Sau khi DVB T2 ra đời các hiện các nước trên thế giới đã thành công trong việc chuyển đổi hệ thống truyền hình sang truyền hình số mặt đất DVB T2, có thể tham khảo hình dưới đây:
Hình 3.1 Tỷ lệ ứng dụng DVB-T2 trên thế giới
Các xu hướng nghiên cứu để cải thiện, nâng cấp DVB T2 có thể tóm tắt các hướng chính sau:
Dựa trên kỹ thuật MIMO
MIMO được công nhận rộng rãi như là một cách hiệu quả nâng cao năng lực hệ thống và nâng cao độ tin cậy truyền tải . Ngày nay, MIMO và OFDM được trở thành hai công nghệ không thể thiếu trong lớp vật lý cho hầu hết các hệ thống truyền dẫn mới (DVB T2, DVB S2…)
Khi hầu hết các DTTB thế hệ đầu tiên tiêu chuẩn đã được thành lập trong những năm 90 của thế kỷ 20 , MIMO chỉ là một kỹ thuật mới mẻ tại thời điểm đó, do đó, những tiêu chuẩn đã không cân nhắc dùng MIMO . Tuy nhiên , với sự phát
triển nhanh chóng công nghệ MIMO , nhiều nghiên cứu và thí nghiệm đã được tiến hành cho các hệ thống DVB-T để cải thiện hiệu suất hệ thống . Kết quả kiểm tra thực địa chứng minh rằng nếu sử dụng bốn ăng-ten thu, tỷ lệ signal-to-noise (SNR) ngưỡng ở phía nhận có thể được giảm 6 dB khi tốc độ di động 500 km / h được hỗ trợ bởi DVB-T, và HDTV rất khả thi trong môi trường di động với 64 QAM qua ISDB-T.
Cơ hội thách thức cũng là xu hướng để cải thiện nâng cao khả năng cho các hệ thống MIMO quy mô lớn bao gồm:
Các vị trí ăng-ten thích hợp để đảm bảo cho các kênh MIMO độc lập (Polarization Diversity)
Các thuật toán tín hiệu phức tạp thấp cho việc triển khai thực tế (low- complexity signal algorithms)
Việc ước lượng kênh (channel estimation scheme) của các ma trận kênh MIMO kích thước lớn.
3.1.1 Những ƣu điểm khi ứng dụng MIMO
Như đã giới thiệu trong phần 1.2 của chương 1, phần này chúng ta sẽ đi làm rõ hơn những lợi ích hay ưu điểm khi ứng dụng MIMO trong hệ thống.
Độ lợi dàn (Array gain)
Độ lợi dàn làm tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu CNR (carrier-to-noise-ratio) với sự kết hợp chặt chẽ tại phía nhận (bổ sung tín hiệu đồng pha và trọng số). Sự kết hợp chặt chẽ của các tín hiệu nhận được yêu cầu thông tin trạng thái kênh (CSI) thường thu được bằng cách bám theo các thay đổi của kênh với việc truyền tải tín hiệu dẫn đường (pilot). Trong khi SIMO kết hợp các tín hiệu tại mỗi anten thu, độ lợi mạng là ở phía truyền; Tuy nhiên nó đòi hỏi phía truyền phải biết một kênh phản hồi mà không có sẵn trong hệ thống phát thanh truyền hình. Nếu sử dụng anten có cùng phân cực (co-polar), mỗi lần số lượng anten thu tăng gấp đôi thì độ lợi sẽ tăng 3dB. Đối với anten phân cực chéo (cross-polar), độ tăng ích phụ thuộc vào sự phân
biệt của phân cực chéo XPD, sự hiện diện của phân cực không phù hợp với phía nhận và không đối xứng khi truyền giữa các anten.
Độ lợi phân tập
Các tín hiệu fading xuất hiện trong các kênh đa đường có thể làm giảm đáng kể chất lượng của dịch vụ nhận được trong các hệ thống SISO. Truyền tải thông tin tương tự nhau qua không gian làm giảm xác suất mất kênh tín hiệu, nâng cao độ tin cậy của việc truyền tải. Điều này được gọi là độ lợi phân tập. Mối tương quan giữa các kênh fading quyết định độ lợi phân tập tối đa có thể được trích xuất.Trong khi kênh fading độc lập cho độ lợi tối đa, kênh fading có tính tương quan cao, ví dụ như trong điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) lớn thì độ lợi phân tập giảm.
Độ lợi ghép kênh
Ngoài độ lợi dàn và độ lợi phân tập, các kênh MIMO có thể tăng dung lượng hệ thống bằng cách truyền luồng dữ liệu độc lập qua các anten phát. Điều này gọi là độ lợi ghép kênh và nó phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái của kênh. Trên một góc độ khác, fading không gian độc lập cho phép việc tách luồng dữ liệu hỗn hợp ở phía nhận và cung cấp độ lợi ghép kênh không gian tối đa. Ở một khía cạnh khác, với sự tương quan hoàn toàn giữa không gian đa đường (điều kiện tầm nhìn thẳng hoàn toàn) chỉ có độ lợi dàn trên các kênh MIMO, tức không phải là độ lợi ghép kênh hay độ lợi phân tập.
Kiến trúc ghép kênh không gian khai thác tất cả các lợi ích của kênh MIMO bởi vì chúng sử dụng tất cả các cấp độ tự do có sẵn (Degree-of-freedom). Cấp độ tự do có sẵn của 1 kênh được định nghĩa là kích thước của không gian tín hiệu nhận được. Hơn nữa với sự phụ thuộc vào đặc tính kênh, độ lợi MIMO khác nhau tùy vào dải hoạt động của CNR. Giả sử kênh MIMO Fading Rayleigh có tương ứng N, M anten truyền và nhận, dung lượng MIMO trong dải CNR cao được chứng minh bởi Foschini[3] xấp xỉ như sau:
Với dung lượng C tăng quyết định bởi số anten truyền nhận tối thiểu. Kênh này được cho là cung cấp 1 số nhỏ nhất các giá trị {M,N} cấp tự do có sẵn và đặc trưng cho số đường độc lập trong không gian có thể được mở thông qua các kênh MIMO để truyền các tải luồng độc lập và tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Mặt khác, trong chế độ CNR thấp dung lượng MIMO được tính xấp xỉ theo công thức:
(3.2)
Với dung lượng C tỷ lệ thuận với số lượng các anten thu. Hơn nữa trong toàn bộ dải CNR dung lượng tăng tuyến tính với N trong hệ thống NxN MIMO. Chúng tôi lưu ý rằng tổng công suất phát được phân bố đều trên tất cả N anten truyền.
3.1.2 Mô hình kênh MIMO cho DVB-NGH
Trường hợp điển hình mà các kênh MIMO có thể gần đúng với kênh fading Rayleigh độc lập là sự kết hợp cùng phân cực của anten truyền và nhận, trong 1 môi trường nhiều tán xạ nơi mà rất nhiều thành phần đa đường được thiết lập. Một ví dụ thực tế có thể thấy là trong nhà có một phòng thí nghiệm hay văn phòng với nhiều thiết bị tán xạ vật lý. Mặc dù xu hướng để phân tập tối đa trong một môi trường hỗn loạn, một bất lợi của cấu hình các anten cùng phân cực là sự suy giảm lớn trong môi trường truyền thẳng LOS. Hơn nữa, ở dải tần số UHF, sự tách biệt anten là cần thiết trong trường hợp cùng phân cực để cung cấp tín hiệu fading độc lập vừa đủ phù hợp với kích thước của các thiết bị cầm tay. Vì nhiều lý do trong DVB-NGH thay vì một cấu hình phân cực chéo 2x2 thì sử dụng 2 không gian anten cùng cùng cực thống nhất, bởi một cấu trúc không gian chỉ hiệu quả duy nhất với 2 anten phân cực trực giao, mà hơn nữa là cải thiện việc tiếp nhận trong điều kiện LOS.
Các mô hình kênh MIMO sử dụng trong quá trình tiêu chuẩn DVB-NGH được phát triển từ một chiến dịch diễn ra tại Helsinki vào tháng 6 năm 2010. Mục tiêu chính là để có được một mô hình kênh MIMO phân cực chéo ở tần số UHF giúp cho việc đánh giá hiệu suất thu được bằng kỹ thuật đa anten trong điều kiện thực tế. Chiến dịch đo đạc này là một trong những mô hình đầu tiên với một cấu hình anten phân cực chéo trong dải tần UHF. Đặc biệt với mô hình này đã đề xuất
Đối với trường hợp điện thoại di động, người sử dụng ở vận tốc 350 km/h hay 60 km/h đều có thể sử dụng được, trong khi với thiết bị di động là 3 km/h hay 0 km/h. Các kênh đều có 8 taps với các giá trị khác nhau của trễ và độ lợi công suất. Với mỗi kênh, hệ số XPD mô tả sự kết nối năng lượng giữa các đường phân cực chéo, hệ số K mô tả tỷ lệ năng lượng giữa các thành phần LOS và nLOS, ma trận phương sai mô tả mối tương quan giữa các anten. Thêm vào đó bổ sung cho anten xoay và bất đối xứng cũng bao gồm cả 2 mô hình trong nhà và ngoài trời. Đặc biệt, một ma trận xoay mô tả sự hiện diện của phân cực không phù hợp giữa các anten truyền và nhận, trong khi một ma trận đối xứng mô tả sự hiện diện của sự mất cân bằng giữa các phân cực khác nhau ở phía anten phát.
3.1.3 Đặc điểm hoạt động của MIMO
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. Tuy nhiên, việc thực hiện nó đòi hỏi xử lý tín hiệu phức tạp hơn và hơn nữa có thể cần nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng hiện có.
Giải điều chế MIMO
Thiết bị nhận sẽ phải giải điều chế tín hiệu nhận được để cung cấp các thông tin cho bộ giải mã kênh. Chức năng này thực hiện bởi các bộ giải ánh xạ và để khai thác các lợi ích cung cấp bởi công nghệ MIMO, nó là điều cần thiết để triển khai các thuật toán giải điều chế MIMO có hiệu suất cao. Tuy nhiên, thuật toán như vậy thường kéo theo độ phức tạp cao. Do đó, một khía cạnh quan trọng trong thiết kế hệ thống MIMO là sự cân bằng giữa độ phức tạp và hiệu năng. Tối ưu hậu nghiệm tối đa (MAP) giải ánh xạ giảm thiểu xác suất lỗi bit, nhưng sự phức tạp của nó tăng theo cấp số nhân với số lượng anten phát. Để giảm bớt sự phức tạp của các bộ giải ánh xạ MAP, xấp xỉ max-log có thể thay thế bằng logarit của một tổng các hàm mũ bằng cách tính khoảng cách tối thiểu. Trong khi hiệu quả xấp xỉ này thường là nhỏ, sự phức tạp vẫn còn tỷ lệ với cấp số nhân của số anten phát.
dụng một bộ cân bằng tuyến tính trong tín hiệu nhận bằng cách hủy bỏ nhiễu đa luồng, do đó chuyển các vấn đề trên MIMO thành các vấn đề với SISO độc lập. Các thiết bị thu ZF loại bỏ sự can nhiễu đa luồng bằng cách tăng giá trị của nhiễu, trong khi thiết bị thu MMSE cho ra một sự cân bằng giữa loại bỏ nhiễu và tăng cường nhiễu. Sự phức tạp của các bộ giải ánh xạ tỷ lệ với đa thức của số anten phát, tức là có thể đạt được sự giảm độ phức tạp một đáng kể so với tối ưu hóa bộ giải ánh xạ.
Trong MIMO-BICM với việc giải mã lặp đi lặp lại, tín hiệu đầu ra của bộ giải mã kênh sẽ được đưa trở lại bộ giải ánh xạ MIMO để cải thiện việc phát hiện. Chúng tôi lưu ý rằng lặp đi lặp lại giải mã chỉ ảnh hưởng đến phía nhận và do đó không cần các sửa đổi trong các tiêu chuẩn và ở phía phát. Tuy nhiên, sự phức tạp của tối ưu hóa bộ giải ánh xạ MIMO cùng với giải mã lặp đi lặp lại là quá nhiều trong các ứng dụng thực tế.
Hoạt động triển khai mạng
Ngoài ra, việc khai thác MIMO có thể yêu cầu nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng hiện có bởi hiện mới chỉ sử dụng đơn anten truyền và nhận. Trong khi MIMO loại 1 có thể được áp dụng trong các máy phát SFN để tái sử dụng các cơ sở hạ tầng mạng hiện tại với 1 anten thu duy nhất, việc sử dụng MIMO loại 2 yêu cầu đầu tư bổ sung ở cả 2 phía của truyền dẫn. Tại phía thu, nó bắt buộc phải tích hợp 2 anten để giải điều chế tín hiệu. Tại phía phát, cơ sở hạ tầng mạng yêu cầu bổ sung thêm một số thành phần như: anten phân cực chéo, hệ thống làm mát, cung cấp RF, bộ cộng và khuếch đại.
Hơn nữa, các đặc điểm kỹ thuật trong DVB-NGH xác định việc thực hiện các kỹ thuật MIMO chỉ như 1 profile tùy chọn, do đó nó không phải là bắt buộc đối với tất cả phương thức truyền dẫn DVB-NGH. Các profile tiêu chuẩn chỉ sử dụng 1 anten truyền dẫn và cho phép triển khai mạng MIMO tùy theo nhu cầu thị trường. Do đó dễ dàng di chuyển từ mạng truyền hình quảng bá SISO sang mạng MIMO mới mà đòi hỏi phải có cả 2 anten cho truyền và nhận, nó hữu ích ở chỗ là hỗ trợ việc giảm công suất phát của anten đã có một chút và thêm vào một anten phát thứ 2 với công suất tối thiểu không ảnh hưởng đến sự suy giảm hiệu suất của thiết bị
nhận. Với đặc điểm nó vẫn duy trì độ lợi MIMO trên cả 2 thiết bị thu cũ và mới có thể tương thích với chuẩn mới (DVB-NGH) trong mạng hiện tại (trong trường hợp này là DVB-T2). Với phương án này, kiến trúc MIMO loại 2 được thiết kế để đưa vào tình huống mất cân bằng công suất làm giảm hiệu năng.
3.1.4 Ứng dụng kỹ thuật MIMO trong DVB-NGH
Phƣơng án sử dụng MIMO loại 1 (MIMO rate 1) cho DVB-NGH
Đối với MIMO loại 1, DVB-NGH cũng sử dụng mã hóa Alamouti đặc trưng trong DVB-T2, cùng với một đề xuất mới nâng cao mạng đơn tần gọi là eSFN (enhanced Single Frequency Networks). Mã Alamouti là một phương án MIMO được thiết kế để tăng sự phân tập trong các hệ thống với 2 anten truyền. Trong các hệ thống OFDM, nó hoạt động bằng cách mã hóa theo cặp các symbol chứa thông tin của các sóng mang con liền kề. Các mã Alamouti sử dụng để đạt được đầy đủ sự phân tập với việc giảm độ phức tạp yêu cầu tại phía máy thu. Để sử dụng mã Alamouti cần thực hiện xen kẽ hoặc trực giao các pilot giữa các anten, vì vậy phía nhận có thể ước lượng đáp ứng kênh từ mỗi anten phát. Điều này có nghĩa là số lượng các pilot phải tăng gấp đôi cho cùng không gian của ước lượng kênh truyền. Việc sử dụng thêm các pilot làm giảm số lượng các sóng mang sử dụng cho mang thông tin và do đó làm giảm dung lượng hệ thống. Các mã Alamouti cũng có thể được sử dụng trong các cặp máy phát theo yêu cầu để cải thiện khả năng tiếp nhận trong mạng SFN. Sự xuất hiện của tín hiệu có cường độ tương tự nhau từ các máy phát khác nhau trong điều kiện LOS có thể gây ra các vùng lõm sâu trong tần số đáp ứng của kênh truyền. Những vùng lõm này có thể xóa đi một tỷ lệ đáng kể các sóng mang con và làm suy giảm QoS một cách nghiêm trọng. Bằng cách sử dụng mã hóa Alamouti trong việc phân phối nó có thể kết hợp với các tín hiệu từ các máy phát khác nhau một cách tối ưu và loại bỏ sự hiện diện của vùng lõm trong kênh truyền.
Ý tưởng chính của eSFN là áp dụng 1 hàm tuyến tính độ méo trước để mỗi anten theo cách như vậy không thấy được trong ước lượng kênh truyền. Kỹ thuật này làm tăng sự phân tập tần số của kênh mà không cần các mẫu pilot cụ thể hoặc xử lý tín hiệu để giải điều chế. eSFN cũng rất thích hợp trong việc sử dụng một
tác động tiêu cực gây ra bởi các thành phần LOS trong mạng. Ngoài ra, bằng cách sử dụng hàm độ méo trước khác nhau trong mỗi máy phát, nó có thể cho phép để xác định máy phát duy nhất trong mạng, ví dụ có thể sử dụng nó cho các ứng dụng giám sát.
Hình 3.2 minh họa sự kết hợp của MISO Alamouti và eSFN trong chuỗi truyền dẫn tương tự nhau. Các anten truyền đầu tiên chỉ áp dụng eSFN biến thiên tuyến tính (điều chế khác pha cùng tần số) trong khi các anten truyền thứ 2 áp dụng cả xử lý MISO (mã hóa Alamouti theo hướng tần số) và eSFN. Các hộp màu sau khi xử lý eSFN minh họa các pha điều chế khác nhau cho cùng máy phát (mỗi anten phát là khác nhau trong mạng). Sự kết hợp cả 2 kỹ thuật làm tăng sự phân tập tần số của tín hiệu nhận được trong các kênh phân tập thấp do eSFN, và sự kết hợp không gian phân tập từ các mã Alamouti trong các kênh phân tập cao.
Hình 3.2 Xử lý tín hiệu MIMO loại 1 với sự kết hợp của MISO Alamouti và eSFN
Phƣơng án sử dụng MIMO loại 2 (MIMO rate 2) cho DVB-NGH