Multiple Input Multiple Output (MIMO)

Channel Bonding

Việc mở rộng phổ tần sẽ cải thiện tốc độ truyền dẫn không dây, tương tự như việc mở rộng đường sẽ tăng khả năng vận chuyển.

Chuẩn 802.11a và 802.11g sử dụng các kênh có băng thông 20 MHz. Chuẩn 802.11 cho phép hai kênh 20 MHz liền kề được gộp lại thành một kênh 40 MHz, giúp cải thiện hiệu quả tốc độ truyền tải.

Ghép kênh có thể tăng tốc độ truyền tải cho các luồng không gian lên hơn gấp đôi. Một phần nhỏ băng thông trên kênh 20 MHz được dành riêng ở cả hai phía làm GI (Generalization Instances) để giảm nhiễu giữa các kênh liền kề. Với ghép kênh, băng thông dành riêng này cũng có thể được sử dụng cho việc truyền thông. Do đó, với băng thông 40 MHz có được từ ghép kênh, số lượng sóng mang phụ khả dụng tăng từ 104 (52 x 2) lên 108, dẫn đến hiệu quả truyền tải tăng 208% so với băng thông 20 MHz.

Chuẩn 802.11ac cũng giới thiệu các kênh có băng thông 80 MHz, 80+80 MHz (không liền kề, không chồng chéo) và 160 MHz. Kênh 80 MHz được tạo ra bằng cách ghép hai kênh 40 MHz liền kề, và kênh 160 MHz được tạo ra bằng cách ghép hai kênh 80 MHz liền kề. Do sự khan hiếm của các kênh 80 MHz liền kề, hai kênh 80 MHz không liền kề cũng có thể được ghép lại để có được băng thông 160 MHz (80+80 MHz).

Đối với các kênh được liên kết, tiêu chuẩn 802.11 quy định rằng một kênh sẽ hoạt động như kênh chính và kênh còn lại như kênh phụ. Các gói quản lý, chẳng hạn như khung Beacon, phải được gửi trên kênh chính chứ không phải kênh phụ. Trong kênh 160 MHz, kênh 20 MHz phải được chọn làm kênh chính. Kênh 80 MHz chứa kênh 20 MHz này là kênh 80 MHz chính và kênh không chứa kênh 20 MHz này là kênh 80 MHz phụ. Trong kênh 80 MHz chính, kênh 40 MHz chính chứa kênh 20 MHz này trong khi kênh 40 MHz phụ thì không. Phần còn lại trong kênh 40 MHz chính được gọi là kênh 20 MHz phụ.

Chuẩn 802.11ac hỗ trợ băng thông kênh từ 20 đến 160 MHz, và tính linh hoạt này làm phức tạp việc quản lý kênh. Giảm nhiễu giữa các kênh và tối đa hóa việc sử dụng kênh trên mạng nơi các thiết bị sử dụng các kênh có băng thông khác nhau là một thách thức đáng kể. Chuẩn 802.11ac định nghĩa cơ chế yêu cầu gửi (RTS)/cho phép gửi (CTS) nâng cao để điều phối các kênh nào khả dụng và khi nào.

Như minh họa trong hình bên dưới, chuẩn 802.11n sử dụng cơ chế quản lý kênh tĩnh, trong đó một kênh con bận sẽ khiến toàn bộ băng thông không khả dụng. Chuẩn 802.11ac sử dụng cơ chế quản lý phổ tần động. Bộ phát gửi các khung RTS chứa thông tin băng thông tần số trên mỗi kênh 20 MHz, và bộ thu xác định xem các kênh có bận hay rảnh trước khi phản hồi bằng các khung CTS chỉ trên các kênh khả dụng, phải bao gồm kênh chính. Các khung CTS này chứa thông tin kênh. Nếu bộ phát xác định rằng một số kênh cực kỳ bận, nó sẽ giảm một nửa băng thông truyền do cơ chế quản lý động.

Quản lý phổ tần động giúp cải thiện việc sử dụng kênh và giảm nhiễu giữa các kênh, như minh họa trong hình bên dưới. Với cơ chế này, hai AP có thể hoạt động trên cùng một kênh đồng thời.

MIMO

Khái Niệm Cơ Bản

Trước khi sử dụng MIMO, chúng ta cần hiểu về giao tiếp đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO). Như hình minh họa bên dưới, SISO thiết lập một đường dẫn duy nhất giữa anten phát và anten thu, và truyền một tín hiệu giữa hai anten. Trong hệ thống không dây, mỗi tín hiệu được định nghĩa là một luồng không gian. Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu sử dụng SISO có thể không đáng tin cậy và bị giới hạn tốc độ.

Để giải quyết vấn đề này, trong hệ thống đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO), các anten được thêm vào phía thu (thiết bị đầu cuối) để cho phép thu nhận đồng thời hai hoặc nhiều tín hiệu, như minh họa trong hình bên dưới. Trong SIMO, hai tín hiệu được gửi từ một anten phát mang cùng một dữ liệu. Nếu một tín hiệu bị mất một phần trong quá trình truyền, bộ thu có thể thu được phần dữ liệu còn lại bằng cách sử dụng tín hiệu kia. Trái ngược với SIMO chỉ sử dụng một đường truyền, SIMO đảm bảo độ tin cậy truyền dẫn tốt hơn mà không làm thay đổi dung lượng truyền dẫn. SIMO cũng được gọi là đa dạng thu.

Trong hình trên, vì chỉ có một anten thu, tín hiệu được gửi từ hai anten phát được kết hợp thành một tín hiệu duy nhất trên bộ thu. Chế độ này, còn được gọi là đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) hoặc đa dạng truyền dẫn, mang lại hiệu quả tương tự như SIMO.

Như phân tích về SIMO và MISO ở trên đã chứng minh rằng dung lượng truyền dẫn phụ thuộc rất nhiều vào số lượng anten phát và thu, việc sử dụng hai anten ở cả phía phát và phía thu sẽ là lý tưởng để tăng gấp đôi tốc độ truyền dẫn bằng cách phát và nhận hai tín hiệu riêng biệt.

Như minh họa trong hình bên dưới, MIMO là một chế độ truyền dẫn sử dụng nhiều anten ở cả phía máy phát và máy thu. MIMO cho phép truyền và nhận nhiều luồng không gian (nhiều tín hiệu) trên nhiều anten cùng một lúc, đồng thời phân biệt được các tín hiệu khác nhau. Bằng cách sử dụng các công nghệ như đa dạng không gian và ghép kênh không gian, MIMO giúp tăng dung lượng hệ thống, phạm vi phủ sóng và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) mà không làm tăng băng thông sử dụng.

Hai công nghệ chính được MIMO sử dụng là đa dạng không gian và ghép kênh không gian.

1. Đa dạng không gian là một kỹ thuật truyền dẫn đáng tin cậy được sử dụng để tạo ra các phiên bản khác nhau của cùng một luồng dữ liệu và mã hóa, điều chế chúng trước khi truyền đi trên các anten khác nhau, như minh họa trong hình bên dưới. Luồng dữ liệu này có thể là luồng dữ liệu thô cần gửi hoặc luồng dữ liệu mới được tạo ra từ một số phép biến đổi toán học trên luồng dữ liệu thô. Bộ thu sử dụng bộ cân bằng không gian để tách các tín hiệu nhận được và thực hiện giải điều chế và giải mã để kết hợp các tín hiệu của cùng một luồng dữ liệu và khôi phục lại các tín hiệu gốc.

2. Kỹ thuật ghép kênh không gian chia dữ liệu cần truyền thành nhiều luồng dữ liệu và mã hóa, điều chế chúng trước khi truyền qua các anten khác nhau. Điều này giúp cải thiện tốc độ truyền dữ liệu. Các anten hoạt động độc lập với nhau. Mỗi anten đóng vai trò là một kênh độc lập. Bộ thu sử dụng bộ cân bằng không gian để tách các tín hiệu nhận được, thực hiện giải điều chế và giải mã để kết hợp các luồng dữ liệu và khôi phục lại tín hiệu gốc, như minh họa trong hình bên dưới.

Ghép kênh và đa dạng hóa đều liên quan đến công nghệ mã hóa không gian-thời gian để chuyển đổi một kênh dữ liệu thành nhiều kênh dữ liệu.

Mối Quan Hệ Giữa Các Luồng Không Gian và Số Lượng Ăng-ten

Hệ thống MIMO thường được viết là M x N MIMO, trong đó M và N lần lượt chỉ số lượng anten được sử dụng để truyền và nhận. Nó cũng có thể được viết là MTNR, với T và R lần lượt chỉ việc truyền và nhận. Số lượng luồng không gian trong MIMO thường nhỏ hơn hoặc bằng số lượng anten được sử dụng để truyền hoặc nhận (số lượng nhỏ hơn trong hai số lượng dành cho truyền và nhận sẽ được ưu tiên). Ví dụ, MIMO 4x4 (4T4R) cho phép truyền bốn luồng không gian trở xuống, và MIMO 3x2 (3T2R) cho phép truyền một hoặc hai luồng không gian.

Beamforming

Trong hệ thống không dây, khi cùng một tín hiệu được truyền đồng thời qua nhiều anten, các lỗ hổng không gian có thể được tạo ra do sự truyền đồng thời và nhiễu đa đường. Ví dụ, nếu tín hiệu, sau khi bị phản xạ bởi tường và các thiết bị, đến một vị trí có hai đường truyền có cùng độ suy giảm nhưng ngược pha, hai đường truyền sẽ triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến sự hình thành lỗ hổng không gian, như minh họa trong hình bên dưới.

Chuẩn 802.11n đề xuất sử dụng công nghệ tạo chùm tia để tránh các vùng tín hiệu yếu. Tạo chùm tia chồng chất hai chùm tia bằng cách bù trước pha của các anten phát. Công nghệ này sử dụng các trọng số được tính toán dựa trên môi trường truyền dẫn hoặc thông tin trạng thái kênh (CSI) để cải thiện khả năng thu sóng.

MU-MIMO

Công nghệ MIMO có thể được phân loại thành MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) và MIMO đa người dùng (MU-MIMO) dựa trên số lượng người dùng mà nó cho phép truyền hoặc nhận nhiều luồng dữ liệu cùng lúc.

SU-MIMO tăng tốc độ truyền dữ liệu của một người dùng bằng cách truyền nhiều luồng không gian song song trên cùng một tài nguyên thời gian-tần số đến người dùng đó. Trong hình bên dưới, SU-MIMO được triển khai giữa một AP có bốn anten và một người dùng có hai anten.

MU-MIMO tăng tốc độ truyền tải cho nhiều người dùng bằng cách truyền nhiều luồng không gian song song trên cùng một tài nguyên thời gian-tần số đến nhiều người dùng khác nhau. Trong hình bên dưới, MU-MIMO được triển khai giữa một AP có bốn anten và bốn người dùng, mỗi người dùng có một anten thu.

Truy cập đa người dùng phân chia theo không gian (SDMA) là yếu tố thiết yếu đối với MU-MIMO. SDMA truyền dữ liệu đa người dùng trên cùng một khe thời gian và sóng mang phụ nhưng sử dụng các anten khác nhau để phân biệt người dùng theo không gian, nhờ đó đáp ứng được nhiều người dùng hơn và tăng dung lượng liên kết.

Tham Khảo

[1] https://ebrary.net/194981/computer_science/channel_bonding#69171