L ỜI MỞ ĐẦU
2.2 Tổng quan về kỹ thuật MIMO
MIMO (multiple-input and multiple-output) là kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. Năm 1984 Jack Wintes (Bell Laboatries) là người đi tiên phong trong lĩnh vực MIMO khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng trên cùng kênh tần số hoặc thời gian khi sử dụng nhiều anten tại cả máy phát lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh. Từ năm 1986 tới năm 1995, nhiều bài báo về MIMO liên tục được đưa ra. Vào năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại học stanford, Greg Raleigh đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã viết một bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền. Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAS (Diagonal- Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến trong môi trường fading khi sử dụng đa anten (MIMO). Năm 1998, P.W.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng băng thông lần đầu tiên lên tới 20-40 bps/Hz, Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này có thể mở rộng ra M anten thu để cung cấp độ lợi phân tập 2M. Năm 2003, Airgo đã tung chip MIMO đầu tiên. Năm 2004, IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp
với kĩ thuật OFDM. Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu thiên của 802.11n để thảo luận nhằm đưa ra các thay đổi sửa lỗi và cải tiến. Nhận thấy được các ưu điểm của kỹ thuật MIMO kể từ đó cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật này.
Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO có thể được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng trong một ô tăng) và tăng vùng phủ (mở rộng ô) cũng như tăng khả năng cung cấp dịch vụ. Với cấu hình đa anten cho phép tăng độ phân tập kênh truyền fading do đó có thể giảm xác suất lỗi, tăng dung lượng kênh truyền do đó có thể tăng tốc độ dữ liệu. Chính vì những ưu điểm quan trọng này ngày nay MIMO được đã được áp dụng cho các hệ thống như HSPA+, LTE, WiMAX, WLAN (802.11n). Do vậy với những lợi ích mà MIMO mang lại thì chắc chắn đây sẽ là một công nghệ quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống thông tin di động hiện tại và các hệ thống trong tương lai.
Như đã nói, hệ thống MIMO ra đời với mục đích: đáp ứng các nhu cầu truy cập tốc độ cao, do việc tăng các hiệu ứng môi trường và sức ép cạnh tranh từ các mạng có dây LAN, thêm vào đó, trong tương lai của hệ thống audio/video gia đình vẫn sẽ đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao. Bên cạnh đó, hệ thống MIMO ra đời với hy vọng có thể cải thiện được những giới hạn của kênh truyền SISO, do tính năng đáng chú ý của hệ thống MIMO là khả năng truyền dẫn tốt trong kênh truyền chịu tác động của hiện tượng đa đường.
Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau: a, Cải thiện được công suất tại nơi thu
Xét một hệ thống SISO 1 anten phát và 2 anten thu, thì tại nơi thu 2 anten sẽ nhận được các tín hiệu s1, s2 khác nhau của cùng một tín hiệu s phát. Do điều kiện truyền dẫn khác nhau, nên hai tín hiệu thu này sẽ có sự sai khác về biên độ và pha. Thông tin trạng thái kênh truyền được nhận biết chính xác tại nơi thu, và công suất tại nơi thu có thể được cải thiện nếu áp dụng một thuật toán xử lý để kết hợp s1, s2 thích hợp.
Tăng dung lượng hệ thống hay làm giảm can nhiễu mà không cần phải tăng băng thông. Can nhiễu trong hệ thống không dây cũng giống như trong mạng điện thoại tế bào, nguyên lý cơ bản khi sử dụng lại tần số để tăng dung lượng hệ thống, tuy nhiên sẽ xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI, nhiễu này cộng vào làm giảm hiệu năng của hệ thống. Để tăng tỷ số tín hiệu trên can nhiễu, thì bộ thu có thể lợi dụng sự khác nhau về không gian tín hiệu để giảm can nhiễu. Việc giảm can nhiễu cũng có thể được thực hiện tại nơi phát thông qua kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian, với mục đích là tăng cường công suất tín hiệu tại bộ thu và giảm tối đa can nhiễu giữa các kênh.
c, Phân tập không gian
Ảnh hưởng của fading đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập không gian.
d, Hệ số phân tập
Trong thông tin vô tuyến, công suất tín hiệu truyền trên kênh truyền thay đổi với các thông số về thời gian, tần số và không gian. Khi mà công suất tín hiệu bị tụt xuống dưới ngưỡng, kênh truyền được coi là trong trạng thái thăng giáng. Ý tưởng cơ sở của phân tập là các phiên bản thu được của cùng một tín hiệu trên các đường liên kết riêng biệt, khi số lượng nhánh phân tập tăng lên, xác suất mà một hay nhiều nhánh không rơi vào trạng thái thăng giáng tại một khoảng thời gian bất kỳ tăng lên. Phân tập hướng tới sự ổn định của một đường liên kết không dây.
e, Hệ số hợp kênh
Hệ số hợp kênh là đặc trưng nổi bật, được sử dụng trong hệ thống MIMO nhằm nâng cao dung lượng hệ thống.
Mặc dù MIMO hứa hẹn mang lại hiệu suất phổ cao hơn so với hệ thống SISO, và cũng là đòn bẩy trong việc tăng chất lượng truyền dẫn, nhưng chi phí giá thành cho thiết bị trong hệ thống MIMO là cao hơn, giải thuật xử lý tín hiệu cũng phức tạp hơn, chính vì vậy cần có chiến lược hợp lý.