Bài viết Nâng cao chất lượng cho các hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa và san bằng đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng cho các hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa và san bằng. Các kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy, phẩm chất BER của thiết kế đề xuất đã cải thiện tốt hơn so với các thiết kế trước đây. Ngoài ra, với việc lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa và san bằng thì độ lợi SNR của hệ thống cũng được tăng lên đáng kể. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nâng Cao Chất Lượng Cho Các Hệ Thống MIMO Sử Dụng Kỹ Thuật Lựa Chọn Ăng-Ten Phát Kết Hợp Tiền Mã Hóa Và San Bằng 1st Bùi Quốc Doanh Khoa viễn Thông Trường Đại học Thông tin Liên lạc Nha Trang, Việt Nam buiquocdoanh@tcu.edu.vn 2nd Nguyễn Văn Chính Khoa viễn Thông Trường Đại học Thông tin Liên lạc Nha Trang, Việt Nam vanchinhsqtt@gmail.com 3rd Trần Thế Nghiệp Khoa viễn Thông Trường Đại học Thông tin Liên lạc Nha Trang, Việt Namy nghiepsqtt@gmail.com 4th Nguyễn Hồng Kiểm Khoa viễn Thông Trường Đại học Thông tin Liên lạc Nha Trang, Việt Nam line 1: 5th Given Name Surname line 2: dept name of organization (of Affiliation) line 3: name of organization (of Affiliation) line 4: City, Country line 5: email address or ORCID line 1: 6th Given Name Surname line 2: dept name of organization (of Affiliation) line 3: name of organization (of Affiliation) line 4: City, Country line 5: email address or ORCID nguyenhongkiem@tcu.edu.vn Tóm tắt— Hệ thống đa ăng-ten hay gọi hệ thống đa đầu vào – đa đầu (MIMO: Multiple Input – Multiple Output) cải thiện hiệu độ tin cậy thông tin vô tuyến Tuy nhiên, hệ thống sử dụng nhiều chuỗi tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) kết hợp với nhiều ăng-ten gây tốn kích thước, cơng suất phần cứng Lựa chọn ăng-ten giải pháp thay đơn giản, giảm chi phí để tận dụng ưu điểm hệ thống MIMO Trong báo này, đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa san Các kết tính tốn mơ cho thấy, phẩm chất BER thiết kế đề xuất cải thiện tốt so với thiết kế trước Ngoài ra, với việc lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa san độ lợi SNR hệ thống tăng lên đáng kể ăng-ten phát với kỹ thuật tiền mã hóa san cho kênh MIMO khơng trải trễ Phần cịn lại báo tổ chức sau: Trong phần 2, giới thiệu mơ hình hệ thống Trong phần 3, chúng tơi phân tích thiết kế kỹ thuật lựa chọn ăng ten phát kết hợp tiền mã hóa san Các kết mô đưa phần 4, báo kết luận phần Các ký hiệu mô tả sau: Các ma trận véc-tơ ký hiệu chữ đậm in hoa in thường; ký hiệu E (.) tập số Từ Khóa— Kênh MIMO; Lựa chọn ăng-ten phát; San bằng; Tỉ lệ lỗi bít; Tiền mã hóa A Mơ hình lựa chọn ăng-ten phát cho hệ thống MIMO phức phép tính kỳ vọng; ký hiệu (.) phép tính chuyển vị liên hiệp phức * II MƠ HÌNH HỆ THỐNG I GIỚI THIỆU Đối với hệ thống MIMO có số lượng ăng-ten lớn (hàng chục, hàng trăm ăng-ten), để có thơng tin trạng thái kênh (CSI: Channel State Information) đường xuống, ăngten máy phát cần phải có nhiều thơng tin hồi tiếp thơng qua đường lên hệ thống song công phân chia theo tần số Và để tránh số lượng lớn thông tin hồi tiếp, phương pháp nén CSI nghiên cứu [1,2] Cịn hệ thống song cơng phân chia theo thời gian, khắc phục vấn đề thông tin hồi tiếp CSI đường xuống thu từ CSI đường lên cách sử dụng kênh đối ngẫu Tuy nhiên, khơng đảm bảo độ xác CSI đường lên máy phát, dẫn đến giảm hiệu suất đường truyền [3] Và nghiên cứu nhà khoa học quan tâm không đảm bảo CSI máy phát, đồng thời giảm chi phí kích thước, cơng suất phần cứng đạt độ lợi công suất tăng dung lượng kênh MIMO kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát [4 - 7] Ví dụ, S Sanayei nhóm tác giả cho thấy việc lựa chọn ăng-ten giữ mức độ phân tập dải ăng-ten [4] Hay để tối đa thông lượng hệ thống MIMO cách lựa chọn tối ưu tập ăng-ten phát kết hợp với số chuỗi giá trị RF lựa chọn tổng số ăng-ten phát [5] Hình 1: Mơ hình hệ thống lựa chọn ăng-ten phát với kỹ thuật mã hóa trước san Hình mơ tả cấu trúc đầu cuối – đầu cuối mơ hình hệ thống MIMO kết hợp lựa chọn ăng-ten phát với MQ khối môđun RF lựa chọn tổng MT ăng-ten phát ( M Q MT ) Ở đây, M Q mơ-đun RF ánh xạ liệu có chọn lọc tới MQ ăng-ten tổng số MT ăng-ten phát Bởi MQ ăng-ten sử dụng tổng số MT ăng-ten phát, kênh hiệu dụng biểu diễn MQ cột kênh M R M T truyền H Đặt pi số cột thứ ith lựa chọn ma trận kênh H, i = 1, 2, , M Q Sau đó, kênh hiệu dụng mơ tả ma trận kích thước M R M T , ký hiệu H Trong báo này, dựa sở báo [8,9], đề xuất phương pháp thiết kế kết hợp lựa chọn tối ưu x M Q 1 p1 , p2 , pMQ M R M T Đặt luồng liệu phát ánh xạ vào M Q ăng- ten lựa chọn Đối với kênh MIMO khơng có trải trễ, phương trình hệ thống lựa chọn ăng-ten phát với luồng liệu thu y biểu diễn phương trình sau: Px H x+n p1 , p2 , , pM Q M Q y= III KỸ THUẬT LỰA CHỌN ĂNG-TEN PHÁT KẾT HỢP TIỀN MÃ HÓA VÀ SAN BẰNG CHO HỆ THỐNG MIMO A Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát Để giảm tối thiểu xác suất lỗi, liệu symbol đầu vào phát theo số lượng ăng-ten lựa chọn Đặt (1) P r Ci → C j H M R 1 Ở đây, Px công suất phát n tạp âm trắng Gaussian trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) Từ phương trình (1) cho thấy, hiệu hệ thống phụ thuộc vào số lượng ăng-ten lựa chọn tổng số ăng-ten phát p1 , p2 , , pMQ từ mã không gian-thời gian Ci phát có C j giải mã cho kênh truyền H với kênh hiệu dụng H đặc tính Ei , j Ei , j = I với số Số lượng MQ ăngH ten lựa chọn để tối thiểu đường bao công thức (4) hay tương đương với phương trình sau: M R ; G ma san có kích thước B M R F ma trận tiền mã hóa có kích thước M T B M Q 1 Với x luồng liệu phát ánh xạ vào MQ ăng-ten lựa chọn truyền qua kênh MIMO trải trễ, ta có luồng liệu y thu từ hệ thống lựa chọn ăngten phát kết hợp với tiền mã hóa san mơ tả Hình biểu diễn phương trình sau: E ( xx ) = I; E (nn ) = R nn ; E ( xn ) = opt opt p1 , p2 , , opt pM Q = p , parg, , pm axA MQ H p , p , , p MQ * MQ Ei , j * arg m ax tr H Ei , j Ei , j H p1 , p2 , , pM Q p1 , p2 , , pM Q AM Q p1 , p2 , , pMQ = arg m ax tr H H p1 , p2 , , pM Q AM Q p1 , p2 , , pMQ p1 , p2 , , pMQ * = arg m ax H p1 , p2 , , pM Q p1 , p2 , , pM Q AM Q F (5) Từ phương trình (5), thấy số lượng ăng-ten phát tương ứng so với số lượng cột chuẩn lựa chọn cho tối thiểu tỷ lệ lỗi bít Do SNR trung bình phía (3) Trong giá trị mũ (.)* ký hiệu chuyển vị liên hợp phức Trong phần tiếp theo, thảo luận giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn kỹ thuật lựa chọn ăng-ten kết hợp tiền mã hóa san máy thu với MQ ăng-ten lựa chọn pi i =1 MQ cho biểu thức sau: p , p , , p F = (2) Ở đây, ma trận tiền mã hóa san thực phép nhân ma trận tuyến tính Ngồi ra, chúng tơi giả sử rằng: * (4) Trong đó, Ei , j ma trận lỗi tập mã Ci C j , có song truyền đi; n vector tạp âm có kích thước * có MQ cột ma trận H MQ Px H Ei , j p1 , p2 , , pMQ F exp − 4M T M R M T , sˆ vector tín hiệu thu có kích thước B s vector tín hiệu phát có kích thước B , B = rank ( H ) min( M R , M T ) số lượng luồng song * Đối MQ Px H Ei , j p1 , p2 , , pMQ F Pr Ci → C j H = MQ p , p , , p MQ 2M T mã hóa F vào khối lựa chọn ăng-ten phát M T trước phát lên kênh truyền H Ở H ma trận kênh có kích thước 2 lựa chọn, giới hạn cho xác suất lỗi theo cặp mã khối không gian-thời gian trực giao, cho phương trình sau: Xét mơ hình hệ thống thơng tin MIMO sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa san Hình Mơ hình hệ thống bao gồm tiền mã hóa F, san G khối điều khiển ăng-ten phát Các luồng liệu đầu vào mã hóa điều chế để tạo luồng symbol liệu chung Sau truyền qua tiền p , p , , p Hình 2: Mơ hình hệ thống lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa san cho hệ thống MIMMO y= p , p , , p B Mơ hình lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa san cho hệ thống MIMO Px GH Fx + Gn p1 , p2 , , pM Q MQ , j i biểu diễn theo cặp MQ = Px MQ H p , p , , p MQ (6) F ( Các phương trình (5) (6) áp dụng cho ăng-ten với SNR cao lựa chọn phía máy thu Có nghĩa p opt , số opt opt p , , pM Q với M Trong đó, R e G, F ( ) R e ( G, F ) := E ee ma trận H, ta có bất đẳng thức sau: H p opt , p2opt , , pMoptQ F H MQ ma trận hiệp phương sai lỗi, định nghĩa theo phương trình sau: cột chuẩn hóa cao Q ) * (13) Sử dụng e biểu thức (10) vào phương trình (13), ta tính phương trình sau: F R e (G, F ) = E[( x − (GH (7) MT Vì M Q M T , nên ta có biểu thức sau: ( x − (GH p , p , , p p , p , , p H p opt opt opt , p2 , , pM Q = H F H p 2 + H p1opt + H p + + H p2opt + + H M T MQ F opt p1opt , p2opt , , pM Q Px H MT opt MQ + GH * * p , p , , p * * * H F p , p , , p * * * MQ MQ p , p , , p Fx + Gn ( L ( , G, F ) = tr[(GH (10) ) p , p , , p (GH * (17) x p1 , p2 , , pM Q F − I) MQ F − I ) + GR nn G ] + tr (FF ) − Px * * (18) Để thiết kế ma trận tiền mã hóa F san G có với F G thỏa mãn điều kiện sau: (11) ) = tr R e (G, F ) * Sử dụng phương trình (12) (16) vào phương trình (17), ta tính biểu thức: F L ( , G, F ) = (19) G L ( , G, F ) = (20) ( 0; tr FF sau: = E tr ee * ( ) − P L ( , G, F ) = c ( G, F ) + tr FF ( ) liên quan đến phân bổ x n tính c (G, F ) = E e * Áp dụng phương pháp Lagrange Duality điều kiện Karush-Kuhn-Tuck (KKT) vào phương trình (11) để thiết kế theo tiêu chí sai số bình phương trung bình nhỏ Xét biểu thức Lagrangian với tham số nhân Lagraingian sau: trị kỳ vọng E * * (16) Trong đó, ma trận F thỏa mãn điều kiện tr FF * Px giá * Fxn G MQ G + Gnn G + GR nn G G,F ( * Giả sử kênh truyền H cố định thông tin trạng thái kênh biết máy thu máy phát Các ma trận F G đuợc thiết kế theo điều kiện sau: R e (G, F ) = GH F − I ) (GH F −I p1 , p2 , , pM Q p1 , p2 , , pM Q (9) MQ : c ( G, F ) = E e p , p , , p Sử dụng giả thiết (3), phương trình (15) rút gọn sau: B Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp với tiền mã hóa san Sau lựa chọn kênh hiệu dụng, ta tiếp tục thiết kế ma trận F G để giảm tối thiểu lỗi symbol theo kỳ vọng E ee* , vector lỗi tính biểu thức sau: GH * G + GH MQ * (15) với tối ưu lựa chọn ăng-ten phương trình (2) tồn H phân bố i.i.d Gaussian Px p , p , , p Điều có nghĩa bậc phân tập M T M R đạt e = x− * * * * Fxx F H MQ − Gnx + Gnx F H F R e (G, F ) = E xx − xx F H G − xn G − GH Fxx p1 , p2 , , pMQ p1 , p2 , , pMQ * = H F Từ bất đẳng thức (9), ta thấy đường biên biên SNR trung bình nhận hàm MQ p Ở Hk đại diện cột thứ k H Từ phương trình (7) (8), ta xác định phạm vi SNR trung bình phía máy thu với ăng-ten lựa chọn tối ưu sau: H * (14) Fx + Gn)) ] Triển khai phương trình (14) ta phương trình sau: (8) Px Fx + Gn )) MQ ( tr FF (12) * * )− P x 0 ) − P = x (21) (22) * đạo hàm ma trận [10], tr ( AXB ) X = BA, tr AX B X = , sau sử dụng phương Áp dụng lý ( thuyết IV CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ) * Để kiểm tra, đánh giá chất lượng thiết kế đề xuất, chúng tơi xây dựng chương trình Monte Carlo để mơ kết tính tốn hệ thống Kết đề xuất so sánh với thiết kế san theo tiêu chí cưỡng khơng (ZF: Zero-Forcing) thiết kế san theo tiêu chí sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error) Mơ hình hệ thống MIMO xem xét trình (18) vào phương trình (19) (20), ta tính mối quan hệ ma trận tiền mã hóa G san F tương ứng sau đây: H p1 , p2 , ,p M Q F=H p1 , p2 , ,p M Q * FF H * p1 , p2 , ,pM Q + R nn G * GF = F H * p , p , , p * G GH MQ * (23) có số lượng ăng-ten phát M T = số lượng ăng-ten thu * p , p , , p G + F * M R = , số lượng ăng-ten lựa chọn M Q = 1, 2, 3; tín (24) MQ hiệu phát sử dụng phương pháp điều chế 4QAM; công suất Từ phương trình (23) (24), ma trận F G thiết kế sau lựa chọn ăng ten phát, đảm bảo lỗi cân cho luồng liệu theo phương trình sau: F = VΦ f * G = Φg V H * p , p , , p MQ −1 R nn phát chuẩn hóa Px ; kênh truyền pha-đinh Rayleigh chọn lọc tần số với nhiễu AWGN (25) Trước hết, tiến hành so sánh phẩm chất BER hệ thống thiết kế ZF, MMSE đề xuất với công suất (26) phát chuẩn hóa Px Quan sát từ Hình 3, ta thấy thiết kế đề xuất có phẩm chất BER tốt so với hai thiết kế san MMSE ZF Cụ thể, mức tổng SNR 30 dB phầm chất BER hệ thống thiết kế đề xuất, MMSE ZF 3.10-4, 2.10-3 5.10-3 Với tính theo biểu thức sau: ( tr Λ = −1/2 ( ) tr Λ −1 ) (27) + Px Trong đó, Φ f Φg ma trận nằm đường chéo ma trận tiền mã hóa F san G, tính phương trình sau: 1/2 P x = −1 tr Λ ( ) Φf 1/2 Φg P x = −1 tr ( Λ ) Λ −1/2 (28) P −1/2 x Λ + −1 tr ( Λ ) −1 (29) Hình 3: Phẩm chất BER thiết kế Theo thiết kế kênh có giá trị yếu dùng công suất cao hơn, ngược lại kênh có giá trị mạnh dùng công suất thấp Và ma trận đường chéo Λ V tính từ phép tính phân rã trị riêng (EVD) sau: H * p , p , , p MQ R nn H p , p , , p MQ * Λ = (V V ) V V) ( Λ (30) Trong V V ma trận trực giao có kích thước M Q B M Q ( M Q − B ) tạo thành từ không gian hạng H* p , p , p MQ R nn H p , p , p ; Λ Λ ma MQ trận đường chéo Với Λ chứa B giá trị không âm xếp theo thứ tự giảm dần từ phía bên trái xuống phía bên phải cịn Λ chứa trị riêng khơng 10 Kết mơ giải thích sau: so với thiết kế san ZF thiết kế san MMSE không chịu ảnh hưởng lớn hiệu ứng khuếch đại tạp âm san MMSE có tính đến đặc tính tạp âm cịn san ZF sử dụng lọc nghịch đảo đầu thu để cưỡng ảnh hưởng đáp ứng kênh truyền Vì vậy, phương pháp san MMSE ln cho phẩm chất BER tốt phương pháp san ZF Trong phương pháp này, thiết kế đề xuất cho phẩm chất BER tốt có phân bổ công suất chia kênh nên số kênh có giá trị riêng thấp truyền tín hiệu tới phía thu Cịn phương pháp san MMSE phải chịu buộc loại bỏ nhiễu công suất phát nên hệ thống bị giới hạn công suất phát dẫn đến phân bổ lượng kênh có chênh lệch lớn đặc biệt kênh có giá trị riêng thấp, dẫn đến số tín hiệu kênh có giá trị riêng thấp truyền tới đầu thu phân bổ cơng suất, phẩm chất BER phương pháp thấp so với thiết kế đề xuất quả mô cho thấy thiết kế đề xuất tận dụng tốt lượng kênh con, đồng thời cải thiện tốt phẩm chất BER hệ thống so với thiết kế trước Ngồi ra, có kết hợp lựa chọn ăng-ten phát độ lợi SNR hệ thống tăng lên đáng kể Trong tương lai, chúng tơi hy vọng đánh giá thêm nhiều khía cạnh khác dung lượng, hiệu sử dụng phổ độ phức tạp hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO J Joung and S Sun, “SCF: Sparse channel-state-information feedback using Karhunen-Lo` eve transform,” in Proc IEEE Global Commun Conf (GLOBECOM), Austin, TX, USA, Dec 2014, pp 399–404 [2] E Kurniawan, J Joung, and S Sun, “Limited feedback scheme for massive MIMO in mobile multiuser FDD systems,” in Proc IEEE Int Conf Commun (ICC), London, UK, Jun 2015 [3] J.-C Shen, J Zhang, and K Letaief, “Downlink user capacity of massive mimo under pilot contamination,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 14, no 6, pp 3183 – 3193, Jun 2015 [4] S Sanayei and A Nosratinia, “Antenna selection in MIMO systems,” IEEE Communications Magazine, vol 42, pp 68 – 73, October 2004 [5] A Dua, K Medepalli, and A Paulraj, “Receive antenna selection in MIMO systems using convex optimization,” IEEE Trans Wireless Communications, vol 5, pp 2353 –2357, September 2006 [6] H Zhang and H Dai, “Fast transmit antenna selection algorithms for MIMO systems with fading correlation,” in Proc IEEE Veh Technol [7] A F Molisch and M Z Win, “MIMO systems with antenna selection,” IEEE Microwave Mag., vol 5, no 1, pp 46–56, Mar 2004 [8] Seyran Khademi, Sundeep Prabhakar Chepuri, etc “Zero-forcing preequalization with transmit antenna selection in MIMO systems,” 2013 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, May 2013 [9] H Sampath, P Stoica, and A Paulraj, “Generalized linear precoder and decoder design for MIMO channels using the weighted MMSE criterion,” IEEE Transactions on Communications, vol 49, no 12, pp 2198–2206, 2001 [10] H Lutkepohl, Handbook of Matrices New York: Wiley, 1996 [1] Hình 4: Phẩm chất BER thiết kế đề xuất kết hợp lựa chọn ăng-ten phát: M T = M R = M Q = 1, 2, Ngoài ra, quan sát từ Hình thấy rằng, độ lợi SNR hệ thống có xu hướng giảm dần lựa chọn số ăng-ten phát từ M Q = đến M Q = Cụ thể, để đạt BER 10-6 SNR thiết kế đề xuất kết hợp lựa chọn ăng-ten phát M Q = 1, 2, có giá trị tương ứng 12.5, 19 27 dB Trong trường hợp không lựa chọn ăng-ten phát M T = M Q , để đạt BER 8.10-3 SNR ( ) thiết kế đề xuất có giá trị 30 dB Điều cho thấy có lựa chọn ăng-ten phát, độ lợi SNR hệ thống tăng nhiều so với không lựa chọn ăng-ten phát IV KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải pháp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp thiết kế tiền mã hóa san cho hệ thống MIMO Xét điều kiện giới hạn công suất phát, kết 11 ... LỰA CHỌN ĂNG-TEN PHÁT KẾT HỢP TIỀN MÃ HÓA VÀ SAN BẰNG CHO HỆ THỐNG MIMO A Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát Để giảm tối thiểu xác suất lỗi, liệu symbol đầu vào phát theo số lượng ăng-ten lựa chọn. .. giao, cho phương trình sau: Xét mơ hình hệ thống thơng tin MIMO sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp tiền mã hóa san Hình Mơ hình hệ thống bao gồm tiền mã hóa F, san G khối điều khiển ăng-ten. .. Điều cho thấy có lựa chọn ăng-ten phát, độ lợi SNR hệ thống tăng nhiều so với không lựa chọn ăng-ten phát IV KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải pháp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát kết hợp thiết kế tiền