, G. Degoulet, and R. Rabineau, "Full Synchronization