1.1.1. Công nghệ MIMO
Công nghệ MIMO đã được phát triển trong nhiều năm. Không chỉ cần xây dựng các khái niệm MIMO cơ bản, mà ngồi ra, cần phát triển các cơng nghệ mới để có thể triển khai đầy đủ MIMO. Cần có các cấp độ xử lý mới để cho phép một số tính năng của ghép kênh khơng gian cũng như tận dụng một số lợi ích của đa dạng không gian.
Cho đến những năm 1990, phân tập không gian thường bị giới hạn trong các hệ thống chuyển đổi giữa hai ăng-ten hoặc kết hợp các tín hiệu để cung cấp tín hiệu tốt nhất. Cũng có nhiều hình thức chuyển mạch chùm khác nhau được thực hiện, nhưng xét về các mức độ xử lý liên quan và mức độ xử lý sẵn có, các hệ thống nói chung là tương đối hạn chế.
Tuy nhiên, với các mức sức mạnh xử lý bổ sung bắt đầu có sẵn, có thể sử dụng cả phân tập không gian và ghép kênh không gian đầy đủ.
Công việc ban đầu trên hệ thống MIMO tập trung vào đa dạng không gian cơ bản - ở đây hệ thống MIMO được sử dụng để hạn chế sự suy giảm do lan truyền đa đường. Tuy nhiên, đây chỉ là bước đầu tiên khi hệ thống sau đó bắt đầu sử dụng truyền đa đường để tạo lợi thế, biến các đường dẫn tín hiệu bổ sung thành những gì có thể được coi là kênh bổ sung để mang dữ liệu bổ sung một cách hiệu quả.
Hai nhà nghiên cứu: Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ghép kênh không gian bằng MIMO vào năm 1993 và trong năm sau đó bằng sáng chế Hoa Kỳ của họ đã được cấp.
Tuy nhiên, Bell Labs đã trở thành người đầu tiên chứng minh một nguyên mẫu trong phịng thí nghiệm về ghép kênh khơng gian vào năm 1998.
Một kênh có thể bị ảnh hưởng bởi sự mờ dần và điều này sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Đổi lại, điều này sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi, giả sử dữ liệu kỹ thuật số đang được truyền. Nguyên tắc của phân tập là cung cấp cho máy thu nhiều phiên bản của cùng một tín hiệu. Nếu chúng có thể bị ảnh hưởng theo những cách khác nhau bởi đường dẫn tín hiệu, thì xác suất mà tất cả chúng
26
sẽ bị ảnh hưởng cùng một lúc sẽ giảm đáng kể. Theo đó, sự đa dạng giúp ổn định một liên kết và cải thiện hiệu suất, giảm tỷ lệ lỗi.
Một số chế độ đa dạng khác nhau có sẵn và cung cấp một số lợi thế:
• Phân tập thời gian: Sử dụng phân tập thời gian, một thơng báo có thể
được truyền vào các thời điểm khác nhau, ví dụ như sử dụng các khe thời gian và mã hóa kênh khác nhau.
• Phân tập tần số: Dạng phân tập này sử dụng các tần số khác nhau. Nó
có thể ở dạng sử dụng các kênh khác nhau, hoặc các cơng nghệ như trải phổ / OFDM.
• Đa dạng không gian: Đa dạng không gian được sử dụng theo nghĩa
rộng nhất của định nghĩa được sử dụng làm cơ sở cho MIMO. Nó sử dụng các ăng-ten đặt ở các vị trí khác nhau để tận dụng các đường dẫn vô tuyến khác nhau tồn tại trong mơi trường mặt đất điển hình.
MIMO thực sự là một cơng nghệ ăng-ten vơ tuyến vì nó sử dụng nhiều ăng-ten ở bộ phát và bộ thu để cho phép nhiều đường dẫn tín hiệu khác nhau để truyền dữ liệu, chọn các đường dẫn riêng biệt cho mỗi ăng-ten để cho phép sử dụng nhiều đường dẫn tín hiệu.
Một trong những ý tưởng cốt lõi đằng sau hệ thống không dây MIMO xử lý tín hiệu khơng-thời gian trong đó thời gian (kích thước tự nhiên của dữ liệu truyền thông kỹ thuật số) được bổ sung với kích thước khơng gian vốn có trong việc sử dụng nhiều ăng-ten phân bố theo không gian, tức là việc sử dụng nhiều ăng-ten đặt tại những điểm khác nhau. Theo đó, hệ thống khơng dây MIMO có thể được xem như một phần mở rộng hợp lý cho các ăng-ten thông minh đã được sử dụng trong nhiều năm để cải thiện không dây.
Nó được tìm thấy giữa máy phát và máy thu, tín hiệu có thể đi nhiều đường. Ngoài ra, bằng cách di chuyển các ăng-ten ngay cả một khoảng cách nhỏ, các đường dẫn được sử dụng sẽ thay đổi. Sự đa dạng của các đường dẫn có sẵn xảy ra do số lượng các đối tượng xuất hiện ở bên cạnh hoặc thậm chí trong đường dẫn trực tiếp giữa máy phát và máy thu. Trước đây, nhiều đường dẫn này chỉ dùng để gây nhiễu. Bằng cách sử dụng MIMO, những đường dẫn bổ sung này có thể được sử dụng để tạo lợi thế. Chúng có thể được sử dụng để cung cấp thêm độ chắc chắn cho liên kết vô tuyến bằng cách cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu hoặc bằng cách tăng dung lượng dữ liệu liên kết.
27
• Phân tập khơng gian: Phân tập không gian được sử dụng theo nghĩa
hẹp hơn này thường đề cập đến phân tập truyền và nhận. Hai phương pháp luận này được sử dụng để cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và chúng được đặc trưng bởi việc cải thiện độ tin cậy của hệ thống đối với các dạng phai màu khác nhau.
• Ghép kênh theo khơng gian: Dạng MIMO này được sử dụng để cung
cấp thêm dung lượng dữ liệu bằng cách sử dụng các đường dẫn khác nhau để mang thêm lưu lượng, tức là tăng khả năng thông lượng dữ liệu. Do việc sử dụng nhiều ăng-ten, cơng nghệ khơng dây MIMO có thể tăng đáng kể dung lượng của một kênh nhất định trong khi vẫn tuân theo định luật Shannon. Bằng cách tăng số lượng anten thu và phát, có thể tăng tuyến tính thơng lượng của kênh với mỗi cặp anten được thêm vào hệ thống. Điều này làm cho công nghệ không dây MIMO trở thành một trong những kỹ thuật không dây quan trọng nhất được sử dụng trong những năm gần đây. Khi băng thông phổ ngày càng trở thành một mặt hàng có giá trị hơn bao giờ hết đối với các hệ thống thông tin vô tuyến, các kỹ thuật cần thiết để sử dụng băng thơng có sẵn một cách hiệu quả hơn. Cơng nghệ khơng dây MIMO là một trong những kỹ thuật này.
Có thể sử dụng một số cấu hình hoặc định dạng MIMO khác nhau. Chúng được gọi là SISO, SIMO, MISO và MIMO. Các định dạng MIMO khác nhau này cung cấp những ưu điểm và nhược điểm khác nhau - chúng có thể được cân bằng để cung cấp giải pháp tối ưu cho bất kỳ ứng dụng nhất định nào.
Các định dạng MIMO khác nhau - SISO, SIMO, MISO và MIMO yêu cầu số lượng ăng-ten khác nhau cũng như có mức độ phức tạp khác nhau. Cũng tùy thuộc vào định dạng, có thể cần xử lý ở đầu này của liên kết hoặc đầu kia - điều này có thể có tác động đến bất kỳ quyết định nào được đưa ra.
Các dạng khác nhau của công nghệ ăng-ten đề cập đến một hoặc nhiều đầu vào và đầu ra. Chúng liên quan đến liên kết vô tuyến. Theo cách này, đầu vào là máy phát khi nó truyền vào đường liên kết hoặc đường dẫn tín hiệu, và đầu ra là máy thu. Nó nằm ở đầu ra của liên kết không dây.
do đó các dạng liên kết đơn / nhiều ăng ten khác nhau được định nghĩa như sau:
• SISO - Đầu vào Đơn Đầu ra Đơn
Dạng liên kết vơ tuyến đơn giản nhất có thể được định nghĩa theo thuật ngữ MIMO là SISO - Đầu vào Đơn Đầu vào Đơn. Đây thực sự là một kênh vô
28
tuyến tiêu chuẩn - máy phát này hoạt động với một ăng-ten cũng như máy thu. Khơng có sự đa dạng và khơng cần xử lý bổ sung.
Ưu điểm của hệ thống SIS là tính đơn giản của nó. SISO khơng u cầu xử lý về các hình thức đa dạng khác nhau có thể được sử dụng. Tuy nhiên, kênh SISO bị hạn chế về hiệu suất của nó. Nhiễu và làm mờ sẽ ảnh hưởng đến hệ thống nhiều hơn hệ thống MIMO sử dụng một số dạng phân tập và băng thông kênh bị giới hạn bởi định luật Shannon - thông lượng phụ thuộc vào băng thơng kênh và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.
• SIMO - Một đầu vào Nhiều đầu ra
Phiên bản SIMO hoặc Single Input Multiple Output của MIMO xảy ra khi máy phát có một ăng-ten và máy thu có nhiều ăng-ten. Điều này cịn được gọi là đa dạng nhận. Nó thường được sử dụng để cho phép một hệ thống máy thu nhận tín hiệu từ một số nguồn độc lập để chống lại các tác động của sự mờ dần. Nó đã được sử dụng trong nhiều năm với các trạm thu / nghe sóng ngắn để chống lại tác động của nhiễu và nhiễu tầng điện ly.
SIMO có ưu điểm là nó tương đối dễ thực hiện mặc dù nó có một số nhược điểm là yêu cầu xử lý ở bộ thu. Việc sử dụng SIMO có thể được chấp nhận trong nhiều ứng dụng, nhưng khi bộ thu được đặt trong thiết bị di động như điện thoại di động, mức độ xử lý có thể bị giới hạn bởi kích thước, chi phí và mức tiêu hao pin.
Có hai dạng SIMO có thể được sử dụng:
Phân tập chuyển mạch SIMO: Dạng SIMO này tìm kiếm tín hiệu mạnh
nhất và chuyển sang ăng-ten đó.
Tỷ lệ tối đa kết hợp SIMO: Dạng SIMO này nhận cả hai tín hiệu và tính
tổng chúng để tạo ra sự kết hợp. Bằng cách này, tín hiệu từ cả hai ăng-ten đóng góp vào tín hiệu tổng thể.
• MISO - Đầu ra đơn nhiều đầu vào
MISO còn được gọi là phân tập truyền. Trong trường hợp này, cùng một dữ liệu được truyền dự phịng từ hai ăng-ten của máy phát. Sau đó máy thu có thể nhận được tín hiệu tối ưu mà nó có thể sử dụng để nhận dữ liệu được yêu cầu trích xuất.
Ưu điểm của việc sử dụng MISO là nhiều ăng-ten và mã hóa / xử lý dự phòng được chuyển từ máy thu sang máy phát. Trong các trường hợp chẳng hạn
29
như UE của điện thoại di động, đây có thể là một lợi thế đáng kể về không gian cho các ăng-ten và giảm mức độ xử lý cần thiết trong máy thu để mã hóa dự phịng. Điều này có tác động tích cực đến kích thước, chi phí và tuổi thọ pin vì mức độ xử lý thấp hơn địi hỏi mức tiêu thụ pin ít hơn.
• MIMO - Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra
Khi có nhiều hơn một ăng-ten ở một trong hai đầu của liên kết vô tuyến, điều này được gọi là MIMO - Nhiều Đầu vào Nhiều Đầu ra. MIMO có thể được sử dụng để cải thiện cả độ bền của kênh cũng như thơng lượng kênh.
Để có thể hưởng lợi đầy đủ từ MIMO, cần có khả năng sử dụng mã hóa trên các kênh để tách dữ liệu khỏi các đường dẫn khác nhau. Điều này yêu cầu xử lý, nhưng cung cấp thêm độ mạnh của kênh / dung lượng thơng lượng dữ liệu. Có nhiều định dạng MIMO có thể được sử dụng từ SISO, qua SIMO và MISO cho đến các hệ thống MIMO đầy đủ. Tất cả đều có thể cung cấp những cải tiến đáng kể về hiệu suất, nhưng nhìn chung với chi phí xử lý bổ sung và số lượng ăng-ten được sử dụng. Cần phải cân bằng giữa hiệu suất so với chi phí, kích thước, q trình xử lý và thời lượng pin kết quả khi chọn đúng tùy chọn.
Biểu thị dạng đơn giản nhất của hệ thống MIMO: một trạm gốc trang bị một mảng M anten phục vụ một thiết bị đầu cuối (terminal) cũng được trang bị một mảng gồm K anten khác như Hình 1A. Trong đó, đối với đường truyền lên (uplink), luồng dữ liệu sẽ được xử lí trước khi đưa ra K anten phát của thiết bị máy trạm đầu cuối để gửi tới M anten của trạm gốc. Tại đây, trạm gốc sẽ sử dụng thông tin trạng thái kênh truyền (CSI – Channel State Information) đã được ước lượng trước đó để xử lí tín hiệu nhận được nhằm tách lấy tín hiệu cần thu. Ngược lại ở đường truyền xuống, thiết bị đầu cuối cũng phải có thơng tin trạng thái kênh truyền để tách tín hiệu mà trạm gốc truyền cho nó. Các thiết bị đầu cuối khác nhau được ghép kênh trực giao, ví dụ điển hình là nó kết hợp kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM – Time Division Multiplexing) và ghép kênh phân chia theo tần số (FDM – Frequency Division Multiplexing). Một vài thông tin lưu ý với hệ thống MIMO điểm – điểm được trình bày dưới đây.
Tổng quan về định luật Shannon:
Như đối với nhiều lĩnh vực khoa học, có một ranh giới lý thuyết, mà khơng thể tiến hành vượt quá giới hạn đó. Điều này đúng với lượng dữ liệu có thể được truyền dọc theo một kênh cụ thể khi có nhiễu. Luật điều chỉnh điều này được gọi là Luật Shannon, được đặt theo tên của người đã xây dựng nên nó. Điều này đặc
30
biệt quan trọng vì cơng nghệ khơng dây MIMO cung cấp một phương pháp không vi phạm pháp luật, nhưng tăng tốc độ dữ liệu vượt quá tốc độ có thể trên một kênh duy nhất mà khơng cần sử dụng nó.
Định luật Shannon xác định tốc độ tối đa mà dữ liệu khơng có lỗi có thể được truyền qua một băng thơng nhất định khi có nhiễu. Nó thường được thể hiện dưới dạng:
C = W log 2 (1 + S / N)
Trong đó C là dung lượng kênh tính bằng bit trên giây, W là băng thơng tính bằng Hertz và S / N là SNR (Tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn).
Từ đó có thể thấy rằng có một giới hạn cuối cùng về dung lượng của một kênh có băng thơng nhất định. Tuy nhiên trước khi đạt đến điểm này, dung lượng cũng bị giới hạn bởi tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu nhận được.
Theo quan điểm của những giới hạn này, nhiều quyết định cần được đưa ra về cách thức truyền tải được thực hiện. Sơ đồ điều chế có thể đóng một vai trị quan trọng trong việc này. Cơng suất kênh có thể được tăng lên bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế bậc cao, nhưng chúng địi hỏi tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn so với các sơ đồ điều chế bậc thấp. Do đó, tồn tại sự cân bằng giữa tốc độ dữ liệu và tỷ lệ lỗi cho phép, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và cơng suất có thể được truyền đi.
Trong khi một số cải tiến có thể được thực hiện về tối ưu hóa sơ đồ điều chế và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, những cải tiến này khơng phải lúc nào cũng dễ dàng hoặc rẻ tiền và chúng luôn là sự thỏa hiệp, cân bằng các yếu tố khác nhau liên quan. Do đó, cần phải xem xét các cách khác để cải thiện thông lượng dữ liệu cho các kênh riêng lẻ. MIMO là một cách mà thơng tin liên lạc khơng dây có thể được cải thiện và kết quả là nó đang nhận được một mức độ quan tâm đáng kể.
Trong mỗi kênh sử dụng, một vectơ tín hiệu được truyền đi tương ứng với một vectơ tín hiệu được nhận. Giả thuyết rằng tại thiết bị thu có nhận thêm tín
31
hiệu nhiễu trắng Gauss, công thức hiệu quả phổ liên kết (SE – Spectral Efficiency) có đơn vị b/s/Hz được tính dựa theo thuyết Shannon:
ul 2 C log ul H , M K = I + GG Cdl log2 dl H , K M = I + G G
Trong 02 biểu thức trên, tác giả đã kiểm tra dung lượng kênh truyền theo một đơn vị băng thơng (bits/s/Hz), và G là ma trận kích thước 𝑀 x 𝐾 đại diện cho đáp ứng tần số của kênh giữa mảng anten tại trạm gốc và mảng thiết bị đầu cuối; 𝜌𝑢𝑙 và 𝜌𝑑𝑙 là tỉ số cơng suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại đường truyền lên và đường truyền xuống, tỉ lệ thuận với tổng năng lượng bức xạ tương ứng; M là số lượng anten tại trạm gốc và K là số lượng anten tại thiết bị máy trạm. Vec tơ