Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Giải pháp nâng cao hiệu năng và cải thiện dung lượng hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

Mục đích của Luận án là nghiên cứu đề xuất kiến trúc định hướng đa búp sóng ứng dụng cho truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn, cải thiện dung lượng cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ TRUNG TẤN

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG

HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ TRUNG TẤN

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG

HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO

Ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG

Hà Nội – 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Giáo viên hướng dẫn khoa học

PGS TS Nguyễn Hữu Trung

Hà Nội, ngày… tháng….năm 2021

Tác giả luận án

Lê Trung Tấn

LỜI CẢM ƠN

Luận án tiến sĩ này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy về định hướng khoa học, chỉ dẫn thực hiện những nhiệm

vụ cần thiết cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để công trình nghiên cứu này được hoàn thành

Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử - Viễn thông, Bộ môn Điện tử hàng không

vũ trụ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã thông cảm, động viên giúp đỡ nghiên cứu sinh có thêm nghị lực để hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

Lê Trung Tấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Tính cấp thiết của đề tài 2

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 3

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 3

3.2 Đối tượng nghiên cứu 3

3.3 Phạm vi nghiên cứu 3

3.4 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Các đóng góp khoa học của luận án 4

5 Bố cục của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Tổng quan về truyền hình số mặt đất và các kỹ thuật đã đề xuất 6

1.2.1 Tổng quan về truyền hình số mặt đất 6

1.2.2 Các giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất để tiêu chuẩn hóa truyền hình số thế hệ tiếp theo 7

1.2.2.1 Cấu hình cơ sở 7

1.2.2.2 Cấu hình MIMO 12

1.2.2.3 Cấu hình lai mặt đất và vệ tinh 12

1.2.2.4 Cấu hình lai mặt đất vệ tinh MIMO 13

1.2.3 Những vấn đề còn tồn tại 14

1.3 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo 14

1.3.1 Hệ thống MIMO 14

1.3.1.1 Dung lượng hệ thống MIMO 15

1.3.1.2 Ưu điểm hệ thống MIMO 16

1.3.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn 17

1.3.2.1 Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập 19

1.3.2.2 Lắp đặt số lượng ăng-ten lớn 19

1.3.2.3 Nhận tín hiệu/ Ước lượng kênh 19

1.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming) 20

1.3.3.1 Kỹ thuật định hướng búp sóng tương tự 20

1.3.3.2 Kỹ thuật định hướng búp sóng số 22

1.3.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng lai 23

1.3.4 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo 26

1.5 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG DVB-NGH BẰNG ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG VÀ PHÂN NHÓM NGƯỜI DÙNG 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Mô hình kiến trúc định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống 30

2.2.1 Mô hình hệ thống 30

2.2.1.1 Mô hình tín hiệu 30

2.2.1.2 Định hướng búp sóng tối ưu thống kê 32

2.2.2 Định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống 37

2.2.2.1 Mô tả bài toán giảm bậc 37

2.2.2.2 Phát biểu bài toán giảm bậc và xử lý bài toán 37

2.2.2.3 Phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí Min-Max 39

2.2.3 Kết quả mô phỏng 40

2.2.3.1 Phương pháp mô phỏng 40

2.2.3.2 Các kịch bản và kết quả mô phỏng 41

2.3 Đề xuất hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH 48

2.3.1 Các cấu hình MIMO trong mạng đơn tần 48

2.3.2 Mô hình tín hiệu 51

2.3.3 Mô hình kênh massive MIMO 53

2.3.4 Đề xuất tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng55 2.3.5 Kết quả mô phỏng 56

2.4 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo 61

2.4.1 Mô hình hệ thống 61

2.4.1.1 Mô hình tín hiệu 61

2.4.1.2 Mô hình kênh 62

2.4.2 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng 64

2.4.3 Kết quả mô phỏng 68

2.5 Kết luận chương 71

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG DVB-NGH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG LAI VÀ GHÉP KÊNH KHÔNG GIAN MIMO PHÂN CỰC KÉP 72

3.1 Đặt vấn đề 72

3.2 Mô hình tín hiệu bộ phát và thu hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số-tương tự 73

3.3 Mô hình định hướng đa búp sóng 76

3.4 Mô hình kênh 76

3.5 Phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian phân cực kép 78

3.5.1 Thiết kế bộ tiền mã hóa số và tương tự ứng dụng MIMO phân cực kép ở máy phát 78

3.5.2 Thiết kế máy thu ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 80

3.5.2.1 Máy thu 80

3.5.2.2 Hiệu năng hệ thống 81

3.5.2.3 Ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 trong DVB-NGH 81

3.6 Kết quả mô phỏng 84

3.7 Kết luận chương 89

KẾT LUẬN 91

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu hình DVB-NGH cơ sở BICM [9] 8

Hình 1.2 Ví dụ kịch bản điều chế phân cấp [9] 10

Hình 1.3 Mô hình hệ thống MIMO 15

Hình 1.4 Mô hình hệ thống MIMO quy mô lớn 18

Hình 1.5 Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng tương tự [45] 21

Hình 1.6 Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng số [45] 23

Hình 1.7 Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng lai [45] 24

Hình 2.1 Hệ định hướng búp sóng 30

Hình 2.2 Bộ định hướng Frost Beamformer 35

Hình 2.3 Cầu hình của ăng-ten mảng ULA 41

Hình 2.4 Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SNR thay đổi từ -30 ÷10dB 43

Hình 2.5 Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SIR thay đổi 45

Hình 2.6 Đồ thị biến thiên của NRMSE khi góc sai lệch giữa hướng 46

Hình 2.7 Đồ thị biến thiên của NRMSE theo số lượng ăng-ten 48

Hình 2.8 Truyền dẫn MIMO một trạm gốc 49

Hình 2.9 Truyền dẫn MISO phân tán 50

Hình 2.10 Sơ đồ truyền dẫn MIMO hai trạm gốc 50

Hình 2.11 Kiến trúc MIMO kết hợp vệ tinh 51

Hình 2.12 Kịch bản định hướng đa búp sóng dựa trên nhiều ăng-ten mảng hình trụ 52

Hình 2.13 Đề xuất sơ đồ khối chức năng hệ thống định hướng đa búp sóng 55

Hình 2.14 NRMSE theo SNR (a,b), số lượng ăng-ten (c) của hệ thống massive MIMO được đề xuất 58

Hình 2.15 Đồ thị búp sóng kép và búp sóng đơn với MVDR (a, b), búp sóng kép với Frost Beamformer (c,d) của hệ thống massive MIMO được đề xuất 61

Hình 2.16 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống đề xuất 62

Hình 2.17 Nhóm người dùng bằng điều khiển băng thông 64

Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán phân nhóm người dùng 66

Hình 2.19 Tổng tốc độ so với số lượng người dùng bằng các kỹ thuật định hướng búp sóng khác nhau 69

Hình 2.20 Tổng tốc độ với số lượng chùm tia ban đầu bằng các kỹ thuật định hướng búp sóng khác nhau 70

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số-tương tự 74

Hình 3.2 Bộ tiền mã hóa MIMO phân cực kép 78

Hình 3.3 Sơ đồ bộ thu DVB-NGH MIMO rate-2 82

Hình 3.4 Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế 64-QAM và 256-QAM với kích thước FFT là 8K và 16K cho số lượng phần tử ăng-ten phát M khác nhau ở bộ tiền mã hóa tương tự 86

Hình 3.5 Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế 256-QAM và kích thước FFT là 16K cho các ăng-ten phát khác nhau M = 1,

2, 4, 8 87Hình 3.6 Tốc độ dữ liệu đạt được với các ăng-ten phát khác nhau ở chế độ MIMO rate-2 với sơ đồ điều chế 64-QAM và mã hóa trong LDPC 8/15 88Hình 3.7 Tốc độ dữ liệu đạt được với các ăng-ten phát khác nhau ở chế độ MIMO rate-4 với sơ đồ điều chế 64-QAM và mã hóa trong LDPC 8/15 88Hình 3.8 Mô hình búp sóng của sơ đồ tạo chùm tia được đề xuất: (a) MT = 8, MR = 2 cho chế độ MIMO rate-2, (b) MT = 16, MR = 4 cho chế độ MIMO NS = 4 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các cấu hình hybrid MIMO [9] 14

Bảng 2.1 Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi 42 Bảng 2.2 Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi 44

Bảng 2.3 Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi 45

Bảng 2.4 Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi thay đổi số lượng ăng-ten 47

Bảng 2.5 Các tham số mô phỏng 56

Bảng 2.6 Các tham số mạng mô phỏng 69

Bảng 3.1 Tham số mã hóa dữ liệu cho DVB-NGH [11] 74

Bảng 3.2 Các chế độ chòm sao xoay trong DVB-NGH [11] 75

Bảng 3.3 Các trường hợp nghiên cứu 84

Bảng 3.4 Các tham số mô phỏng 84

BICM Bit Interleaved Coded Modulation Điều chế mã hóa có xáo trộn bít

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

C/N Ratio of RF or IF signal power to

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra độ dư thừa vòng CSI Channel State Information Trạng thái kênh

DTT Digital Terrestrial Television Truyền hình số mặt đất

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

DVB-C Digital Video Broadcasting Cable Truyền hình số qua cáp

DVB-S Digital Video Broadcasting

Satellite Truyền hình số cho thiết bị vệ tinh

DVB-T2 Digital Video Broadcasting –

Second Generation Terrestrial

Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai

eSFN enhanced Single Frequency

eSM enhanced Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian nâng cao ETSI European Telecommunication

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

HDTV High-Definition Television Truyền hình độ nét cao

HBF Hybrid Beamforming Định hướng búp sóng lai

HLSI Hierarchical Local Service

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc nghịch

đảo

IF Intermediate Frequyency Tần số trung tần

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược INR Interference-to-Noise Ratio Tỷ số tạp âm trên nhiễu

IPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet

IQ In-phase/Quadrature components Các thành phần đồng pha /vuông

góc ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự

ISDB-T Integrated Service Digital

Broacasting – Terrestrial Quảng bá số đa dịch vụ - mặt đất ISO International Organization for

Standardization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

Từ viết

ISR Interference-to-Signal Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

ITU Intrenational Telecommunication

MFN Multi-Frequency Network Mạng đa tần

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MISO Multiple Input Single Output Đa đầu vào đơn đầu ra

ML

decoder Maximum-Likelihood decoder Bộ giải mã hợp lý cực đại

MLSE Minimal Least-Square Errors Sai số bình phương tối thiểu MMSE Minimum Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình tối

thiểu MRT Maximum Ratio Transmission Phát tỷ số cực đại

Từ viết

OLSI Orthogonal Local Service Insertion Chèn dịch vụ cục bộ trực giao

PAL Phase Alternating Line Pha thay đổi theo dòng

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trung bình PDF Probability-Density-Function Hàm mật độ xác suất

PLP Physical Layer Pipe Ống lớp vật lý

PS Parallel to Serial Song song sang nối tiếp

QAM Quarature Amplitude Modulation Điều biên cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

RMSE Root Mean Square Error Sai số toàn phương trung bình RoHC Robust Header Compression Nén tiêu đề mạnh

SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần

SISO Single Input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra

SINR Signal to Interference plus Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp

âm SIR Signal-to-Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SM Spactial Multiplexing Ghép kênh không gian

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

STBC Space – Time Block Code Mã khối không gian - thời gian SVC Scalable Video Coding Mã hóa video có thể mở rộng

T/C/F-I Time/Cell/Frequency Interleaver Xen kẽ thời gian/tế bào/tần số TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

Từ viết

TDS-OFDM Time Domain Synchronous OFDM OFDM đồng bộ thời gian

TFS Time Frequency Slicing Phân chia tần số thời gian

UCA Uniform Circular Array Dàn ăng-ten đồng dạng tròn đều UHTV Ultra High Definition Television Truyền hình độ nét cực cao

UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao

ULA Uniform Linear Array Dàn ăng-ten đồng dạng tuyến tính URA Uniform Rectangular Array Mảng ăng-ten hình chữ nhật đồng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

1.1 Quá trình số hóa truyền hình

Ngày nay, thế giới đang bước vào một kỷ nguyên mới của truyền hình Các dịch vụ truyền hình mới như truyền hình ba chiều (3DTV-3D Television) [1], truyền hình độ phân giải cực cao (UHDTV) trên truyền hình số mặt đất và truyền hình di động sẽ ngày càng được cung cấp rộng rãi hơn trong tương lai gần Các dịch vụ mới đang phát triển nhanh chóng đặt ra nhu cầu lớn về hiệu năng cũng như độ tin cậy của

hệ thống phát sóng truyền hình

Số hóa truyền hình, còn được gọi là tắt sóng tương tự (ASO-Analog Switch Off) là quá trình chuyển đổi và ngưng phát sóng truyền hình analog để chuyển sang phát sóng kỹ thuật số, chủ yếu bắt đầu từ năm 2006 trên thế giới Mục tiêu chính là chuyển đổi phát sóng analog mặt đất sang phát sóng số mặt đất Tuy nhiên, việc chuyển đổi này cũng bao hàm sự chuyển đổi từ truyền hình cáp analog sang truyền hình cáp số cũng như chuyển đổi từ truyền hình vệ tinh analog sang truyền hình vệ tinh kỹ thuật số Mỗi quốc gia có kế hoạch số hóa truyền hình khác nhau

Tại Việt Nam, theo lộ trình số hóa truyền hình mặt đất (analog) theo tiêu chuẩn DVB-T2 của Bộ Thông tin và Truyền thông, tính đến thời điểm hiện nay các thành phố trực thuộc trung ương và các tỉnh thuộc nhóm I, II, III đã tắt sóng Analog Các tỉnh còn lại thuộc nhóm IV dự kiến hoàn thành số hóa trước tháng 12 – 2020 bao gồm:

Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn, Điện Biên, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông Cả nước

sẽ hoàn thành tắt sóng Analog vào năm 2020 [2]

Việc số hóa truyền hình mang lại lợi ích to lớn trong phát triển kinh tế xã hội khi sử dụng băng tần hiệu quả Vì với truyền hình analog thông thường, một kênh tần

số chỉ phát được một chương trình truyền hình, còn nếu dùng truyền hình số mặt đất theo công nghệ DVB-T2, một kênh tần số có thể phát được tới 20 chương trình

1.2 Chuẩn hóa truyền hình số mặt đất theo công nghệ DVB-T2 và truyền hình số thế hệ tiếp theo cho các thiết bị cầm tay (DVB-NGH)

Tiêu chuẩn truyền hình số thế hệ tiếp theo cho các thiết bị cầm tay DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Hand-held) được đề xuất phát triển bởi

dự án DVB [3] Đó là sự phát triển theo hướng di động của chuẩn DVB-T2 [4] và việc triển khai của chuẩn này được thúc đẩy bởi sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ đa phương tiện di động cho các thiết bị cầm tay như máy tính bảng và điện thoại thông minh đang phát triển bùng nổ trên thế giới cũng như tại Việt Nam Mục tiêu chính của DVB-NGH là tăng diện tích phủ sóng và dung lượng mạng vượt trội so với các tiêu chuẩn phát sóng di động hiện có như truyền hình số cho các thiết bị cầm tay DVB-H

(Digital Video Broadcasting Hand-held) và truyền hình số cho các thiết bị vệ tinh cầm tay DVB-SH (Digital Video Broadcasting Satellite Hand-held)

Khái niệm ống lớp vật lý (PLP-Physical Layer Pipe) được giới thiệu trong DVB-T2 và DVB-NGH nhằm hỗ trợ cấu hình các tham số truyền cho mỗi dịch vụ, bao gồm điều chế, mã hóa và xáo trộn Về nguyên tắc, việc sử dụng nhiều PLP có thể cho phép cung cấp các dịch vụ nhắm mục tiêu đến các trường hợp người dùng khác nhau, tức là cố định, cầm tay và di động, trong cùng một kênh tần số Các đặc điểm chính bổ sung mới của DVB-NGH so với DVB-T2 là: sử dụng kỹ thuật mã hóa video

có thể mở rộng (SVC - Scalable Video Coding) để hỗ trợ hiệu quả cho các thiết bị nhận không đồng nhất và điều kiện mạng khác nhau, kỹ thuật phân chia tần số thời gian (TFS - Time Frequency Slicing) để tăng dung lượng và vùng phủ sóng, xen kẽ hiệu quả để khai thác sự phân tập thời gian và tần số, kỹ thuật nén tiêu đề (RoHC) để giảm chi phí do báo hiệu và đóng gói, bổ sung thành phần vệ tinh để tăng vùng phủ sóng, cải thiện tính bền vững của tín hiệu so với DVB-T2, triển khai hiệu quả các dịch

vụ địa phương trong mạng đơn tần (SFN - Single Frequency Network) và cuối cùng là triển khai các kỹ thuật MIMO để tăng diện tích vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống [5]

Vậy, nghiên cứu, đặc trưng hóa hệ thống truyền hình thế hệ tiếp theo, đề xuất kiến trúc mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết hệ thống và các giải pháp tương ứng nhằm nâng cao hiệu năng truyền dẫn, cải thiện dung lượng, tính bền vững của hệ thống có tính cấp thiết vừa có ý nghĩa về học thuật vừa có ý nghĩa thực tế với nhu cầu của đất nước ta

2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay truyền hình độ phân giải siêu cao 4K×2160p (12Gbps), 3DTV hoặc 8K×4320p (48Gbps) đang ngày một trở nên phổ biến và dần trở thành xu thế tất yếu của các đài truyền hình và các đơn vị cung cấp nội dung, ngoài việc nâng cao chất lượng các chương trình thì việc đổi mới công nghệ theo xu thế cũng là một phần tất yếu trong cuộc cạnh tranh gay gắt giữa các đơn vị cung cấp nội dung nhằm thu hút khán giả và nâng cao trải nghiệm xem truyền hình cho người xem Trong khi đó, phổ tần dành cho truyền hình số mặt đất là hạn hữu, đặt ra thách thức cấp thiết cho việc tối

ưu hoá các kỹ thuật, công nghệ trong tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hiện tại để đạt hiệu năng truyền dẫn, dung lượng cao hơn cho tiêu chuẩn truyền hình thế hệ tiếp theo

Độ phức tạp do mối quan hệ tương hỗ giữa các khâu của quá trình xử lý tín hiệu của hệ MIMO tăng theo số lượng các ăng-ten, nhất là khi hệ thống làm việc trong môi trường thay đổi phức tạp, nhiễu động và phải thỏa hiệp giữa hiệu năng của hệ thống với chất lượng phục vụ (QoS) người dùng Do đó, việc tối ưu hóa hệ thống thực hiện riêng rẽ theo tiêu chí, phân đoạn theo các khâu, thường không dẫn đến kết quả tối

ưu như mong muốn Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một mô hình mang tính tổng quát theo lý thuyết hệ thống để phát triển hệ thống MIMO, MIMO quy mô lớn dựa trên

định hướng đa búp sóng sử dụng các tiêu chí tối ưu bền vững cho hệ truyền hình số mặt đất thế hệ mới như DVB-NGH

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm vào các mục tiêu chính sau đây:

(i.) Nghiên cứu đề xuất kiến trúc định hướng đa búp sóng ứng dụng cho truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

(ii.) Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn, cải thiện dung lượng cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

3.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của công trình này giới hạn ở kiến trúc DVB-NGH gồm: (i.) Mô hình, cấu trúc hệ thống DVB-NGH, kỹ thuật MIMO, MIMO quy mô lớn, ăng-ten mảng hình trụ

(ii.) Mô hình định hướng đa búp sóng, định hướng búp sóng lai, kênh truyền MIMO phân cực kép, thông tin trạng thái kênh và các thuật toán cải thiện hiệu năng phục vụ các hệ truyền hình số mặt đất thế hệ mới như DVB-NGH

• Ma trận nghịch đảo suy rộng, phương pháp số và mô phỏng

• Nghiên cứu các thuật toán trên cơ sở các kiến trúc và mô hình đề xuất để nâng cao hiệu năng hệ thống dựa trên lý thuyết hệ thống và tiêu chí tối ưu đa biến

3.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở đặc tính hóa theo lý thuyết hệ thống đối với hệ thống DVB-NGH và các kỹ thuật sử dụng công nghệ MIMO, MIMO quy mô lớn, định hướng đa búp sóng để đề xuất mô hình, xây dựng cấu trúc hệ thống truyền hình

số mặt đất thế hệ kế tiếp và toán học hóa những vấn đề cần giải quyết khi đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng của lớp vật lý nhằm tối ưu hóa truyền dẫn Minh chứng các giải pháp đề xuất trên cơ sở lý thuyết bằng kiểm nghiệm thông qua các kết quả mô phỏng

4 Các đóng góp khoa học của luận án

(i) Đề xuất mô hình, kiến trúc tối ưu hiệu năng hệ thống DVB-NGH bằng định hướng đa búp sóng sử dụng các ăng-ten mảng hình trụ

(ii) Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

(iii) Đề xuất mô hình, kiến trúc cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH bằng phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép

5 Bố cục của luận án

Cấu trúc của luận án gồm có 03 chương với các nội dung được tóm tắt như sau:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, trình bày tổng quan về truyền

hình số mặt đất và sự phát triển của nội dung truyền hình, các vấn đề thách thức đặt ra với hệ thống truyền hình số mặt đất Sau đó đưa ra định hướng giải quyết nâng cao hiệu năng, cải thiện dung lượng hệ thống ứng dụng công nghệ MIMO, định hướng đa búp sóng cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

Chương 2: Giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn hệ thống DVB-NGH bằng định hướng đa búp sóng và phân nhóm người dùng, trình bày kiến trúc định

hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống, với quy trình phân tích và thiết kế các hệ định hướng đa búp sóng có quy mô lớn theo cách tiếp cận của lý thuyết hệ thống trên

cơ sở xem xét tác động của các tham số hệ thống bằng tập các hàm mục tiêu áp dụng trong những điều kiện tới hạn, khó truy cập dữ liệu đo hoặc dữ liệu đo có kích thước lớn được trình bày Quy trình bao gồm việc xây dựng mô hình giảm bậc tối ưu và xác định nghiệm bền vững đối với hệ thống định hướng búp sóng Sau đó đề xuất mô hình

và kiến trúc hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH Trong hệ thống này sử dụng một số tiêu chí tối ưu bền vững để khai thác kênh và giảm thiểu sự can nhiễu giữa người dùng trong các tế bào Đồng thời kết hợp kiến trúc định hướng đa búp sóng ăng-ten mảng hình trụ với ghép kênh không gian để nâng cao hiệu năng truyền dẫn Cuối cùng đề xuất thuật toán để nhóm các người dùng bằng điều khiển băng thông để tối ưu hóa tổng tốc độ của hệ thống và mô phỏng minh chứng độ tin cậy, hiệu năng của mô hình đề xuất

Chương 3: Giải pháp cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH bằng phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép, đề xuất mô hình và kiến trúc định hướng búp sóng mới dựa trên định hướng

búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép cho các hệ thống NGH Sau đó đưa ra nghiên cứu điển hình về MIMO rate-2 Cuối cùng thực hiện mô phỏng để minh chứng định hướng búp sóng lai được đề xuất hiệu quả hơn so với các

DVB-mô hình hiện có cho các hệ thống DVB-NGH

Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án: Phần này trình

bày tóm tắt các kết quả đạt được của luận án và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của

đề tài, cũng như các nghiên cứu dự kiến sẽ được thực hiện trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Các nhà đài, các đơn vị truyền dẫn luôn có nhu cầu phát sóng, truyền dẫn được nhiều kênh truyền hình chất lượng cao cho khán giả Đáp ứng nhu cầu này với truyền hình Analog gặp nhiều khó khăn về thiết bị phát và kênh sóng cao tần, vì mỗi kênh cần một máy phát và một kênh sóng Các băng tần VHF và UHF lâu nay dùng cho truyền hình mặt đất đến nay đã không đủ cho yêu cầu phát nhiều kênh, trong khi các mạng thông tin chuyên ngành, thông tin di động cũng có nhu cầu ở các dải tần này Chất lượng của các kênh truyền hình đòi hỏi ngày càng cao, đặc biệt là nhu cầu thưởng thức truyền hình độ nét cao (HDTV) và độ nét siêu cao (UHD) ngày càng lớn

Để đáp ứng các nhu cầu trên thì giải pháp là chuyển đổi sang truyền hình số mặt đất với những ưu điểm vượt trội so với truyền hình analog Công nghệ truyền hình số mặt đất có thể thiết lập mạng phát hình gồm nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Điều này giúp cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và tiết kiệm kinh phí đầu tư, chi phí vận hành

Với định hướng giải quyết nâng cao hiệu năng lớp truyền dẫn, hiệu năng sử dụng năng lượng trên cơ sở mô hình, cấu trúc hệ thống và xử lý tín hiệu, chương một

sẽ tập trung nghiên cứu về những vấn đề cơ bản nhất của hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ mới để làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo

1.2 Tổng quan về truyền hình số mặt đất và các kỹ thuật đã đề xuất

1.2.1 Tổng quan về truyền hình số mặt đất

DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất chính thức được tổ chức ETSI (European Telecommunications Standards Institute) công nhận vào tháng 2 năm 1997 DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) COFDM là kỹ thuật có nhiều đặc điểm ưu việt, có khả năng chống phản xạ đa đường, phù hợp với các vùng dân cư

có địa hình phức tạp, cho phép thiết lập mạng đơn tần (SFN) và có khả năng thu di động, đáp ứng các chương trình có độ nét cao như HDTV DVB-T là thành viên của một họ các tiêu chuẩn DVB, trong đó bao gồm tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh, mặt đất, cáp

DVB-T2 là thuật ngữ viết tắt của Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial, là phần mở rộng của chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T, ban hành bởi tổ chức DVB, tiêu chuẩn hóa bởi ETSI [4] Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB -T2 là một chuẩn mới trong họ tiêu chuẩn DVB được phát triển với mục đích tăng khả năng sử dụng băng tần, tăng dung lượng dữ liệu có thể

truyền cũng như cải tiến chất lượng tín hiệu Trong các điều kiện thu tương đương so với DVB-T, DVB-T2 tăng dung lượng tối thiểu 30%, thậm chí trong một số trường hợp có thể tăng tới 67% Ngoài ra, DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ đa đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T Điều này càng thuận lợi cho việc triển khai các dịch vụ quảng bá mới với đòi hỏi nhiều dung lượng hơn Hiệu quả đạt được nhờ các cải tiến từ các đặc trưng lớp vật lý, tới cấu hình mạng, cũng như tối ưu quá trình thực thi để đạt được bộ thông số tối ưu cho các kênh truyền Chi tiết cấu trúc khung (Frame Structure), mã hoá kênh (Channel Coding) và quá trình điều chế được mô tả trong tiêu chuẩn ETSI EN 302 755 [3]

Tiêu chuẩn truyền hình số thế hệ tiếp theo cho các thiết bị cầm tay DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Hand-held) phát triển từ DVB-T2 [6] để phù hợp với môi trường di động theo cách tương tự như DVB-H đã làm với DVB-T DVB-T2 vẫn là một tài liệu tham chiếu mạnh mẽ, linh hoạt và hiệu quả sử dụng phổ (cung cấp nhiều hơn 50% so với bất kỳ hệ thống nào hiện nay), đây là lý do tại sao DVB-NGH lấy đó làm cơ sở [7] DVB-NGH là hệ thống truyền hình di động đầu tiên

sử dụng kỹ thuật MIMO (nhiều đầu vào nhiều đầu ra) trong các cấu hình của nó để vượt qua giới hạn dung lượng Shanon so với các hệ thống thông tin liên lạc truyền thống chỉ sử dụng một ăng-ten phát/thu [8]

Quá trình tiêu chuẩn hóa DVB-NGH [3] đã bắt đầu từ năm 2010 nhưng do thiếu những định hướng kinh doanh cụ thể khi thương mại vì vậy đến thời điểm hiện tại, các nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực hoàn thiện các công nghệ để có thể tiêu chuẩn hóa DVB-NGH với hiệu năng vượt trội trong tương lai Mặc dù vậy sự phát triển vượt bậc

về công nghệ phát sóng truyền hình số mặt đất đã giúp DVB-NGH trở thành điểm tham chiếu cho các công nghệ sắp tới/tương lai, không chỉ là sự phát triển tiềm năng của DVB-T2 mà còn cho ATSC (Advanced Television System Committee), ISDB-T (Integrated Service Digital Broacasting – Terrestrial), FoBTV (Future of Broadcast Terrestrial Television) [9]…

1.2.2 Các giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất để tiêu chuẩn hóa truyền hình số thế hệ tiếp theo

DVB-NGH đưa ra 4 cấu hình bao gồm: truyền hình mặt đất cơ bản, truyền hình mặt đất sử dụng MIMO, truyền hình lai mặt đất/vệ tinh, và truyền hình lai mặt đất/vệ tinh sử dụng MIMO Cấu hình bắt buộc chỉ yêu cầu 1 trạm cơ sở, dựa trên cấu hình di động của DVB-T2, được gọi là DVB-T2 Lite [10] Cấu hình cơ sở cung cấp một mô tả đầy đủ của hệ thống, ba cấu hình còn lại chỉ khác nhau ở trạm cơ sở

1.2.2.1 Cấu hình cơ sở

a Kỹ thuật điều chế và mã hóa xen kẽ bit (BICM)

DVB-NGH được phát triển dựa trên DVB-T2, trong đó có các cải tiến mạnh

mẽ và hiệu quả sử dụng phổ Sơ đồ khối của cấu hình cơ sở BICM của DVB-NGH

được thể hiện trong hình 1.1, trong đó minh họa sự khác biệt chính so với với T2

Xoay QAM Bộ xen kẽ cell Ánh xạ các cells tới

các chòm sao

Optimized for new CR

4D QPSK/no 256QAM Position changed

Bộ xen kẽ tích chập Bộ xen kẽ khối

Bộ xen kẽ thời gian

Bộ xen kẽ I/Q

Inter frame Intra frame

BICM

Bộ xen kẽ chẵn lẻ

Applied to QPSK

Hình 1.1 Cấu hình DVB-NGH cơ sở BICM [9]

DVB-NGH đã khắc phục các hạn chế trong DVB-T2 để giảm độ phức tạp của máy thu, chẳng hạn như chỉ cho phép kích thước sử dụng từ mã LDPC ngắn là 16200 bit (16K) Kích thước của bộ nhớ xen kẽ thời gian giảm một nửa so với DVB-T2 và việc các chòm sao xoay không còn được áp dụng cho QAM-256 [10] Ngoài ra, tốc độ bit dữ liệu được mã hóa tối đa trong DVB-NGH được giới hạn ở 12 Mbps, bao gồm cả

dữ liệu nguồn và dữ liệu chẵn lẻ

Các thay đổi BICM đã được giới thiệu để cải thiện tính bền vững của đường truyền Ở cấp độ FEC, tỷ lệ mã hóa LDPC mới bền vững hơn giảm xuống còn 1/5 đã được thông qua (tỷ lệ mã hóa này trong DVB-T2 là 4/9 và trong T2-Lite là 1/3) Ở cấp

độ chòm sao, bổ sung các chòm sao 64QAM và 256QAM không đồng nhất và một chòm sao QPSK xoay 4 chiều Ở cấp xen kẽ, bộ xen kẽ bit chẵn lẻ được sử dụng cho tất cả các chòm sao (không được sử dụng cho QPSK trong DVB-T2) Việc xen kẽ thành phần I / Q thay thế bộ trễ Q-delay theo chu kỳ của DVB-T2 để khai thác sự phân tập không gian-tín hiệu của các chòm sao quay phân phối các thành phần của mỗi ký tự được quay với sự phân tách tối đa về thời gian và tần số [11]

NGH đã tối ưu hóa bộ xen kẽ thời gian TI (Time Interleaver) trong T2 ở hai khía cạnh DVB-NGH đã bổ sung một bộ xen kẽ tích chập CI (Convolutional Interleaver) để xen kẽ liên khung (tức là trên nhiều khung hình), giữ lại bộ xen kẽ khối

DVB-BI (Block Interleaver) như trong DVB-T2 chỉ để xen kẽ nội khung và sử dụng lượng

tử hóa tế bào nghi để sử dụng hiệu quả hơn của bộ nhớ TI với các chòm sao bậc thấp

Để so sánh, với cùng bộ nhớ như trong DVB-T2, DVB-NGH có thể thu được thời gian xen kẽ sâu hơn 4 lần [11]

b Kỹ thuật phân chia tần số thời gian (TFS)

Kỹ thuật TFS (Time Frequency Slicing) đã phá vỡ mô hình hiện tại của việc truyền các dịch vụ quảng bá trong một kênh RF duy nhất để truyền các dịch vụ qua nhiều kênh RF với nhảy tần và thời gian cắt [12] [13] Ban đầu nó được đề xuất trong quá trình tiêu chuẩn hóa DVB-T2, nhưng cuối cùng chỉ được đưa vào một phần thông tin của tiêu chuẩn (không phải quy chuẩn) do nhu cầu thực hiện hai bộ điều chỉnh trong máy thu DVB-NGH được đề xuất để sử dụng TFS cho tất cả các cấu hình để có thể hoạt động với một bộ dò sóng duy nhất mà không làm tăng độ phức tạp của bộ thu

TFS có thể cung cấp những lợi ích rất quan trọng cả về dung lượng do tăng cường ghép kênh thống kê (StatMux) và phạm vi phủ sóng cho cả thu cố định và di động do phân tập tần số được cải thiện [14] Sự kết hợp của nhiều kênh RF vào một kênh ghép TFS duy nhất cho phép đạt được độ lợi ghép kênh thống kê gần như lý tưởng cho các dịch vụ tốc độ bit thay đổi VBR (Variable Bit Rate) [15] Phân tập tần

số có thể cải thiện đáng kể tính bền vững của tín hiệu truyền đi, vì các dịch vụ có thể được trải rộng trên toàn bộ dải tần UHF

Lợi ích chính của TFS đối với DVB-NGH là cải thiện phạm vi phủ sóng và tính bền vững truyền dẫn Không có TFS, mức phủ sóng tại một vị trí nhất định bị giới hạn bởi kênh RF có cường độ tín hiệu thấp nhất Với TFS, việc thu sóng tại một vị trí cụ thể được xác định bởi cường độ tín hiệu trung bình của các kênh RF Do đó, chỉ báo

về độ lợi vùng phủ tại một vị trí cụ thể có thể được tính gần đúng như sự khác biệt giữa giá trị SNR trung bình của các kênh RF và SNR tức thời tối thiểu trong số tất cả các kênh RF [16]

c Kỹ thuật chèn các dịch vụ cục bộ

DVB-NGH bổ sung hai kỹ thuật để truyền tải nội dung cục bộ trong các SFN, được gọi là chèn dịch vụ cục bộ phân cấp H-LSI (Hierarchical Local Services Insertion) và trực giao O-LSI (Orthogonal Local Services Insertion) [17] Cả hai kỹ thuật đều cung cấp mức tăng dung lượng rất quan trọng so với cách tiếp cận SFN cổ điển trong đó nội dung được truyền trong toàn bộ mạng, nhưng mỗi kỹ thuật giải quyết các trường hợp sử dụng khác nhau với sự cân bằng hiệu suất khả năng phủ sóng khác nhau, do đó kỹ thuật truyền tối ưu phụ thuộc vào trường hợp sử dụng mục tiêu và kịch bản cụ thể được xem xét (vị trí và công suất của máy phát, phân phối các dịch vụ

địa phương, v.v.) Đối với cả hai kỹ thuật, việc truyền tải nội dung cục bộ thông qua toàn bộ mạng SFN có thể được lên lịch theo cách mà các khu vực cục bộ khác nhau không gây nhiễu lẫn nhau

Chèn dịch vụ cục bộ phân cấp (H-LSI) sử dụng các điều chế phân cấp, cho phép kết hợp 2 luồng dữ liệu riêng biệt trong một với độ mạnh khác nhau Trong điều chế phân cấp, nội dung cục bộ được truyền trong luồng có mức độ ưu tiên thấp hơn so với nội dung chung Điều này được mô tả trong hình 1.2, trong đó (a) cho thấy sự tiếp nhận gần một máy phát phát nội dung toàn cục, (b) cho thấy sự tiếp nhận của một điểm trung gian giữa một nội dung toàn cục và các máy phát nội dung cục bộ, và cuối cùng (c) cho thấy sự tiếp nhận gần một máy phát nội dung cục bộ

H-LSI có thể được sử dụng để truyền các dịch vụ cục bộ đến các khu vực gần với máy phát, ở các khu vực khác, việc nhận nội dung cục bộ là không thể (như được

mô tả trong hình 1.2 cho thiết bị đầu cuối) Một nhược điểm của kỹ thuật này là sự giao thoa được tạo ra giữa các lớp, mỗi lớp đóng vai trò là tạp âm cho lớp kia, điều này làm cho độ bao phủ của dịch vụ toàn cục giảm

G0

QPSK

L0 G1

Những lợi ích chính của kỹ thuật này là nội dung toàn cục không bị suy giảm

và nội dung cục bộ có phạm vi bao phủ tương tự như toàn cục Nhưng hạn chế, độ lợi của SFN không được khai thác triệt để, trừ khi một số máy phát truyền cùng một nội dung cục bộ trong cùng một khu vực [18]

d Mạng đơn tần nâng cao (eSFN)

DVB-NGH áp dụng kỹ thuật MISO phân tán dựa trên mã hóa Alamouti [19] và một kỹ thuật mới được gọi là eSFN (Enhanced Single Frequency Network) Các kỹ thuật này được áp dụng thông qua một số ăng-ten trong mạng SFN sử dụng lại cơ sở

hạ tầng DTT, tương thích với các máy thu chỉ có một ăng-ten duy nhất Mã Alamouti được áp dụng cho một vài ăng-ten phát trong khi eSFN có thể được áp dụng cho nhiều ăng-ten

eSFN là kỹ thuật phân tập độ trễ theo chu kỳ, bao gồm việc áp dụng hàm dự đoán tuyến tính cho tín hiệu theo cách mà ước lượng kênh tại máy thu không bị ảnh hưởng [20] Kỹ thuật này cải thiện sự phân tập tần số của kênh mà không cần thêm các tín hiệu dẫn đường hoặc xử lý tín hiệu bổ sung để giải điều chế tại máy thu Điều này giúp cải thiện mã hóa Alamouti, cần tăng gấp đôi số lượng tín hiệu dẫn đường để ước lượng các đáp ứng kênh truyền eSFN cũng có thể được sử dụng để xác định các máy phát khác nhau bằng cách sử dụng các chức năng dự phòng khác nhau

e Kỹ thuật báo hiệu lớp vật lý

Tín hiệu lớp vật lý của DVB-NGH được truyền như trong DVB-T2 dưới dạng

ký tự OFDM mở đầu ở đầu mỗi khung [21] Phần mào đầu cung cấp một cách thức để phát hiện tín hiệu nhanh, cho phép quét nhanh tín hiệu và nó mang một lượng dữ liệu tín hiệu hạn chế được truyền cường độ mạnh cho phép truy cập PLP trong các khung DVB-NGH đã tăng cường tín hiệu lớp vật lý của DVB-T2 theo ba khía cạnh

• Khả năng truyền tín hiệu cao hơn

• Cải thiện độ bền của đường truyền

• Giảm chi phí báo hiệu

Những cải tiến về dung lượng cho phép báo hiệu tất cả bốn cấu hình của NGH mà không có bất kỳ hạn chế nào về số lượng PLP được sử dụng trong hệ thống DVB-NGH đã tăng dung lượng của phần mào đầu báo hiệu và tín hiệu L1 [22] Ký hiệu OFDM đầu tiên của mỗi khung là ký hiệu P1 mào đầu Nó cung cấp bảy bit báo hiệu, trong số các thông tin cơ bản khác, xác định loại khung có ba bit Ba bit này không đủ để báo hiệu tất cả các cấu hình của DVB-T2, T2-Lite và DVB-NGH Do đó, DVB-NGH đã giới thiệu thêm một ký tự mào đầu P1, được gọi là aP1, để xác định MIMO trên mặt đất, các cấu hình SISO và MIMO kết hợp Sự hiện diện của ký tự aP1 được báo hiệu trong ký hiệu P1 Hơn nữa, cấu trúc khung logic mới của DVB-NGH tránh được bất kỳ giới hạn nào về số lượng PLP tối đa có thể được sử dụng do các ràng buộc về báo hiệu L1 Khả năng tín hiệu L1 đã được tăng lên vì nó không bị giới hạn bởi các ký tự OFDM còn lại của phần mào đầu

DVB-Việc cải thiện tính bền vững của tín hiệu L1 có thể được chuyển thành việc giảm chi phí tín hiệu để có cùng độ bền vững [23] Nhưng DVB-NGH đã thay đổi cấu trúc tín hiệu L1 của DVB-T2 để giảm tổng chi phí tín hiệu Thay vì báo hiệu cấu hình

của mỗi PLP, các PLP được liên kết trong các nhóm có cài đặt giống nhau, làm giảm thông tin báo hiệu cần thiết Hơn nữa, có thể chia thành một số thông số tín hiệu khung được truyền trong DVB-T2 trong mỗi khung nhưng thực tế là tĩnh Cấu trúc khung logic mới của DVB-NGH cũng tránh truyền tất cả thông tin báo hiệu L1 trong mỗi khung Các cải tiến trên không cho phép giảm chi phí tín hiệu và tăng dung lượng

hệ thống từ 1% đến 1,5% mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống [24]

1.2.2.2 Cấu hình MIMO

Để đáp ứng với nhu cầu ngày càng tăng về hiệu suất phổ, công nghệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) đã được xem xét cho các hệ thống truyền hình phát sóng mặt đất thế hệ tiếp theo [25] Một MIMO 2x2 với cấu hình phân cực chéo tùy ý được xác định trong DVB-NGH [26] Mục đích là để tận dụng tất cả các mức độ phân tập

có sẵn trong các hệ thống này để vượt qua giới hạn dung lượng của các hệ thống SISO truyền thống Trong [27] đề xuất một bộ tiền mã hóa kênh MIMO sử dụng cấu trúc kênh thống kê và phù hợp với các hệ thống phát sóng trên mặt đất, đồng thời có khả năng trong suốt đối với các máy thu Hiệu suất của bộ tiền mã hóa kênh được đánh giá trong một loạt các kịch bản kênh và điều kiện kênh không thích ứng, một tình huống điển hình trong thiết lập phát sóng quảng bá Các kết quả cho thấy có sự cải thiện về hiệu năng hệ thống trong trường hợp có các tình huống tầm nhìn thẳng với các thành phần ăng-ten tương quan và khả năng phục hồi tín hiệu trong điều kiện xấu

1.2.2.3 Cấu hình lai mặt đất và vệ tinh

DVB-NGH được thiết kế như một cấu hình có nhiều tùy chọn trong đó một thành phần vệ tinh có thể được sử dụng để bổ sung cho phạm vi bao phủ được cung cấp bởi thành phần trên mặt đất Trong cấu hình này, một bộ xen kẽ thời gian liên khung mở rộng được xác định SC-OFDM là điều chế được chọn cho thành phần vệ tinh, nhằm giảm PAPR trong các MFN lai [28] Việc lập lịch của hai thành phần phải theo cách có thể nhận được song song hai tín hiệu trong các máy thu chỉ với một bộ điều chỉnh tần số Điều này đạt được nhờ các khái niệm kênh logic và nhóm kênh logic Trong cấu hình lai, bộ nhớ ngoài được sử dụng cho bộ xen kẽ liên khung thời gian [24]

Cấu hình lai sử dụng bộ nhớ TDI (Time De-Interleaving) bên ngoài như một phần bổ sung của bộ nhớ TDI trên chip được sử dụng trong cấu hình mặt đất cơ sở Bộ nhớ TDI trên chip chỉ được sử dụng để xen kẽ khối nội khung, trong khi bộ nhớ TDI bên ngoài được sử dụng để xen kẽ liên khung So với một máy thu tuyệt đối trên mặt đất, một máy thu hỗn hợp yêu cầu ít nhất một bộ nhớ giải xen kẽ thời gian bên ngoài

bổ sung để tính đến các yêu cầu xen kẽ trong thời gian dài ở lớp vật lý, giải điều chế SC-OFDM và bộ điều chỉnh các dải tần số vệ tinh (S) [29]

1.2.2.4 Cấu hình lai mặt đất vệ tinh MIMO

Cấu hình lai ghép (hybrid) MIMO đã được thiết kế [24], trong cấu hình này MIMO có thể được sử dụng trong thành phần vệ tinh trên mặt đất và/hoặc vệ tinh Các trường hợp được thiết kế là một hoặc hai ăng-ten trên mặt đất (phân cực tuyến tính, phân cực chéo) và một hoặc hai ăng-ten vệ tinh (phân cực chéo, phân cực tròn ngược chiều), sau đó cho phép việc sử dụng tới 4 ăng-ten phát Ít nhất một trong các thành phần phải sử dụng 2 ăng-ten, nếu không, trường hợp này sẽ được xem xét trong cấu hình lai thay thế Có thể sử dụng cấu hình SFN và MFN [30] Đối với cấu hình MFN lai, trong trường hợp dạng sóng vệ tinh là SC-OFDM, mã hóa ghép kênh không gian MIMO rate-2 là ghép kênh không gian đơn giản thay vì eSM-PH (nghĩa là không áp dụng tiền mã hóa MIMO cũng như nhảy pha) [31] Đối với các cấu hình SFN lai, thành phần vệ tinh chỉ cần lặp lại quá trình truyền của các máy phát trên mặt đất để tránh làm tăng ký tự dẫn đường cần thiết cho ước lượng kênh Một cân nhắc khác thúc đẩy sự lựa chọn này là nhu cầu đảm bảo có thể đạt được hiệu suất máy thu thỏa đáng ngay cả khi một trong các luồng bị mất (một sự kiện rất có thể xảy ra trong các hệ thống di động) Các mã hóa đã chọn cho các kịch bản SFN được trình bày trong bảng 1.1 Mã Alamouti hoặc eSFN có thể được áp dụng khi có phân cực đơn ở cả vị trí vệ tinh và mặt đất Khi truyền dẫn trên mặt đất là phân cực kép và vệ tinh chỉ sử dụng một phân cực duy nhất, vệ tinh có thể chỉ cần truyền các ký tự giống như một phân cực trên mặt đất (được gọi là “Alamouti + QAM”) eSFN cũng có thể được sử dụng

Để đạt được tốc độ rate-2 [32], có thể sử dụng Virtual MIMO (VMIMO), trong

đó bộ phát phân cực đơn mô phỏng ở phía bên phát một kênh 2x1 được tối ưu hóa trong khi bộ phát phân cực kép phát ra MIMO rate-2 Tuy nhiên, VMIMO nói chung không thực tế ở khía cạnh vệ tinh do yêu cầu SNR cao Khi các đường truyền trên mặt đất sử dụng phân cực đơn và truyền qua vệ tinh là phân cực kép, Alamouti + QAM có thể được sử dụng Bây giờ chỉ có vai trò của máy phát trên mặt đất và vệ tinh bị đảo ngược so với mã hóa được trình bày cho trường hợp phân cực mặt đất kép và vệ tinh đơn eSFN và VMIMO cũng có thể Trong trường hợp cuối cùng, cả truyền dẫn trên mặt đất và vệ tinh đều sử dụng phân cực kép Đối với rate-1, các khối Alamouti giống nhau được truyền từ cả máy phát vệ tinh và mặt đất Hơn nữa, eSFN có thể được sử dụng cho vệ tinh để tăng cường hoạt động Mã này được gọi là “Alamouti + Alamouti” Đối với rate-2, eSM-PH được sử dụng trong cả thành phần trên mặt đất và

vệ tinh Vệ tinh truyền cùng một tín hiệu ngoại trừ phần trước eSFN Việc sử dụng cấu hình MIMO kết hợp được báo hiệu bằng ký tự mào đầu P1, sau đó là ký tự aP1 mào đầu bổ sung cung cấp thông tin về việc sử dụng SC-OFDM và kích thước FFT và khoảng thời gian bảo vệ được sử dụng Cấu hình MIMO lai cho phép kết hợp xen kẽ thời gian dài với MIMO [33]

Bảng 1.1 Các cấu hình hybrid MIMO [9]

Số ăng-ten Tx Mặt đất Vệ tinh Rate 1 Rate 2

Alamouti + QAM VMIMO

3 Đơn cực Lưỡng cực eSFN,

Alamouti + QAM VMIMO

4 Lưỡng cực Lưỡng cực eSFN,

Alamouti + Alamouti

eSM-PH eSM-PH + eSFN

1.2.3 Những vấn đề còn tồn tại

Yêu cầu về tốc độ dữ liệu càng ngày càng lớn trong các hệ thống truyền hình thế hệ mới đòi hỏi việc sử dụng hiệu quả hơn các hệ thống MIMO Kiến trúc đa ăng-ten MIMO ở cả phía phát và phía thu của hệ thống như DVB-NGH cho phép tăng một cách đáng kể dung lượng của kênh truyền Sự nâng cao dung lượng dựa vào việc sử dụng đa ăng-ten cũng có thể đạt được trong một viễn cảnh thông tin đa người dùng như kênh xuống điểm-đa điểm của một hệ thống mà trong đó, một đường truyền tập trung với nhiều ăng-ten để truyền các luồng thông tin độc lập một cách đồng thời tới một vài MS trong các địa điểm khác nhau Tuy nhiên, các đề xuất cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo mới chỉ dừng lại ở việc áp dụng công nghệ MIMO 2x2 trong giải quyết vấn đề truyền dẫn Vì vậy cần có những giải pháp kỹ thuật sử dụng các công nghệ mới để có thể nâng cao hiệu năng và dung lượng hệ thống Các

kỹ thuật đã đề xuất cho hệ thống DVB-NGH cũng không thể đồng thời tối ưu hóa hiệu năng cho tất cả người dùng trong hệ thống MIMO đa người dùng Vấn đề tồn tại cần được giải quyết để tối ưu hóa bài toán nâng cao hiệu năng sử dụng phổ và tốc độ truyền dẫn

1.3 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

1.3.1 Hệ thống MIMO

MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten ở máy phát và máy thu được mô tả như ở hình 1.3 Chuỗi tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng các ăng-ten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian-thời gian (STE: Space-Time Encoder) [34] Tín hiệu sau khi được mã

hóa không gian-thời gian x được phát nhờ 𝑁𝑇 ăng-ten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với 𝑁𝑅ăng-ten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát (TX) và máy thu (RX) có 𝑁𝑇đầu vào và 𝑁𝑅 đầu ra, được gọi là kênh vô tuyến MIMO 𝑁𝑇x𝑁𝑅

Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống MIMO có thể được viết như sau:

𝑛2

⋮

𝑛𝑁𝑅]

(1.1)

Trong đó:

• 𝑥 = [𝑥1, 𝑥2, , 𝑥𝑁𝑇]𝑇, là tín hiệu được máy phát truyền đi

• 𝑦 = [𝑦1, 𝑦2, , 𝑦𝑁𝑅]𝑇là tín hiệu mà máy thu nhận được

• 𝑛 là vectơ nhiễu 𝐴𝑊𝐺𝑁 𝑁𝑅 chiều

• H là ma trận kênh truyền

• ℎ𝑖,𝑗là các hệ số kênh truyền giữa ăng-ten phát thứ i và ăng-ten thu thứ j

Mã hóa Không gian-

Thời gian

Giải mã Không gian- Thời gian

Kênh truyền MIMO

Hình 1.3 Mô hình hệ thống MIMO

1.3.1.1 Dung lượng hệ thống MIMO

Dung lượng kênh truyền được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Đối với mô hình thu phát truyền thống với một ăng-ten phát và một ăng-ten thu (hệ thống SISO) thì theo định lý Shanon dung lượng của

hệ thống trong môi trường tạp âm AWGN được biểu diễn như sau:

|ℎ|2 là tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tại đầu vào máy thu

Từ công thức (1.3) ta thấy rằng với một kênh truyền vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không gian thì dung lượng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở đầu vào máy thu theo luật logarit Do đó, muốn tăng dung lượng kênh truyền thì chỉ có cách tăng công suất phát Tuy nhiên, do mối quan hệ logarit nên dung lượng kênh truyền sẽ tăng rất chậm

Hệ thống MIMO được đề xuất để khắc phục hạn chế về dung lượng kênh truyền của các hệ thống SISO [35] Với 𝑁𝑇 ăng-ten phát và 𝑁𝑅ăng-ten thu, trong môi trường pha-đinh Rayleigh giàu tán xạ và biến đổi chậm, kênh truyền MIMO 𝑁𝑇x𝑁𝑅như ở hình 1.3, cho phép đạt được dung lượng kênh truyền như sau:

hệ thống MIMO tăng gấp min (𝑁𝑇,𝑁𝑅) lần so với hệ thống SISO

1.3.1.2 Ưu điểm hệ thống MIMO

Hệ thống kênh truyền MIMO có những ưu điểm nổi trội cụ thể như sau [36]:

• Độ tăng ích mảng: Độ tăng ích mảng là việc tăng lên của tỷ số SNR nhận được

do hiệu ứng kết hợp của các tín hiệu vô tuyến tại máy thu Việc kết hợp tín hiệu có thể được thực hiện thông qua xử lý tín hiệu không gian tại ăng-ten mảng thu Độ tăng ích mảng tăng cường khả năng chống nhiễu do đó giúp cải thiện vùng phủ sóng và phạm

vi của mạng

• Độ tăng ích phân tập: Như ta đã biết, mức tín hiệu tại máy thu trong hệ thống

vô tuyến thăng giáng do đinh Độ tăng ích phân tập không gian làm giảm đinh trên cơ sở máy thu nhận được nhiều bản sao độc lập của tín hiệu phát theo không gian, tần số hoặc thời gian Với việc tăng số lượng bản sao độc lập của tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng, độ tin cậy của tín hiệu thu được Kênh truyền MIMO với 𝑁𝑇 ăng-ten phát và 𝑁𝑅ăng-ten thu tạo ra 𝑁𝑇x𝑁𝑅kết nối độc lập do vậy bậc phân tập không gian sẽ

pha-là 𝑁𝑇x𝑁𝑅

• Độ tăng ích phân kênh không gian: Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu thông qua phân kênh không gian, tức là truyền cùng lúc nhiều luồng dữ liệu độc lập trên cùng băng tần hoạt động Mỗi luồng dữ liệu có chất lượng kênh bằng với chất lượng kênh trong hệ thống SISO vì vậy sẽ làm tăng dung lượng hệ thống lền gấp min (𝑁𝑇x𝑁𝑅) lần

• Giảm và tránh nhiễu: Nhiễu trong hệ thống vô tuyến là do nhiều người dùng chia sẻ cùng tài nguyên tần số hoặc thời gian Hệ thống MIMO giúp giảm can nhiễu là

do khai thác yếu tố không gian để làm tăng cách biệt giữa các người dùng khác nhau Việc giảm và tránh nhiễu giúp tăng phạm vi và vùng phủ của mạng vô tuyến đồng nghĩa với chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác là tỷ lệ lỗi bit Ber giảm

Như vậy, hệ thống MIMO có rất nhiều lợi ích như đã nêu, việc ứng dụng một vài trong số các ưu điểm này sẽ giúp cải thiện dung lượng, tăng độ tin cậy và vùng phủ sóng của hệ thống tin vô tuyến

1.3.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn

Nhu cầu về truyền tải dịch vụ tốc độ cao đang gia tăng cho các hệ thống không dây thế hệ tiếp theo như hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất cầm tay thế hệ tiếp theo (DVB-NGH) Truyền dẫn nhiều đầu vào nhiều đầu ra quy mô lớn (Massive MIMO) là một trong những kỹ thuật hứa hẹn để đáp ứng nhu cầu này về tốc độ truyền dẫn cao Hệ thống massive MIMO hỗ trợ phân tập bậc cao, tăng tốc độ dữ liệu và hiệu quả phổ cao [37]

Hệ thống truyền dẫn nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) sử dụng một số lượng lớn các ăng-ten phát và nhận (thường lớn hơn 100 phần tử), có thể gọi là massive MIMO, đã được quan tâm rất nhiều trong nhưng năm gần đây vì chúng có khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ của các hệ thống không dây trong tương lai và tăng tốc độ truyền dữ liệu thông qua ghép kênh không gian để phân phối nhiều luồng dữ liệu trong cùng một khối tài nguyên (thời gian và tần số) [38] Hệ thống massive MIMO khai thác việc tiếp nhận đa đường để cải thiện độ tin cậy của hệ thống về chất lượng tỷ lệ lỗi bit (BER), mà không phải sử dụng thêm băng thông [39] Hơn nữa, massive MIMO, bằng kỹ thuật định hướng búp sóng có thể làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng bằng cách giảm công suất phát của mỗi thiết bị đầu cuối tỷ lệ nghịch với số lượng các phần tử của ăng-ten mảng tại các trạm gốc [40] Nó có thể điều khiển nhiều búp sóng cho một số người dùng đầu cuối để tăng tỷ lệ SNR Những lợi thế này làm cho massive MIMO trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn cho các hệ thống không dây trong tương lai như DVB-NGH

Hệ thống MIMO quy mô lớn với hàng trăm ăng-ten phát ở trạm gốc và K người

dùng có thể phục vụ đồng thời được mô tả trong hình 1.4 Những ăng-ten được bổ sung thêm ở trạm cơ sở giúp tập trung năng lượng vào vùng nhỏ hơn của không gian, mang lại những cải tiến rất lớn về dung lượng và tiết kiệm năng lượng bức xạ MIMO quy mô lớn sẽ dùng các ăng-ten để phục vụ cho một số nhỏ hơn nhiều người dùng

đồng thời trong cùng tài nguyên thời gian-tần số, mà mỗi người người dùng không cần thay đổi các thiết bị sử dụng đầu cuối Sự chênh lệch giữa số lượng ăng-ten ở trạm gốc

và số người dùng là điều kiện để hệ thống hoạt động tốt trong thực tế Điều này giúp

hệ thống massive MIMO tạo khả năng phát triển mạng băng thông rộng tương lại Ngoài ra, hệ thống MIMO quy mô lớn còn thể hiện tính mềm dẻo khi có thể có rất nhiều cấu hình và kịch bản triển khai ăng-ten mảng cũng như khả năng kết hợp nhiều thành phần có độ chính xác thấp cùng làm việc hiệu quả với nhau [41]

Hàng trăm anten phát

k=1

k=K

K đầu cuối (anten đơn)

Hình 1.4 Mô hình hệ thống MIMO quy mô lớn

Trong hệ thống massive MIMO, thông tin trạng thái kênh (CSI) là một yếu tố then chốt Trạm gốc trong hệ thống massive MIMO cần thông thông tin về CSI để tiền

mã hóa ở đường xuống và lọc thu ở đường lên Hệ thống MIMO quy mô lớn sử dụng song công phân chia theo thời gian (TDD) và kết hợp với các phương pháp hoa tiêu truyền thống để thu được CSI ở đường lên cũng như đường xuống Các trạm gốc ước lượng CSI nhờ kênh hoa tiêu đường lên từ các đầu cuối Nhờ vào tính đối xứng kênh truyền của song công phân chia theo thời gian, ma trận kênh truyền đường xuống sẽ là chuyển vị liên hợp của ma trận kênh truyền đường lên Nhờ đó trạm gốc có thể sử dụng hoa tiêu đường lên để ước lượng trạng thái kênh và thiết kế bộ tiền mã hóa phía phát ở đường xuống hoặc lọc thu ở đường lên Hệ thống MIMO quy mô lớn có thể sử dụng các bộ mã hóa và lọc thu tuyến tính đơn giản mà vẫn cho phép đạt được hiệu năng cao như MRC (Maximum Ratio Combining), MRT (Maximum Ratio Transmission), ZF (Zero-Forcing)…

Tuy nhiên, để hiện thực hóa việc triển khai các hệ thống MIMO quy mô lớn còn rất nhiều thách thức, cụ thể :

• Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập

• Việc lắp đặt các ăng-ten và RF/IF ở các thiết bị đầu cuối

• Bộ tách tín hiệu có độ phức tạp thấp và ước lượng kênh

1.3.2.1 Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập

Số lượng của vùng phát sóng độc lập không chỉ bị giới hạn bởi khoảng cách giữa các ăng-ten, độ lớn của sóng mang mà còn bị giới hạn bởi sự tán xạ xung quanh các thiết bị đầu cuối hoặc do ảnh hưởng của hiệu ứng lỗ kim (pin-hole), khi đó tất cả các đường truyền từ các ăng-ten phát đến ăng-ten thu đều đi qua một lỗ kim chung Điều này có thể dẫn đến số lượng vùng phát sóng độc lập bị giảm (nghĩa là ma trận kênh có thứ bậc thấp) Hệ thống MIMO quy mô lớn cần thiết kế khoảng cách giữa các ăng-ten tại thiết bị đầu cuối một cách phù hợp để vừa đảm bảo số lượng ăng-ten là lớn, vừa đảm bảo yêu cầu về số lượng vùng phát độc lập

1.3.2.2 Lắp đặt số lượng ăng-ten lớn

Như ta đã biết, khi tăng khoảng cách giữa các ăng-ten tại thiết bị đầu cuối thì lại giảm tương quan giữa độ lợi kênh vì tương quan ở phía thu làm giảm dung lượng MIMO Khi khoảng cách lớn hơn λ/2, trong đó λ là chiều dài sóng mang, thì được xem là tương quan yếu giữa các ăng-ten Trong khi điều này có thể thực hiện dễ dàng

ở các trạm phát sóng, thì đây lại là vấn đề khó khi triển khai ở các thiết bị người dùng

có kích cỡ nhỏ Ví dụ, tại mức tần số sóng mang 2.5 GHz, nửa bước sóng là 6cm, vì thế trên các thiết bị cầm tay như điện thoại di động chỉ có thể đặt nhiều nhất là 2 ăng-ten

Tuy nhiên, có thể áp dụng cho các thiết bị đầu cuối có kích thước cho phép lắp đặt số lượng ăng-ten lớn như trong các thiết bị IPTV/HDTV không dây cố định, các trạm BSC (Base Station Controller)… Ngoài ra, giảm bước sóng mang cũng có thể là một giải pháp cho vấn đề lắp đặt ăng-ten Ví dụ, sóng mang 5GHz (λ/2 là 3cm) và 60 GHz (λ/2 là 2.5 mm) sẽ cho phép lắp nhiều ăng-ten hơn ở các thiết bị đầu cuối

Một số xu hướng kênh MIMO quy mô lớn gần đây:

• NTT DoCoMo thông báo rằng hệ thống MIMO V-BLAST 12x12 có tốc độ dữ liệu 5 Gbps và hiệu năng phổ 50 bps/Hz tại băng thông 4.6 GHz với tốc độ di chuyển

10 Km/hr [42]

• Phát triển của các chuẩn Wifi (phát triển từ IEEE 802.11n lên IEEE 802.11ac

để dành được tốc độ truyền dẫn đa gigabit ở băng thông 5GHz) xem xét sử dụng MIMO 16x16 [43]

• Các phép đo kênh MIMO 64x64 tại 5 GHz ở môi trường trong nhà đã được công bố [44]

1.3.2.3 Nhận tín hiệu/ Ước lượng kênh

Thành phần chính của hệ thống massive-MIMO là bộ nhận tín hiệu ở phía thu, nhiệm vụ của bộ này là khôi phục lại các ký tự được truyền đồng thời từ nhiều ăng-ten phát khác nhau Trong các ứng dụng thực tế, bộ thu MIMO thường là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu năng và độ phức tạp Độ phức tạp trong các bộ tách tối ưu đều tuân

thủ quy luật số mũ theo số lượng ăng-ten phát Khi số lượng ăng-ten càng lớn thì độ phức tạp có xu hướng càng lớn Từ quan điểm xem xét dựa trên độ phức tạp thì các bộ tách tối ưu điển hình bao gồm: bộ tách ZF, MMSE… Tuy nhiên, hiệu năng của các

bộ tách này lại tương đối thấp chưa tương xứng với độ phức tạp Vì thế, cần có các bộ tách MIMO quy mô lớn có thể có hiệu năng gần bằng với hiệu năng của bộ tách tối ưu, nhưng lại có độ phức tạp ở mức chấp nhận được

1.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming)

Kỹ thuật định hướng búp sóng là một kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng ăng-ten mảng để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi ăng-ten phát và độ nhạy ở phía thu Hơn nữa nó làm giảm nhiễu trong tín hiệu thu được do kỹ thuật này lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần tử ăng-ten mảng Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng

sẽ điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu Đồng thời khi đang truyền tín hiệu ta có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổng hợp lại khá giống như mẫu ban đầu, đồng thời các bộ tạo búp sóng tại các ăng-ten thu sẽ điều chỉnh biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó Như vậy, tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn

1.3.3.1 Kỹ thuật định hướng búp sóng tương tự

Kỹ thuật tạo búp sóng là một kỹ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện trong những ăng-ten mảng Kỹ thuật này thường dựa vào điều chỉnh biên độ và pha của tín hiệu cấp cho mảng ăng-ten Sự kết hợp của hai yếu tố này được sử dụng để cải thiện việc triệt tiêu búp phụ Pha và biên độ cho mỗi phần tử ăng ten được kết hợp bằng cách áp dụng hệ số trọng số có giá trị phức cho tín hiệu được đưa đến ăng ten tương ứng Hình 1.5 cho thấy cách triển khai cơ bản của kiến trúc máy phát định hướng búp sóng tương tự Kiến trúc này chỉ bao gồm một chuỗi RF và nhiều bộ dịch pha cung cấp một mảng ăng-ten

Xử lý băng tần cơ

LPF DAC

Hình 1.5 Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng tương tự [45]

Các mảng pha đã được sử dụng trong các hệ thống thực tế (ví dụ, hệ thống radar) trong vài thập kỷ qua Chùm tia lái thường được thực hiện với một bộ chọn RF và bộ dịch pha cố định Khái niệm này vẫn được sử dụng trong các hệ thống truyền thông hiện đại sử dụng phần cứng tiên tiến và các kỹ thuật tiền mã hóa cải tiến Những cải tiến này cho phép kiểm soát riêng biệt pha của từng phần tử Không giống như các kiến trúc thụ động truyền thống, chùm tia có thể được điều hướng không chỉ theo hướng rời rạc

mà còn gần như bất kỳ góc nào bằng cách sử dụng các ăng-ten định hướng búp sóng chủ động Định hướng búp sóng tương tự được thực hiện trong miền tương tự ở tần số

RF hoặc tần số trung gian (Intermediate Frequency) Tuy nhiên, việc thực hiện truyền dẫn đa luồng với định hướng búp sóng tương tự là một nhiệm vụ rất phức tạp Để tính toán các dịch chuyển pha, một mảng tuyến tính cách đều nhau với khoảng cách phần tử được giả định

Trong kịch bản thu, mảng ăng-ten phải nằm trong trường xa của tín hiệu đến, sao cho mặt trước của sóng đến gần bằng phẳng Nếu tín hiệu đến ở góc θ so với hướng của ăng ten, sóng phải truyền thêm một khoảng cách 𝑑 sin 𝜃 để đến từng phần tử kế tiếp Điều này dẫn đến độ trễ cụ thể của phần tử có thể được chuyển đổi thành độ lệch pha phụ thuộc tần số của tín hiệu là 𝛥𝜑 = 2𝜋𝑑(sin 𝜃)/𝜆 Sự phụ thuộc tần số chuyển thành một hiệu ứng được gọi là sự không đồng đều của chùm tia Búp sóng chính của mảng ăng ten ở một tần số xác định có thể được điều hướng đến một góc nhất định bằng cách

sử dụng độ lệch pha được tính bằng phương trình trên Nếu các phần tử ăng-ten bây giờ được cấp tín hiệu có tần số khác, thì búp sóng chính sẽ chuyển hướng theo một góc nhất định Vì các mối quan hệ pha được tính toán với một tần số sóng mang nhất định, nên góc thực tế của búp sóng chính thay đổi theo tần số hiện tại Các ứng dụng như radar có băng thông lớn nói riêng bị thiếu chính xác do hiệu ứng này Phương trình thứ hai có thể được biểu diễn trong miền thời gian sử dụng thời gian trễ thay vì dịch tần số 𝛥𝜏 =𝑑/𝑐 sin 𝜃 Điều này có nghĩa là sự phụ thuộc tần số được loại bỏ, nếu thiết lập được

trang bị với các dòng trễ thay vì bộ dịch pha Hiệu suất của kiến trúc tương tự có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách thay đổi thêm độ lớn của tín hiệu cấp cho ăng-ten [46]

Định hướng búp sóng tương tự được thực hiện trên cơ sở mỗi sóng mang Với truyền dẫn đường xuống, không thể truyền tải dạng búp sóng ghép kênh tần số đến các thiết bị đặt ở các hướng khác nhau so với trạm gốc Nói cách khác, các đường truyền định hướng búp sóng tới các thiết bị khác nhau đặt ở các hướng khác nhau phải được tách ra kịp thời

Trong hệ thống mạng truyền hình di động, tín hiệu hữu ích của một cell thường

bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa tín hiệu Bộ tạo búp sóng băng hẹp có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa để lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó Tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có chất lượng tốt nhất Kiến trúc bộ định hướng búp sóng tương tự mang lại lợi thế triển khai về mức tiêu thụ điện năng của hệ thống và độ phức tạp phần cứng so với kiến trúc bộ định hướng búp sóng số được thể hiện trong phần tiếp theo

1.3.3.2 Kỹ thuật định hướng búp sóng số

Trong khi định hướng búp sóng tương tự thường bị giới hạn trong một chuỗi

RF ngay cả khi sử dụng số lượng lớn mảng ăng ten, kỹ thuật định hướng búp sóng số

về lý thuyết hỗ trợ rất nhiều chuỗi RF cũng như có các phần tử ăng ten Nếu quá trình tiền mã hóa phù hợp được thực hiện trong băng gốc miền kỹ thuật số, điều này sẽ mang lại tính linh hoạt cao hơn liên quan đến truyền và nhận Mức độ tự do bổ sung

có thể được tận dụng để thực hiện các kỹ thuật tiên tiến như MIMO đa búp sóng Những ưu điểm này dẫn đến hiệu suất lý thuyết cao nhất có thể so với các kiến trúc định hướng búp sóng khác Hình 1.6 minh họa kiến trúc máy phát định hướng búp sóng kỹ thuật số mức cao với nhiều chuỗi RF

Xử lý băng tần cơ

sở kỹ thuật số + Tiền mã hóa MIMO

S RF1

S RF2

S RFK

Khuếch đại công suất (PA)

Hình 1.6 Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng số [45]

Bộ điều khiển số của các chuỗi RF cho phép tối ưu hóa các pha theo tần số trên một băng tần lớn Tuy nhiên, kỹ thuật định hướng búp sóng số có thể không phải lúc nào cũng phù hợp lý tưởng cho việc triển khai thực tế các ứng dụng như 5G, DVB-NGH Độ phức tạp rất cao và các yêu cầu liên quan đến phần cứng có thể làm tăng đáng kể chi phí, tiêu thụ năng lượng và làm phức tạp thêm việc tích hợp trong các thiết bị di động Kỹ thuật định hướng búp sóng số phù hợp hơn để sử dụng trong các trạm gốc, vì hiệu suất vượt trội hơn tính di động trong trường hợp này Nó có thể đáp ứng khả năng truyền dẫn đa luồng và phục vụ nhiều người dùng đồng thời, đây là động lực chính của công nghệ [46] Nhiều ăng-ten ở máy phát và máy thu có thể được

sử dụng để đạt được độ lợi mảng và phân tập thay vì độ lợi công suất Trong trường hợp này, cùng một ký tự có trọng số bởi hệ số tỷ lệ có giá trị phức hợp được gửi từ mỗi ăng ten phát, sao cho ma trận hiệp phương sai đầu vào có hạng đơn vị Sơ đồ này được gọi là định hướng búp sóng Có hai loại định hướng búp sóng khác nhau về mặt khái niệm và thực tế: (1) định hướng búp sóng hướng đến (tức là điều chỉnh hướng của ăng ten phát hoặc nhận) và (2) định hướng búp sóng riêng (tức là, một cách tiếp cận toán học để tối đa hóa tín hiệu nguồn tại ăng-ten thu dựa trên tiêu chí nhất định)

1.3.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng lai

Kỹ thuật định hướng búp sóng lai đã được đề xuất như một giải pháp khả thi có thể kết hợp các ưu điểm của cả kiến trúc định hướng búp sóng tương tự và kỹ thuật số

Ý tưởng định hướng búp sóng lai dựa trên khái niệm về ăng-ten mảng pha thường được sử dụng trong các ứng dụng radar Với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, nó

được coi là một giải pháp khả thi cho truyền thông băng rộng di động mmWave Cách tiếp cận theo mảng pha được kết hợp với kỹ thuật định hướng búp sóng số có thể khả thi đối với các tình huống không tĩnh hoặc gần như tĩnh Khi xem xét sự kém hiệu quả của bộ khuếch đại mmWave và sự suy hao chèn cao của bộ dịch pha RF, nên thực hiện dịch pha trong băng tần cơ sở Mức tiêu thụ điện năng liên quan đến cả hai trường hợp là có thể so sánh được, miễn là số lượng ăng-ten trên mỗi chuỗi RF vẫn tương đối nhỏ Có thể giảm chi phí đáng kể bằng cách giảm số lượng chuỗi RF hoàn chỉnh Điều này cũng dẫn đến mức tiêu thụ điện năng tổng thể thấp hơn Vì số lượng

bộ chuyển đổi dữ liệu thấp hơn đáng kể so với số lượng ăng-ten, nên có ít bậc tự do hơn cho quá trình xử lý băng gốc kỹ thuật số Do đó, số lượng các luồng được hỗ trợ đồng thời được giảm bớt so với kỹ thuật định hướng búp sóng số Khoảng cách về hiệu năng được mong đợi là tương đối thấp trong các dải mmWave, kỹ thuật này phù hợp hơn cho đặc điểm kênh cụ thể Sơ đồ khối của máy phát định hướng búp sóng lai được thể hiện trong hình 1.7 Bộ tiền mã hóa được phân chia giữa các miền tương tự

và kỹ thuật số Về lý thuyết, có thể cho rằng mỗi bộ khuếch đại được kết nối với nhau đến từng phần tử bức xạ

Xử lý băng tần cơ

sở kỹ thuật số + Tiền mã hóa MIMO

S RF1

S RFK

Dịch pha + khuếch đại công suất (PA)

Hình 1.7 Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng lai [45]

Trong những năm gần đây, kỹ thuật định hướng búp sóng lai đã được nghiên cứu bao gồm sự cân bằng giữa hiệu suất năng lượng / hiệu suất phổ của kết nối hoàn toàn kỹ thuật định hướng búp sóng số và lai với bộ chuyển đổi dữ liệu độ phân giải thấp Một trong những thách thức của các mảng ăng-ten lớn là chi phí ngày càng cao