1.2.1 Cơng nghệ MIMO
MIMO - Một cách tiếp cận để tăng tốc độ truyền vật lý của hệ thống khơng dây sử dụng nhiều hệ thống ăng-ten để truyền và nhận. Cơng nghệ này được gọi là multiple-input multiple-output (MIMO), hoặc các hệ thống ăng-ten thơng minh.
Hình 13 :Hệ thống cơ bản với hai ăng-ten MIMO cĩ 2 luồng SDM ví dụ.
MIMO cải thiện hiệu năng: MIMO tận dụng hiện tượng tự nhiên của sĩng trung tần được gọi là đa đường: thơng tin được phát xuyên qua tường, cửa sổ và các vật chắn khác, anten thu tín hiệu nhiều lần qua các bộ định tuyến khác nhau ở các thời điểm khác nhau. Do đĩ, tín hiệu đa đường nguyên gốc cĩ thể bị "bĩp méo" dẫn đến khĩ giải mã và kéo theo hiệu năng Wi-Fi kém. MIMO khai thác hiện tượng đa đường với kỹ thuật đa phân chia theo khơng gian (space-division multiplexing). Thiết bị phát WLAN chia gĩi dữ liệu ra thành nhiều phần, mỗi phần được gọi là chuỗi
31
dữ liệu (Spatial Stream) và phát từng chuỗi dữ liệu qua các anten riêng rẽ đến các anten thu.
Các đặc điểm nổi bật của MIMO : Cĩ 2 tính năng trong đặc tả kỹ thuật draft-n nhằm tập trung cải thiện hiệu năng MIMO: cực tạo búp sĩng (Beam-forming) và sự phân tập (Diversity). Beam-forming là kỹ thuật điều chỉnh tín hiệu trực tiếp trên anten, giúp tăng vùng phủ sĩng và hiệu suất bằng cách hạn chế nhiễu. Diversity khai thác trên nhiều anten bằng cách tổng hợp các tín hiệu đầu ra hoặc chọn tín hiệu tốt nhất trong số các anten. Đây là đặc tả kỹ thuật quan trọng do 802.11n draft cĩ 4 anten, vì thế sẽ gặp phải trường hợp thiết bị cĩ số lượng anten khác với nĩ. Ví vụ, máy tính xách tay dùng 2 anten cĩ thể kết nối đến access point (AP) cĩ 3 anten. Trường hợp này, chỉ 2 chuỗi dữ liệu được dùng dù AP hỗ trợ đến 3 chuỗi dữ liệu. Với Diversity, thêm càng nhiều anten càng tốt. Thiết bị nhiều anten sẽ cĩ phạm vi phủ sĩng xa hơn. Ví dụ, tín hiệu phát ra của 2 anten cĩ thể kết hợp lại để thu một chuỗi dữ liệu ở khoảng cách xa. Ý tưởng này cĩ thể được mở rộng để kết hợp các tín hiệu đầu ra của 3 anten để thu về 2 chuỗi dữ liệu cĩ tốc độ cao, vùng phủ sĩng rộng... Diversity khơng bị giới hạn trong 802.11n và cả WLAN. Thực tế, nĩ đã được cài đặt cho các sản phẩm chuẩn 802.11a/b/g cĩ 2 anten.
Hình 14: Hệ thống MIMO NxM cĩ N kênh phát và M kênh thu. Các
tín hiệu từ mỗi kênh phát cĩ thể đến kênh thu thơng qua một đường duy nhất, cho phép ghép
kênh khơng gian – kỹ thuật gửi nhiều luồng dữ liệu trong cùng một
kênh, nhờ vậy tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng theo cấp số nhân.
32
Hình 15: Sự phát triển của cơng nghệ MIMO
33
Draft-n dùng kênh ghép (dual-bands): Một tùy chọn khác trong 802.11n dự thảo là nhân đơi tốc độ bằng cách tăng băng thơng kênh truyền WLAN từ 20MHz lên 40MHz. Điều này làm giảm số lượng kênh gây bất lợi cho các thiết bị khác. Tần số 2,4GHz cĩ đủ khơng gian cho 3 kênh 20MHz khơng chồng lấn nhau (non-overlapping), cịn kênh 40MHz khơng cĩ nhiều khơng gian cho các thiết bị khác tham gia vào mạng hay truyền dữ liệu trên cùng khu vực với chúng. Do đĩ, việc chọn kênh 40MHz sẽ cải thiện hiệu năng cho tồn WLAN.
Hình 17: Các kênh 20MHz và 40MHz Lưu ý:
* Draft-n 2.0 quy định một chính sách cĩ tên “thân thiện với láng giềng”, tức là ,khi họat động ở băng tần 40MHz nếu phát hiện cĩ thiết bị 2,4GHz khác ở gần thì sẽ phải chuyển xuống băng tần 20MHz .
* Tốc độ truyền dữ liệu ở băng tần 20MHz chỉ là 150Mbps.
Ngồi cơng nghệ MIMO, các thiết bị cịn cĩ thể được tích hợp thêm một số kỹ thuật khác để tăng tốc độ:
Đầu tiên là kỹ thuật SGI (Short Guard Interval) cũng cĩ thể gĩp phần cải thiện tốc độ bằng cách giảm kích thước của khoảng cách giữa các symbol (ký hiệu). Bên cạnh đĩ là một số kỹ thuật trên lớp vật lý với các cải tiến nhằm giảm overhead (gĩi tin mào đầu) - trực tiếp gĩp phần cải thiện tốc độ. Để giảm overhead, 802.11n dùng kỹ thuật tập hợp khung (frame aggregation - FA) - ghép hai hay nhiều khung (frame) thành một frame đơn để truyền đi. Chuẩn 802.11n sử dụng 2 kỹ thuật ghép frame: A-
34
MSDU (Aggregation - MAC Service Data Units) hay viết gọn là MSDU - làm tăng kích thước khung dùng để phát các frame qua giao thức MAC (Media Access Control) và A-MPDU (Aggregation - MAC Protocol Data Unit) - làm tăng kích thước tối đa của các frame 802.11n được phát đi lên đến 64K byte (chuẩn trước chỉ cĩ 2304byte).
Một cách cải thiện thơng lượng bổ sung khác là giảm kích thước frame ACK xuống cịn 8byte (chuẩn cũ là 128byte). Ngồi ra, một kỹ thuật được gọi là SGI (Short Guard Interval) cũng cĩ thể gĩp phần cải thiện 10% tốc độ bằng cách giảm khoảng cách giữa các symbol (ký hiệu) từ 4 nano giây xuống cịn 3,6 nano giây. Cuối cùng là kỹ thuật GreenField Preamble được sử dụng để rút ngắn gĩi tin đầu tiên của frame (preamble) nhằm cải thiện hiệu năng và cơng suất tiêu thụ cho thiết bị.
Một trong những xu hướng lớn nhất trong vấn đề kết nối mạng ngày nay là việc truyền cả tín hiệu thoại và video trên các mạng dữ liệu truyền thống, các gĩi thoại và video cần phải phân phối đến người nhận một cách nhanh chĩng và cĩ độ tin cậy cao, khơng cĩ độ jitter và độ trễ vượt quá giới hạn.Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là sử dụng QoS. QoS, hoặc Quality of Service, là một cơng nghệ xử lý gĩi ưu tiên. Về bản chất, QoS cho phép bạn xử lý các gĩi thơng tin nhạy cảm với mức ưu tiên cao hơn các gĩi khác.
Đây là một chuẩn cơng nghiệp chứ khơng phải chuẩn thuộc quyền sở hữu của Microsoft. Microsoft đã lần đầu tiên giới thiệu QoS trong Windows 2000. Phiên bản QoS của Microsoft đã được phát triển dần lên từ thời điểm đĩ nhưng vẫn thích nghi với các chuẩn cơng nghiệp.
1.2.2 Tổng quan về OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex): Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
35
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sĩng mang (MCM) trong thơng tin vơ tuyến. Cịn trong các hệ thống thơng tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu cĩ dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ cĩ những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song cĩ tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sĩng mang con khác nhau. Các sĩng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
1.2.2.2 Các khái niệm liên quan đến OFDM
a. Hệ thống đa sĩng mang
Hệ thống đa sĩng mang là hệ thống cĩ dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sĩng mang khác nhau. Nĩi cách khác, hệ thống đa sĩng mang thực hiện chia một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sĩng mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM.
b. Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thơng tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt
36
liên tiếp nhau. Mỗi kênh thơng tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nĩ truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số cĩ dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong khơng gian, thời gian.
Để đảm bảo tín hiệu của một kênh khơng bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, địi hỏi phải cĩ các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự khơng hiệu quả về phổ.
c. Biểu diễn tốn học của tín hiệu OFDM c.1 Trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sĩng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn cĩ thể được khơi phục mà khơng cĩ xuyên nhiễu giữa các sĩng mang kế cận bởi vì giữa các sĩng mang con cĩ tính trực giao. Xét một tập các sĩng mang con: fn(t),
n=0, 1, …, N-1, t1 t t2. Tập sĩng mang con này sẽ trực giao khi:
2 1 * 0, ( ) ( ) , t n m t n m f t f t dt K n m [7] (1.1) Trong đĩ: K là hằng số khơng phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sĩng mang con được truyền cĩ thể được viết là:
fn(t) exp(j2 fnt) [7] (1.2) với j 1 và fn f0 n f f0 n/T [7] (1.3) với f0 là tần số offset ban đầu.
Hình 19: Ghép kênh phân chia theo tần số
f1 f2 fn f
37
Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sĩng sine. Tần số băng gốc của mỗi sĩng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời ký tự, vì vậy tất cả sĩng mang con cĩ một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự. Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên. Hình 20 minh hoạ cấu trúc của một tín hiệu OFDM cĩ bốn sĩng mang con.
Trong minh hoạ này, mỗi sĩng mang cĩ số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T và số chu kỳ của các sĩng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sĩng mang.
Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ của nĩ. Trong miền tần số, mỗi sĩng mang con OFDM cĩ đáp ứng tần số là sinc hay sin(x)/x. Hình 21 mơ tả phổ của ký tự OFDM cĩ 4 sĩng mang con là tổng hợp phổ của 4 hàm sinc.
t
Hình 20 : Tín hiệu OFDM cĩ 4 sĩng mang con
Hình 21: Phổ tín hiệu OFDM với 4 sĩng mang con
38
c.2 Tạo sĩng mang con sử dụng IFFT
Nếu gọi di là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sĩng mang con, T là khoảng thời ký tự và fc là tần số sĩng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=ts cĩ thể được viết như sau:
1 2 2 2 / 5 , 0 2 exp Re ) ( N N i s c N i t t T i f j d t s , ts t ts T [20](1.4) s(t) 0,t ts t ts T
Để cho dễ tính tốn, ta cĩ thể thay thế ký tự OFDM trên như sau:
1 2 2 2 / exp 2 ) ( N N i s N i t t T i j d t s ,ts t ts T [20] (1.5) s(t) 0,t ts t ts T
Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và vuơng pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cos và sin của tần số sĩng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng. T t t N j ( 2) s exp T t t N j s exp Serial to parallel
data OFDM signal
39
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.5) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sĩng mang con. Nếu liên hiệp phức của sĩng mang con thứ j được nhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM dj N/2 (được nhân với hệ số T), cịn đối với các sĩng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng khơng bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng khơng.
T t t N N i s N i s s s dt t t T i j d t t T j j 1 2 2 2exp 2 2 exp t t dt d T T j i j d j N N N i T t t s N i s s 2 1 2 2 2 exp 2 [20] (1.6)
Tín hiệu OFDM được mơ tả trong (1.5) thực tế khơng khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của N ký tự QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, cơng thức được cho ở (1.7), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n.
1 0 2 exp ) ( N i i N in j d n s [20] (1.7)
1.2.2.3 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ
Với một băng thơng cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sĩng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sĩng mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Cịn đối với hệ thống OFDM, băng thơng được chia nhỏ cho N sĩng mang con làm cho tốc độ ký tự thấp hơn N lần so với truyền dẫn đơn sĩng mang. Tốc độ
40
ký tự thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường.
Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM cĩ thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sĩng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa đường từ một ký tự khơng thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sĩng mang con, trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi khơng cĩ cộng thêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ cĩ một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ cĩ khoảng thời ký tự dài hơn. Hình 23 minh hoạ việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là TS T, với TS là chiều dài tổng cộng của ký tự, là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T khoảng thời gian thực hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM.
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sĩng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời gian ký tự để cho các sĩng mang con luơn trực giao nhau. Nếu nĩ khơng ổn định cĩ nghĩa là dạng phổ của sĩng mang con khơng cĩ dạng sinc chính xác. Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu kế tiếp. Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh vơ tuyến. Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở những thời điểm khác nhau. Hình 24
Thời gian Ngõ ra IFFT IFFT Khoảng th bảo vệ IFFT Khoảng th thời bảo vệ Copy Symbol N-1 Symbol N+1 Symbol N FFT T s T
41
minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm xuống. Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn độ trải trễ của kênh vơ tuyến.
Chúng ta cĩ thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP tăng, trong khi đĩ năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng của một sĩng mang nhánh là:
S S
T T
t 2 [7] (1.8)
Và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là:
S loss
T
SNR 10lg 1 [7] (1.9)
Như vậy, CP cĩ chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều.