Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian như V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ phân tập cực đại và độ lợi ghép kênh cực đại.
3.2 Lịch sử phát triển MIMO
Những nền tảng đầu tiên về mô hình hệ MIMO đã xuất hiện từ những năm 70 do A.R Kaye D.A George và W.Etten đề ra. Vào các năm 1984, 1986 Jack Winters và Jack Salz tại phòng thí nghiệm Bell Labs đã công bố một số bài viết về một số ứng dụng dùng kỹ thuật tạo búp sóng, được sử dụng trong hệ MIMO sau này.
Năm 1993, Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath đã đưa ra khái niệm hợp kênh không gian sử dụng MIMO. Đến năm 1994 họ được chính phủ Hoa Kỳ cấp bằng sáng chế cho những phát minh sử dụng hợp kênh không gian vào các ứng dụng truyền thông vô tuyến.
Năm 1996, một nhóm nghiên cứu từ đại học Stanford đã giới thiệu mô hình MIMO.
Tháng 9 năm 1998, những thành công đầu tiên của công nghệ trong phòng thí nghiệm đã được công bố bởi trung tâm nghiên cứu không dây thuộc Bell Labs ở New Jersey.
Tháng 6 năm 1999 chứng kiến những thành công trong việc chứng minh mô hình ngoài trời được giới thiệu bởi Gigabit Wireless Inc và đại học Stanford.
Tháng 9 năm 2002 Iospan Wireless Inc đưa ra sản phẩm thương mại đầu tiên. Sản phẩm này hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian.
Trong tương lai các ứng dụng dựa trên kỹ thuật MIMO hứa hẹn sẽ mang lại những hiệu quả to lớn trong lĩnh vực truyền thông cũng như đáp ứng được những yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng.
3.3 Những ưu điểm của hệ MIMO a. Hệ số dải a. Hệ số dải
Xét hệ thống SIMO gồm 1 anten phát và 2 anten thu, ở tại phía thu 2 anten sẽ nhận được những tín hiệu khác nhau s1 và s2 của cùng tín hiệu s được truyền đi. Hai tín hiệu thu được này có sự sai khác về biên độ và pha do sự khác nhau về điều kiện truyền dẫn. Thông tin trạng thái kênh truyền được biết một cách chính xác tại nơi thu, thuật toán xử lí tín hiệu có thể được áp dụng để kết hợp 2 tín hiệu s1 và s2 vì thế mà công suất tại nơi thu có thể được cải thiện.
Hình 3.2. Hệ số dải
Nói cách khác, SNR ở đầu ra là tổng của SNR trên các đường liên kết riêng biệt. cách tiếp cận này đạt được hệ số dải và chất lượng tín hiệu được nâng cao. Nói chung, hệ số dải được sử dụng để đo đạc sự tăng trung bình trong công suất tín hiệu thu. Hệ số dải của một hệ thống MIMO phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu và nó là một hàm số của giá trị riêng lớn nhất trong ma trận kênh truyền.
b. Hệ số phân tập
Khái niệm hệ số phân tập được định nghĩa chính xác hơn khi giới thiệu phương pháp mã hóa không gian thời gian. Chúng ta chỉ xem xét các vấn đề cơ sở tóm tắt ở đây. Một nhận xét chính xác rằng công suất tín hiệu truyền trên kênh truyền không dây 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. Phân tập chính là thể hiện sự thăng giáng của hệ thống không dây. Ý tưởng cơ sở bên cạnh phân tập là các phiên bản thu được của cùng một tín hiệu trên các đường liên kết riêng biệt (còn được coi là nhánh phân tập). khi mà 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 kì sẽ tăng lên. Phân tập hướng tới sự ổn định của đường liên kết không dây. Phân tập cũng hiện diện trong các đường liên kết SISO trong khuôn dạng phân tập thời gian hay phân tập tần số.
Hình 3.3. Phân tập tại nơi phát
Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu này phải trả giá bằng việc giảm tốc độ truyền và tăng băng thông hệ thống. một hệ thống có nhiều anten thu và phát có hiện tượng phân tập không gian. Có 2 loại phân tập không gian: phân tập phát và phân tập thu. Phân tập phát là khi mà nơi phát có nhiều anten tương tự với phân tập thu. Sử dụng phân tập phát không cần thiết phải biết trạng thái kênh truyền tại nơi phát. Tuy nhiên, thiết kế chính xác của tín hiệu phát cần có các thông số về phân tập. mã hóa không gian thời gian là một kĩ thuật truyền phân tập mạnh mẽ dựa trên việc lấy mã chéo trên 2 phương diện không gian và thời gian để tạo ra phân tập. phân tập thu được áp dụng khi mà có nhiều anten thu. Nhiều anten thu sẽ thu được các tín hiệu bản sao fade độc lập. kĩ thuật xử lí tín hiệu thích hợp được áp dụng vì thế mà các tín hiệu thu được có biên độ giảm nhiều hơn khi mà so sánh với hệ thống sử dụng một anten. Nói chung, ưu thế của kĩ thuật phân tập trong hệ MIMO đòi hỏi việc tổ hợp cả 2 phương thức phân tập phát và phân tập thu.
c. Hệ số hợp kênh
Như đã đề cập ở trên hệ số hopự kênh là chìa khóa mạnh mẽ được sử dụng trong mô hình MIMO nhằm nâng cao dung năng hệ thống. Tác động của hệ số hợp kênh là có thể được nhận được thông qua kĩ thuật hợp kênh không gian (hình 3.4)
d. Nhiễu
Nhiễu giao thoa trong hệ thống không dây giống như mạng điện thoại tế bào, nguyên lí cơ bản là việc sử dụng lại tần số được tận dụng để tăng dung lượng hệ thống. Không may là nhiễu đồng kênh CCI cũng xảy ra do chính việc sử dụng lại tần số. CCI được cộng thêm vào ồn của hệ thống và làm giảm hiệu năng của cả hệ thống.
Hình 3.4. Hợp kênh không gian
Hình 3.5 giải thích ý tưởng cơ bản của phương pháp giảm nhiễu giao thoa trong hệ thống MIMO với 2 máy thu. Tín hiệu mong muốn s và tín hiệu không mong muốn I đến tại bộ thu với kí hiệu phân chia không gian [s1s2]T và [i1i2]T tương ứng. bộ thu có thể lợi dụng sự khác nhau về không gian tín hiệu để giảm nhiễu, vì thế có thể tăng được tỉ số tín trên ồn signal to interference SIR. Việc giảm nhiễu giao thoa thường đòi hỏi kiến thức về kênh truyền không gian sử dụng phân chia bởi tín hiệu mong muốn và tín hiệu không mong muốn. việc giảm giao thoa cũng có thể được triển khai tại nơi phát thông qua kĩ thuật SDMA (space division multiple access). Mục đích là tăng cường công suất tín hiệu tại bộ thu và giảm cực tiểu ồn giao thoa giữa các kênh. Việc giảm nhiễu giao thoa cho phép sử dụng lại và tăng cường dung năng hệ thống.
Nói chung, hệ thống MIMO hứa hẹn mang lại hiệu quả phổ cao hơn hệ thống SISO. MIMO cũng mang lại đòn bẩy động lực tăng chất lượng truyền dẫn (tỉ lệ lỗi). tuy nhiên, nó có thể khó thực thi đồng thời trong hệ thống MIMO. Nguyên nhân chính là bậc không gian tự do có giới hạn và nguyên lí trao đổi hiện diện trong đó. Chiến lược tạo tín hiệu không gian thời gian tối ưu là một chức năng của kênh truyền không dây.
3.4 Mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO
Software Defined Radio (SDR) là một hệ truyền thông vô tuyến trong đó các thành phần đặc trưng trên phần cứng (Bộ lọc, bộ diều chế/giải điều chế, .v.v…) đều được sử dụng thông
qua các phần mềm trên máy tính hoặc các thiết bị kết nối với máy tính. Sau đây là mô hình tổng quát cho hệ đo thử kênh MIMO sử dụng FPGA. Hệ đo gồm một bộ phát và một bộ thu.
3.4.1. Bộ phát
Dữ liệu ở bộ phát được nhân với một chuỗi Walsh có chiều dài 32 cho mỗi đường độc lập của kênh MIMO 4x4. Một bộ lọc cosin-tăng được dùng để tạo dạng xung cho 4 tín hiệu băng cơ sở trước khi được đưa lên tần số trung gian IF. Một bản mạch sẽ đưa bốn dạng sóng IF (TXi, 1≤ i ≤ 4) lên dải tần RF 2.5 GHz để truyền trong không gian bằng hệ thống các ăngten phát.
Bộ phát cho kênh MIMO 4x4 hoạt động ở dải tần 902-928 MHz do ĐH Alberta, Canada đưa ra, sử dụng 4 ăngten có thể chỉnh khoảng cách, một kit FPGA Xinlinx Virtex- E2000, 4 bộ DAC 12 bit (AD9762) và 4 bộ ADC 12 bit (AD9432). FPGA có xung nhịp 50 Mhz, tạo 4 mã Walsh độ dài 32.Mỗi mã lặp lại liên tục với tần số 15,625 MHz và tốc độ chip mỗi kênh là 500kchip/s, chu kỳ chip tương ứng khoảng cách lan truyền 600m
trong môi trường. Tần số trung gian IF dược sử dụng là 12,5 MHz. Bốn đường tín hiệu IF này được đưa ra khỏi FPGA thông qua DAC (xung nhịp 50 MHz) và trở thanh tín hiệu tương tự. Tín hiệu này được đưa vào một bộ lọc thông thấp với tần số cắt 15 MHz. Bộ RF sẽ đưa 4 tín hiệu sóng độc lập IF này lên dải tần 902-928 MHz và phát ra ngoài không gian.
3.4.2 Bộ thu
Bộ thu bao gồm hệ nhiều ăngten thu như bên phát. Mỗi đường tín hiệu nhận được (RXi, 1≤i ≤4 ) sẽ được đưa từ giải tần RF xuống dải tần IF. Sau đó mỗi đường tín hiệu sẽ được lấy mẫu và được đưa thành 2 nhánh I, Q. Một bộ tương quan mã Walsh ở bên thu sẽ tiến hành lọc mã phù hợp, những dữ liệu tư mỗi đường sẽ được tương quan với mã Walsh tương ứng. Kết quả của quá trình lọc mã phù hợp sẽ được đưa qua bộ bình phương và cộng để đưa đến bộ tái tạo pha. Các kết quả này sẽ được đưa qua bộ biến đổi ADC để tính độ lớn. Từ các dữ liệu nhận được máy tính sẽ xác định ma trận kênh. Khi đã xác định được ma trận kênh, chúng ta hoàn toàn có thể tính chính xác hạng của ma trận kênh, từ đó tính được dung năng kênh truyền.
Bộ thu trong mô hình của ĐH Alberta, Canadasử dụng bộ hạ tần với 4 đường độc lập. Mỗi đường tín hiệu nhận được sẽ được đưa từ tần số RF xuống tần số IF 12,5 MHz bằng module RF. Sau đó được đưa vào bộ ADC của FPGA với xung nhịp 50 MHz. Các tín hiệu sau đó được đưa về băng cơ sở và được FPGA xử lý.
Chương 4
Kết quả thực nghiệm
Đo kênh MIMO là một bài toán phức tạp, không chỉ đòi hỏi việc nắm chắc các lý thuyết về truyền tin, xử lý tín hiệu,.v.v… mà bên cạch đó cũng cần những kỹ năng thành thạo trong việc sử dụng các công cụ thiết kế. Vì vậy trong bài luận văn này em sẽ chỉ trình bày một số các kết quả đã thực hiện được trong thời gian vừa qua. Cụ thể, đó là sử dụng FPGA để thiết kế bộ đưa tin hiệu từ băng cơ sở lên tần số trung gian IF ở bên phát và hạ tần tín hiệu từ tần số trung gian về băng cơ sở ở bên thu.
4.1 Cơ sở lý thuyết
Giả sử bên phát ta có tín hiệu với biên độ A. Tín hiệu này được nhân với sóng sin có tần số trung gian IF (12,5 MHz): Sin(ωt). Ta có tín hiệu truyền đi là A sin(ωt). Ở bên thu ta phát hai tín hiệu Sin, Cos có cùng tần số IF như bên phát. Nhưng do trong quá trình truyền có sự lệch pha giữa bên thu và bên phát nên hai bên sẽ không cùng pha và giả sử tín hiệu bên thu và phát lệch nhau φ ta có hai tín hiệu tạo ra bên thu là Sin(ωt+φ) và Cos(ωt+φ). Tại bên thu ta nhân tín hiệu nhận được với hai tín hiệu này ta có:
A sin(ωt). Sin(ωt+φ) = 12 A [cosφ-cos(2ωt+φ)]
A sin(ωt).Cos(ωt+φ) = 12 A[sinφ + sin(2ωt+φ)]
Như vậy trong hai phương trình trên ta thấy có hai thành phần, trong đó có thành phần tần số cao 2f= 25 MHz. Sử dụng bộ lọc thông thấp ta sẽ loại bỏ được thành phần này và thu được hai nhánh I, Q ở băng cơ sở A cosφ và Asinφ. Như vậy tín hiệu nhận được sẽ cùng dạng với tín hiệu bên thu nhưng biên độ giảm do có yếu tố lệch pha.
4.2 Mô hình thiết kế
4.2.1 Mô hình bên phát
Hình 4.1. Mô hình bên phát
-Walsh code generator: bộ phát chuỗi Walsh 8 bit, tốc độ 800k -Data generator: bộ phát dữ liệu tốc độ 100k
-IF generator: bộ phát sóng sin tần số 12,5 MHz (IF)
Tín hiệu cần truyền được nhân với tín hiệu Walsh để tương quan ở bên thu. Tín hiệu sau khi nhân sẽ được đưa lên tần số trung gian IF (12,5 MHz) bằng cách nhân với tín hiệu IF lấy từ bộ IF Generator. Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ DAC2 trở thành tín hiệu tương tự (Signal out) và truyền đi.
4.2.2 Mô hình bên thu
Hình 4.2. Mô hình bên thu
-IF Sin generator: Bộ phát sóng sin có tần số IF (12,5 MHz) -IF Cos generator: Bộ phát sóng cos có tần số IF (12,5 MHz)
Tín hiệu nhận được từ ở bên thu qua ADC2 trở thành tín hiệu số. Tín hiệu này được nhân lần lượt với bộ phát sóng sin và cos có tần số IF. Hai tín hiệu sau khi nhân được đưa qua bộ lọc thông thấp để lọc hết các tần số cao và cho các tín hiệu băng cơ sở.
Hình 4.3. Mô phỏng bên phát
Hình 1: Tín hiệu Sin với tần số trung gian IF (12,5 MHz) Hình 2: Tín hiệu sau khi đã nhân với Walsh
Hình 4.4. Mô phỏng bên thu khi có trễ (φ≠0)
Hình 1: Tín hiệu nhận được.
Hình 2: Tín hiệu nhận được sau khi nhân với tín hiệu Sin tần số IF. Hình 3: Tín hiệu nhánh Q nhận được sau khi lọc.
Hình 4: Tín hiệu nhận được sau khi nhân với tín hiệu Cos tần số IF. Hình 5: Tín hiệu nhận nhánh I nhận được sau khi lọc.
Hình 4.5. Mô phỏng bên thu khi không có trễ (φ=0)
Hình 1: Dữ liệu trước khi đưa lên tần số IF.
Hình 2: Nhánh Q có dạng giống dữ liệu nhưng biên độ nhỏ hơn. Hình 3: Nhánh I xấp xỉ bằng 0 (do φ=0 nên sinφ=0).
4.4 Kết quả thực nghiệm trên FPGA
Hiện nay kỹ thuật MIMO vẫn thu hút đuợc sự quan tâm của các nhà khoa học, các viện nghiên cứu, các trường đại học nhằm khắc phục các yếu điểm của truyền thông vô tuyến cũng như hướng tới một môi trường truyền dẫn với dung lượng khổng lồ mà hệ thống nhiều anten trong kênh truyền MIMO có thể mang lại. Trong tương lai, kỹ thuật này hứa hẹn sẽ mở ra một triển vọng mới cho các thiết bị không dây với đường truyền tốc độ cao khi các ứng dụng của MIMO đi vào thực tế. Vì vậy, việc tiến hành đo kênh MIMO trong môi trường indoor là một việc cần thiết để có thể đánh giá được kênh truyền. Do đây là một bài toán phức tạp, đòi hỏi những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều chế cũng như các kỹ thuật xử lý tín hiệu nên việc sử dụng FPGA để thiết kế mô hình đo kênh là một giải pháp hợp lý. Đặc biệt với điều kiện phòng thí nghiệm được sở hữu các bộ KIT tốc độ cao của Xilinx và các công cụ xử lý rất mạnh là một lợi thế cho các nhà thiết kế. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phân tích các kỹ thuật sử dụng trong hệ MIMO, đồng thời làm chủ FPGA, tiến tới sử dụng FPGA để hoàn thiện mô hình thiết kế hệ Testbed cho kênh MIMO 4 x 4 trong điều kiện indoor.