Hệ thống MIMO 3

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông Hệ thống MIMO

Phần 3.2: Tách sóng đa người dùng cho kênh SISO: Cụ thể là ta xét tóm tắt bốn

loại máy thu đa người dùng cho đường lên gồm: (i) máy thu truyền thống; (ii) máy thu giải tương quan; (iii) máy thu sai số trung bình quân phương tối thiểu (MMSE);

(iv) máy thu khử nhiễu song song đa tầng (MPIC).

Phần 3.3: Kiến trúc không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí

nghiệm Bell V-BLAST: Kiến trúc V-BLAST; xét và so sánh giữa khử nhiễu liên tiếp SIC và khử nhiễu song song PIC một cách ngắn ngọn

Phần 3.4: Tách sóng đa người dùng với V-BLAST trên kênh MIMO Xét mô

hình hệ thống, các cấu trúc máy thu điểm hình, vấn đề khử nhiễu song song đa tầng PIC.

3.2 TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG CHO KÊNH SISO

3.2.1 Mô hình hệ thống

Tín hiệu băng gốc thu r(t) từ K người dùng được công thức hóa như sau:

đồng bộ ở đường lên; θk là pha thu của người dùng thứ k so với pha tham chiếu; hk thể hiện hệ số kênh pha đing và pha ở dạng phức Hệ số pha đinh được mô hình hóa là biến ngẫu nhiên Gaussian phức trị trung bình không phương sai 0,5 độc lập thống kê Nếu chỉ xét trong môi trường kênh AWGN thì bỏ qua hệ số hk; n(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng Hình 3.1 minh họa hệ thống được định nghĩa bởi công thức (3.1) và (3.2)

3.2.2.1 Máy thu truyền thống

Số liệu đủ để xác định ký hiệu phát b từ đầu ra bộ tương quan y ở dạng vectơ là:

trong đó: R là ma trận tương quan có kích cỡ KNf xKNf; W là ma trận đường chéo

kích cỡ KNfxKNf có các phần tử là căn bậc hai năng lượng thu của người dùng; b là

các véctơ ký hiệu số liệu của mọi người dùng có độ dài KxNf , trong đó mỗi phần tử tương ứng với ký hiệu số liệu; K là số người dùng tích cực; Nf là kích cỡ của các ký hiệu số liệu phát liên tục (kích cỡ khung).

R =

trong đó: T là chu kỳ ký hiệu.

Số đo quyết định cho máy thu truyền thống là:

ˆ sgn[ ] sgn==

Cho thấy, ma trận tương quan R ảnh hưởng lên việc quyết định ký hiệu phát,

nghĩa là bộ tách sóng truyền thống đối phó kém đối với nhiễu từ các người dùng khác đặc biệt ở đường lên (hệ thống không đồng bộ), bởi lẽ khó đảm bảo tính trực giao cho các chuỗi dấu (chuỗi trải phổ) với mọi dịch thời Vì vậy, với bộ tách sóng truyền thống không thể tránh được nhiễu đa người dùng MUI trong hệ thống không đồng bộ.

3.2.2.2 Máy thu giải tương quan

Bộ tách sóng tuyến tính là bộ tách sóng có số đo quyết định là

với giả thiết là hoàn toàn biết về pha và thời gian trễ

Biến đổi tuyến tính T được suy ra từ việc tối đa hóa hàm khả năng giống ML

hoặc giảm thiểu hàm giá phương trình (3.9):

Ta tìm được các ký hiệu tách sóng trong (3.8) bằng hàm lấy dấu sign lên từng

phần tử của best.

3.2.2.3 Máy thu MMSE

Máy thu MMSE là máy thu dùng bộ tách sóng tuyến tính bằng cách giảm thiểu lỗi trung bình bình phương MSE giữa ký hiệu phát & đầu ra bộ chuyển đổi

N®0 MMSE tìm kiếm sự cân bằng giữa việc khử nhiễu & việc giảm sự gia tăng

tạp âm Vì vậy, máy thu MMSE tốt hơn máy thu giải tương quan tại SNR thấp đồng

thời hiệu năng của nó tiến đến hiệu năng của máy thu giải tương quan tại SNR cao.

3.2.2.4 Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC

Máy thu đa tầng bao gồm nhiều tầng loại bỏ nhiễu, được kết hợp với khái niệm loại bỏ nhiễu song song Tại mỗi tầng của MPIC dùng một máy thu bất kỳ nhưng nhưng độ chính xác của tầng đầu tiên hoặc tầng trước đó ảnh hưởng lên hiệu năng của toàn máy thu Ở đây, ta xét tầng đầu tiên dùng máy thu truyền thống để ước tính độ lợi kênh và ký hiệu số liệu Các ước tính của mỗi người dùng được dùng để loại bỏ nhiễu từ người dùng khác bằng cách trừ khử nhiễu ra khỏi tín hiệu mong muốn Việc khử nhiễu phụ thuộc vào tính chính xác của ước tính tại tầng trước Do tính thiếu chính xác của ước tính dẫn đến việc khử nhiễu không triệt để ở hệ thống thực, có thể dùng nhiều tầng hoặc kỹ thuật ước tính hữu hiệu hơn Ngoài ra, dùng kỹ thuật loại bỏ nhiễu từng phần tại mỗi tầng để cải thiện sơ đồ MPIC nhằm giảm sự lệch trong các con số thống kê quyết định của MPIC.

Số đo quyết định cho sơ đồ loại bỏ song song S tầng được biểu diễn là:

( )ˆ sgn[= s ]

r là tín hiệu tầng s của người dùng thứ k sau khi loại bỏ nhiễu; ˆτk là ước tính thời gian trễ của người dùng thứ k Sự lệch ước tính tăng tuyến tính theo tải của hệ thống dẫn đến ảnh hưởng lên các thống kê quyết định đặc biệt đối với tầng đầu tiên Ở các tầng sau các ảnh hưởng này được giảm thiểu Giải pháp để giảm ảnh hưởng của chệch ước tính là đưa hệ số loại bỏ nhiễu từng phần C(s) như sau:

3.3 KIẾN TRÚC V-BLAST

Xử lý tín hiệu V-BLASTKênh

Số liệu phát

Số liệu thu

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống V-BLAST

trong đó: H là ma trận kênh kích cỡ nRxnT, mỗi phần tử hi,j là hệ số pha đing phức từ

anten phát j đến anten thu i, và được mô hình hóa bởi biến ngẫu nhiên Gauss phức

độc lập trị trung bình 0 và phương sai 0,5; a là vector ký hiệu phát kích cỡ nTx1; n là

vector thành phần AWGN trên mỗi anten thu có trị trung bình 0 và phương sai 2

Ma trận rỗng hóa G được mô tả bởi (3.16) và (3.17) cho tiêu chuẩn ZF và

MMSE theo ma trận giả đảo của H:

( + )−1 +

nd

Ta xét ngắn gọn hệ thống khử nhiễu được trình tự hóa (Ordered) và hệ thống khử nhiễu không được trình tự hóa (non-ordered), và so sánh kỹ thuật ZF & MMSE

trên cơ sở PIC & SIC Để áp dụng MMSE, cần phải biết SNR ở máy thu Vì vậy, việc biết SNR cũng được giả định ở máy thu.

3.3.2.1 Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC

Thuật toán tách sóng SIC thực hiện loại bỏ nhiễu ở đầu ra của một lớp một cách liên tiếp trên mỗi lần lặp Việc thứ tự hóa các lớp tách sóng ảnh hưởng lên hiệu

năng của bộ tách sóng SIC Trước hết, khởi tạo ma trận rỗng hóa (nulling matrix)

theo công thức (3.16) và (3.17) tương ứng với tiêu chuẩn ZF và MMSE với giả thiết ước tính kênh hoàn hảo.

Đối với sơ đồ được trình tự hóa, cần phải xác định giá trị lớn nhất của SNR sau tách

sóng, điều này tương ứng với việc chọn độ dài vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G có giá trị nhỏ nhất trong mỗi lần lặp Tín hiệu lớp đầu tiên được tách sóng với vector hàng của G xóa bỏ tín hiệu từ tất cả các anten khác được cho ở (3.18) Tín hiệu thu sau loại bỏ nhiễu lớp thứ i có dạng:

trong đó: ˆa là ký hiệu được tách sóng ở bước i; ( )H i là cột thứ i của ma trận kênh; G

thường xuyên được cập nhật bằng cách rỗng hóa ma trận kênh giả nghịch trước đó Quá trình này được lặp lại đến khi ký hiệu từ tất cả các anten phát được tách sóng.

Đối với sơ đồ không được trình tự hóa, không cần phải xác định giá trị lớn nhất của

SNR sau tách sóng mà chọn ngẫu nhiên vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G.

3.3.2.2 Loại bỏ nhiễu song song

Bộ tách sóng V-BLAST dựa trên PIC không nhận được độ lợi khi thực hiện trình tự hóa các lớp.

Tại tầng đầu tiên, tất cả các lớp đều được tách sóng đồng thời theo (3.19)

trong đó: G là ma trận giả nghịch của ma trận kênh kích cỡ nTxnR; r là vetơ ký hiệu

thu; ˆa là dạng vectơ của mọi lớp được tách sóng Phương trình (3.6) mô tả quá trình loại bỏ nhiễu bằng cách trừ khử nhiễu của (nT-1) lớp còn lại Tín hiệu thu sau loại bỏ nhiễu bước đầu tiên được thực hiện bởi:

( )a

j kˆ¹

trong đó: rk là vectơ ký hiệu thu được loại bỏ nhiễu ở lớp thứ k; ( )H j là vectơ cột thứ

Tại tầng thứ 2, tính toán lại ma trận rỗng hóa (cập nhật) bằng cách rỗng hóa ma trận

kênh nhưng ở lớp thứ k Vì vậy, ma trận rỗng hóa trở thành vectơ hàng có kích cỡ 1xnR như phương trình (3.7).

Bằng cách nhân rk từ (3.20) với Gk từ (3.21), bộ tách sóng V-BLAST/PIC khôi

phục mọi phần tử của vectơ ký hiệu phát a.

3.3.3 Ảnh hưởng của truyền lan lỗi

Hiệu năng của V-BLAST bị ràng buộc bởi tính chính xác của các ký hiệu được khôi phục ở lớp trước đó hoặc tầng trước đó tương ứng với SIC hoặc PIC.

Trường hợp V-BLAST/SIC, tín hiệu thu sau khi loại bỏ nhiễu của (k-1) lớp được

biểu diễn bởi:

( j(i) - (i)j ) T ( j(i))

nk 1

Trường hợp V-BLAST/PIC, tín hiệu thu sau khi loại bỏ nhiễu tầng đầu tiên được

biểu diễn bởi:

xảy ra truyền lan lỗi.

3.4 TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG VỚI V-BLAST TRÊN MIMO

3.4.1 Mô hình hệ thống

Tín hiệu thu băng tần gốc từ K người dùng được biểu diễn là

tín hiệu thu ở dạng vectơ là r(t)= ëér (t)r (t) r (t)12nRùû Trong đó: chỉ số trên thể hiện cho

anten thu; Hk là ma trận kênh pha đinh MIMO kích cỡ nTxnR ảnh hưởng lên người dùng thứ k, các phần tử hkij là độ lợi kênh pha đinh phức đường truyền từ anten phát

thứ j đến anten thu thứ i được mô hình hóa là biến ngãu nhiên Gausian phức độc lập

thống kê có trị trung bình không và phương sai là 0,5; ak là vecơ ký hiệu phát kích cỡ

k(t)= ëéb (t)b (t) b (t)kkkùû

a, nghĩa là ak được phân kênh từ luống đầu vào bk phân

kênh ở đây là sơ đồ mã hóa cho V-BLAST ở phía phát; τk là thời gian trễ thể hiện cho sự không đồng bộ ở đường lên và không cần thiết xét ở đường xuống; θk là pha tương đối của tín hiệu thu người dùng thứ k; Pk là công suất tín hiệu thu của người dùng k; ck(t) là chuỗi trải phổ Mô hình được cho ở hình 3.3

Bộ mã hóa vector

Bộ mã hóa vector

Hình 3.3 Mô hình hệ thống MIMO-VBLAST đa người dùng

3.4.2 Máy thu đa người dùng

3.4.2.1 Máy thu truyền thống

Cấu trúc máy thu được thực hiện bởi ngân hàng bộ tương quan (hoặc bộ lọc thích hợp) tại mỗi anten sau đó là khối tách sóng V-BLAST Đầu ra của mỗi ngân

hàng bộ lọc được sắp xếp lại vào dạng vectơ cho mỗi người dùng Đầu ra bộ tương

quan yi tại anten thứ i được giải trải phổ bởi chuỗi trải phổ của mỗi người dùng, được

công thức hóa bởi

(3.27)phần tử R(i) kích cỡ KxK được xác định là:

ρ (i)c (t-τ )c (t+iT-τ )dt

trong đó: T là chu kỳ ký hiệu; W là ma trận đường chéo kích cỡ KNfxKNf có các phần tử là căn bậc hai năng của lượng thu người dùng; K là số người dùng trong hệ thống; Nf là số ký hiệu liên tục (kích cỡ khung) ; Xi là véctơ các ký hiệu số liệu của mọi người dùng độ dài KxNf truyền trên kênh MIMO được mô tả bởi (3.29) Mỗi phần tử được biểu diễn theo (3.30).

() 1

kk+ k-k+=

2d

loại bỏ các anten hay nhiễu không gian bởi thuật toán tách sóng V-BLAST theo kiểu PIC hoặc SIC Vì vậy, các ký hiệu khôi phục được trình bày bởi :

Ngân hàng bộ tương quan

Tach sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Hình 3.4 Cấu trúc của máy thu truyền thống cho hệ thống V-BLAST đa người dùng

3.4.2.2 Máy thu giải tương quan

Máy thu giải tương quan dùng bộ tách sóng tuyến tính thực hiện khử nhiễu bởi chuyển đổi tuyến tính để tìm số đo quyết định.

Trước hết, cần phải loại bỏ nhiễu bằng cách

i, i 1, 2, ,nR

Sau đó, một khi đã sắp xếp lại tín hiệu giải tương quan, thực hiện thuật toán tách

sóng V-BLAST lên tín hiệu zi trong đó giảm được nhiễu không gian và thực hiện quyết định như sau:

( 1 2 )

ˆ [ R] , k=1,2, Kk

nTk kkGz zz

Ngân hàng bộ tương quan

Anten thu Rx# nRr(t)

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

T = R-1

T = R-1

Hình 3.5 Cấu trúc của bộ giải tương quan cho hệ thống đa người dùng V-BLAST

3.4.2.3 Máy thu MMSE

Loại khác của tách sóng tuyến tính là nếu biến đổi tuyến tính giảm thiểu lỗi trung bình bình phương MSE giữa ký hiệu phát và đầu ra của bộ biến đổi tuyến tính

 Θ - TyΘ - Ty  nghĩa là tiêu chuẩn MMSE Vì vậy, việc biến đổi tuyến tính của

máy thu giải tương quan đã được đề cập ở trên được thay bởi

( 2) 10

nTk kkGz zz

3.4.2.4 Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC

Kỹ thuật loại bỏ nhiễu đa tầng cho kênh SISO cũng được dùng cho MIMO BLAST Hình 3.6 minh họa bộ tách sóng hai tầng, trong đó dùng ngân hàng bộ tương quan tại tầng đầu Hiệu năng của MPIC phụ thuộc nhiều vào tính chính xác của bộ tách sóng tầng đầu tiên Do kỹ thuật này giảm nhiễu đa truy nhập MAI bằng cách loại bỏ nhiễu đã được tách ở tầng trước đó ra khỏi tín hiệu mong muốn Vì vậy số lượng tầng là nhân tố quan trọng đối với hiệu năng BER nhưng cấu trúc của máy thu phức tạp hơn khi số lượng tầng lớn Khi dùng mã hóa kênh mạnh như Turbo-BLAST sẽ cải thiện hiệu năng của MPIC và giảm số tầng Tuy nhiên, đề tài chỉ xét các đặc tính của máy thu MPIC không dùng mã hóa kênh như được cho ở hình 3.6, trong đó mỗi phần tử của vectơ tín hiệu thu qua các ngân hành bộ tương quan.

V-Trước hết là, mỗi bộ tương quan tại mỗi anten thu cung cấp tín hiệu ước tính của K

người dùng, đầu ra này được sắp xếp vào dạng vector mà mỗi phần tử của nó tương ứng với tín hiệu của người dùng thứ k.

Sau đó là, thực hiện thuật toán V-BLAST lên ma trận giả nghịch Gk, k=1,2,….,K để giảm nhiễu không gian Đầu ra này là tín hiệu ước tính ở tầng đầu Giảm nhiễu đa truy nhập MAI bằng tính trực giao của chuỗi trải phổ của mỗi người dùng, sau đó các tín hiệu được tái tạo này qua ma trận kênh MIMO (ma trận kênh nên được ước tính bằng cách dùng tín hiệu hoa tiêu) Ta mong muốn việc loại bỏ MAI ở tầng sau chủ yếu dựa vào tính chính xác của các ký hiệu thu từ tầng đầu và cũng là tính chính xác của ước tính kênh Việc loại bỏ các tín hiệu sau khi được tách ra khỏi tín hiệu thu r(t) dẫn đến loại bỏ MAI Thực hiện lặp lại để khôi phục tín hiệu phát của mọi người dùng ở tầng tiếp theo bằng cách dùng các tín hiệu thu cập nhật.

Ngân hàng bộ tương quan

Ngân hàng bộ tương quan

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Anten thu Rx# nR

Ngân hàng bộ tương quan

Ngân hàng bộ tương quan

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Tách sóng V-BLAST

Hình 3.6 Cấu trúc của bộ tách sóng hai tầng cho hệ thống đa người dùng V-BLAST

Ở dạng toán học, ta mô tả số đo quyết định (decision metric) cho sơ đồ loại trừ nhiễu song song MPIC s tầng là:

Kỹ thuật giảm sự chệch ước tính cho khử nhiễu đa tầng, chệch ước tính tăng tuyến tính theo tải hệ thống vì vậy ảnh hưởng lên số liệu thống kê quyết định trong tầng đầu của loại bỏ MAI, ảnh hưởng này được giảm bớt ở tầng sau Giảm ảnh hưởng của chệch ước tính này bằng cách dùng hệ số loại bỏ từng phần C(s) có giá trị trong khoảng [0,1] Phương trình toán học loại bỏ nhiễu xét đến hệ số loại bỏ nhiễu từng phần C(s) là:

3.5 KẾT LUẬN

Chương này ta đã xét: Tách sóng đa người dùng cho kênh SISO dùng máy thu truyền thống; máy thu giải tương quan; máy thu sai số trung bình quân phương tối thiểu (MMSE); máy thu khử nhiễu song song đa tầng (MPIC) Xét tóm tắt kiến trúc V-BLAST; xét và so sánh giữa khử nhiễu liên tiếp SIC và khử nhiễu song song PIC một cách ngắn ngọn Tách sóng đa người dùng với V-BLAST trên kênh MIMO Xét mô hình hệ thống, các cấu trúc máy thu điểm hình, vấn đề khử nhiễu song song đa tầng PIC.