Kỹ thuật precoding và postcoding trong hệ thống thông tin đa tế bào đường xuống

28 Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương KỸ THUẬT PRECODING VÀ POSTCODING TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA TẾ BÀO ĐƯỜNG XUỐNG PRECODING AND POSTCODING TECHNIQUES IN THE MULTICELL DOWNLINK T[.]

Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương 28 KỸ THUẬT PRECODING VÀ POSTCODING TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA TẾ BÀO ĐƯỜNG XUỐNG PRECODING AND POSTCODING TECHNIQUES IN THE MULTICELL DOWNLINK TRANSMISSION SYSTEM Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: ndnvien@dut.udn.vn Tóm tắt - Nhiễu giao thoa yếu tố làm giảm hiệu suất mạng đa tế bào sử dụng lại tần số Nghiên cứu phối hợp hoạt động BS cell với để hạn chế triệt nhiễu giao thoa hướng tiếp cận đầy hứa hẹn để nâng cao tốc độ liệu mạng đa cell Ở kênh quảng bá (đường xuống) mạng, việc triệt hoàn toàn giao thoa thực ma trận precoding đầu phát ma trận postcoding đầu thu Trong nghiên cứu mã hóa nay, phần lớn báo có tập trung vào tiền mã hóa trạm gốc mà chưa đề cập đến mã hóa thuê bao thu xa Khác với báo công bố, báo đề xuất phương pháp thiết kế ma trận precoding postcoding mạng đa cell sử dụng lại tần số Hơn nữa, giới thiệu thuật toán phân bổ cơng suất phát để tối ưu tốc độ liệu (dung lượng) mạng Một vài mô máy tính tiến hành để kiểm chứng lại khả hệ thống thiết kế Abstract - Interference is a factor that limits the performance of a dense cellular network with frequency reuse Researching into the cooperation among base stations (BSs) to eliminate or mitigate interference is a promising approach for improving the data rates For the downlink, we can eradicate interference by using precoding matrices at the transmitting side and postcoding matrices at the receiving side Among the present researches on encryption, most of the published papers focus only on pre-coding at the base station but not mention the encryption of the subscibers at the remote receiver Unlike the other papers, this paper presents a method to design precoding and postcoding matrices in a dense cellular network with frequency reuse Moreover, an algorithm for allocating the output capacity is introduced to maximaze the network capacity Several computer simulations are provided to verify the performance of the suggested precoding and postcoding techniques Từ khóa - mạng đa tế bào; precoding; postcoding; kênh quảng bá; phân bổ công suất tối ưu Key words - multicell network; precoding; postcoding; broadcast channel; optimal power allocation Giới thiệu Đa người dùng đa anten MU MIMO (Multi-user multiple-input multiple-output) kỹ thuật truyền dẫn đem lại hiệu phổ cao hệ thống thông tin di động LTE–A (Long Term Evolution - Advanced), đó, trạm gốc BS (Base Station) phục vụ nhiều trạm di động MS (Mobile Station) nhờ kỹ thuật ghép kênh phân chia không gian [1], [2] Vì tần số tài nguyên hạn hẹp nên việc tái sử dụng lại tần số gây giao thoa kênh lân cận làm suy giảm chất lượng tín hiệu dung lượng mạng [3] Để hạn chế ảnh hưởng giao thoa từ tế bào khác từ người dùng khác, kỹ thuật beamforming áp dụng thơng tin vơ tuyến [4] Đã có nhiều nghiên cứu khác thời gian qua để giải vấn đề [5, 6, 7], nhiên, tốn đa tế bào chưa có câu trả lời thoả đáng Bài báo đề xuất kỹ thuật triệt giao thoa đa tế bào, đa người dùng sở kỹ thuật tiền mã hoá đường chéo hoá khối BD (block diagonalization) [8] Trong đó, ma trận tiền mã hoá (precoding) bao gồm ma trận: ma trận dùng để khử giao thoa liên tế bào, ma trận thứ hai khử giao thoa liên người dùng ma trận thứ ba dùng để phân bổ công suất nhằm tối đa hóa dung lượng hệ thống Ngồi ra, ma trận mã hoá sau (postcoding) kỹ thuật tối ưu hố cơng suất phát thiết kế cách chi tiết báo thứ k (k=1, ,K c) trang bị N c , B anten phát N c , k anten thu Tín hiệu nhận trạm di động thứ k tế bào thứ c viết thành Mơ hình hệ thống Xét mạng có C tế bào với tế bào c (c=1, ,C) bao gồm trạm gốc (BSc) K c trạm di động (MS c , k ) Trong tế bào c (c=1, ,C), trạm gốc trạm di động y c , k = H cc , k Tc , k sc , k + H cc , k Kc  Tc , k s c , k  k  =1, k   k + C Kc   H c c , k (1) Tc, k  sc, k  + n c , k , c  =1, c   c k  =1 s c , k tín hiệu mà BSc muốn truyền tới BSc, s c , k  tín hiệu BSc mong muốn truyền tới MS c , k  bị giao thoa qua MS c , k , ta gọi tín hiệu ICI (intra-cell interferes), sc, k  tín hiệu BSc mong muốn truyền tới MS c ', k  bị giao thoa qua MS c , k , ta gọi tín hiệu OCI (out-of-cell interferes), Hcc, k  Nc,B  Nc,k ma trận kênh truyền từ BSc tới MS c , k Hcc, k  Nc,B  Nc,k ma trận kênh truyền từ BSc tới MS c , k , Tc , k , Tc , k  , Tc ', k ' ma trận precoding nhân theo thứ tự cho tín hiệu s c , k , sc , k  , sc, k  nc, k  Nc,k  vector nhiễu trắng Gaussian phức có trung bình ma trận hiệp phương sai Tại MS c , k , tín hiệu nhận nhân ma trận postcoding WcH, k sau yˆ c , k = WcH, k y c , k = WcH, k H cc , k Tc , k s c , k + WcH, k H cc , k Kc  Tc , k s c , k  (2) k  =1, k   k + WcH, k C Kc   H c c , k Tc , k sc , k  + WcH, k n c , k c  =1, c   c k  =1 Theo (2), tín hiệu nhận MS c , k bao gồm tín hiệu mong muốn WcH, k Hc, k Tc,k sc, k , ICI: WcH, k H c , k Kc  k  =1, k   k Tc , k s c , k  ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(82).2014 OCI: WcH, k C Kc   H c , k Pc, k s c, k  Sự có mặt tín c  =1, c   c k  =1 hiệu OCI ICI làm giảm chất lượng truyền dẫn mạng Do đó, ma trận precoding Tc = Tc ,1 , ., Tc , Kc  ( c = 1, ., C ), thiết kế cho vừa triệt tiêu ICI vừa triệt tiêu OCI Trong này, nghiên cứu phương pháp thiết kế Tc, gọi tên phương pháp BD-null space 29 V Lcc , j vector riêng bên phải (đặt Lcc , j hạng H cc , j ), Vcc(0),j (N c , B − Lcc , j) vector riêng bên phải cuối Do đó, Vcc(0),j dạng sở trực giao cho không gian không H cc , j , tức H cc , j Vcc(0),j = Tiếp tục thực phân tích SVD H cc , j Vcc( 0),j H H cc , j Vc0 Vcc(0), j = U cc , j  Σcc , j 0  Vcc(1), j Vcc(0), j  (8) (1) cc , j Từ (4),(7) (8) ta thành lập ma trận precoding ma trận postcoding 1/2 Tc = Pc Λ c =  Vc0 Vcc(0),1Vcc(1,1) Vc0 Vcc(0),2 Vcc(1),2 Vc0 Vcc(0), Kc Vcc(1), Kc  Λ c 1/2  Wcc,1 Wcc, =  U Hcc,1 U Hcc,2 Wc = (9) Wcc , Kc  U Hcc, Kc  , Λ c ma trận đường chéo chứa thành phần công suất phát phân bổ cột Pc • Phân bổ cơng suất phát tối ưu (Water Filling) Hình Mơ hình mạng 3-tế bào Trong tế bào có BS phục vụ nhiều MS, MS bị ảnh hưởng từ BS tế bào lân cận Thiết kế ma trận precoding postcoding  C   K c  N c, B      c =1,c c   Xét tế bào c, ta đặt ma trận G c  ma trận kênh truyền từ tới BSc MS c, k ( c = 1, ., C , c  c, k = 1, ., K c ) , G c viết G c =  H c1,1 , , H c1, K1 , ., H c ( c −1),1 , , H c ( c −1), Kc−1 , H c ( c +1),1 , , H c ( c +1) , Kc+1 , (3) , H cC ,1 , , H cC , KC  Thực phép phân tích Single Value Decomposition (SVD) cho G c , ta H G c = U c  Σc 0  Vc(1) Vc(0)  , (4) thành phần Vc0 không gian khơng G c , có nghĩa G c Vc0 = Như vậy, với việc sử dụng thành phần Vc0 , tín hiệu OCI khơng mong muốn từ BScđến MS c , k bị triệt tiêu Phương pháp trình bày sau sử dụng để loại bỏ ICI • Phương pháp BD-nullspace Sử dụng phương pháp BD đề cập [8] cho tế bào c, với ma trận kênh truyền lúc trở thành T T H = ( H c c ,1Vc0 ) , ., ( H c c , Kc Vc0 ) T  (5)   Theo [2], ta định nghĩa ma trận Hcc , j ( j = 1, , Kc ) từ H có dạng T T H cc , j = ( H cc ,1Vc0 ) , , ( H c c , j −1Vc0 )  (6) T T , ( H cc , j +1Vc0 ) , , ( H cc , Kc Vc0 ) T  ,  thực phân tích SVD H cc , j H H cc , j = U cc , j Σcc , j  Vc(1) Vcc(0), j  , (7) c, j Giả sử tổng công suất phát cho tất anten phát tế bào c Pt , c Ma trận precoding lúc Pc Ta có điều kiện ràng buộc tổng công suất phát sau (10) Trace Tc sc scH TcH  Pt ,c ,   T sc =  sTc,1 , sTc,2 , ., sTc,Kc  vector kí tự liệu phát từ BSc tới MSc Theo (9), Tc = Pc Λ1/c với Pc = Pcc,1 Pcc ,2 Pcc , Kc  =  Vc0 V1(0) V1(1) Vc0 V2(0) V2(1) Vc0 VK(0)c VK(1)c  Λc = diag c ,1 , c ,2 , , c , Kc  = diag 1,1 , , 1, Nc,1 ; ; Kc ,1 , , Kc , Nc,Kc  ma trận đường chéo chứa mức công suất phân bổ anten, kí hiệu k ,u biểu diễn cho mức công suất anten thứ k trạm MS thứ u Công thức (10) viết lại thành  = Trace Λ Trace Pc Λ1/c s c s cH ( Λ1/c ) PcH H (Λ ) = Trace Λ P P  1/ H c 1/ c c Kc = i =1  N c ,i  j =1 H c P Pc H c   (11) c i , j  PcH Pc  Kc  Nc,i   i =1  Pt ,c Kc  Nc,i j, j =1 i =1 j j =1 Để đơn giản khảo sát, mô phỏng, ta thường sử dụng kịch phân bổ mức công suất lên 1,1 , = = 1, Nc,1 = = Kc ,1 = = anten, lúc Kc , Nc,Kc =  Theo (11),  tính Pt , c = K c  N c ,i   PcH Pc'  Kc  Nc,i Kc  Nc,i i =1 j =1 (12)   j ,  j i =1 = Pt , c Trace PcH Pc  j =1 i =1 j =1 Tuy nhiên, tính chất kênh truyền không nhau, nên cách phân bổ công suất không đạt kết tối ưu mặt dung lượng Do đó, để đạt mức dung lượng tối ưu, ta phải phân bổ công suất cách Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương 30 tối ưu, không cách giải toán tối ưu dung lượng với điều kiện ràng buộc tổng cơng suất phát Bài tốn tối ưu dung lượng với điều kiện ràng buộc tổng công suất viết sau H cc , k Pc,k Λ c , k PcH,k H Hcc,k Kc max log I+  k =1  c2,k  Kc k =1 c,k tr Pc,k Λ c , k PcH,k   Pt ,c , (13) 50 BD BD-nullspace 45 với biểu diễn bất đẳng thức ma trận định nghĩa nón ma trận semidefinite dương Phân tích H ccH , k H cc , k = U k Ω k U kH , SVD tích  c2,k Ωk = diag k ,1 , k ,2 , , k , Nc ,k  Theo [9], ta tìm nghiệm tốn (13)  1  Λ c , k = U k diag  − ,    PkH Pk  k ,1    1,1  +  (14)    1   H , − Uk ,    PkH Pk   k , N c,k    N c, k , N c, k   +  Dung Luong [bps/Hz] subject to tốt phương pháp BD-nullspace so với BD Tỉ lệ lỗi bit phương pháp BD-nullspace nhỏ, giảm theo giảm tỉ số SNR, SNR 14 dB trở đi, số bit lỗi (khơng có bit lỗi) phương pháp BD, số bit lỗi lớn, tỷ lệ bit lỗi tổng số bit gần không thay đổi theo SNR 40 35 30 25 20 15 10 10 12 14 16 18 20 SNR[dB] Hình Dung lượng trung bình theo SNR cho kênh quảng bá với cầu hình bảng tế bào với ()+ = max(0 , ) Mức cơng suất trung bình  tính theo ràng buộc  PkH Pk   Kc N c, k  i ,i   − = Pt ,c (15)      k , l k =1 i =1  + 10 -1 10 -2 Kết mô hệ thống Trong phần này, hệ thống thông tin MIMO đa tế bào đa người dùng mô MATLAB để đánh giá hiệu phương pháp đề xuất thông qua dung lượng tỷ lệ lỗi bít BER (Bit Error Rate) trường hơp: a) thực precoding postcoding phương pháp BD [8] tế bào mà ko quan tâm đến tín hiệu giao thoa từ tế bào khác b) thực precoding postcoding tế bào theo phương pháp BD-null space (có sử dụng thành phần triệt giao thoa liên tế bào) Q trình mơ thực theo cấu hình Bảng (với số anten MS tế bào kiểu phân bố công suất phân bố đều) Số tế bào (c) Số trạm MS (K c) 3 Số anten trạm BS ( N c , B) 16 16 Số anten trạm MS ( Nc.k ) Kỹ thuật điều chế 2 QPSK Bảng Các thông số hệ thống chung Kết mô hiển thị cho tế bào Các kết mô thể hình Hình thể vượt trội dung lượng hệ thống phương pháp BD-nullspace có xứ lý triệt giao thoa ngồi tế bào so với phương pháp BD thông thường xử lý giao thoa tế bào Kết Hình cho ta thấy khả chống nhiễu Ti le loi bit 10 -3 10 -4 10 -5 10 BD BD-nullspace -6 10 -7 10 10 12 14 16 18 20 SNR[dB] Hình BER trung bình theo SNR cho kênh quảng bá với cấu hình tế bào Hình 4, Hình Hình 6, so sánh dung lượng tế bào theo thay đổi số MS tế bào (K1) mức SNR khác dB, 10 dB 20 dB Các thơng số cịn lại cho Bảng Từ kết này, ta thấy rằng: vượt trội thuộc phương pháp BDnullspace đồ thị mức tăng dung lượng có độ dốc lớn hẳn so với BD Hơn nữa, mức SNR cao khác biệt lớn Sự hiệu việc phân bổ cơng suất theo tính chất kênh truyền (Water Filling) so với phân bổ thể hiện, rõ mức SNR thấp (tức nhiễu lớn) Bảng Các thông số hệ thống cho Hình 4, Số MS tế bào 2(K 2) Số anten trạm MS tế bào (N1.k ) Số anten trạm MS tế bào (N2.k ) K1 N1, k + K N 2, k Số anten trạm BS tế bào 1(N1,B) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(82).2014 Kết luận Bài báo đề xuất phương pháp precoding postcoding để nâng cao chất lượng dung lượng hệ thống MIMO đa người dùng đa tế bào Với ma trần tiền mã hoá thiết kế, giao thoa liên tế bào liên người dùng khử triệt để số anten phát BS lớn với tổng số anten thu tất MS nhận đựoc tín hiệu từ BS Hiệu phương pháp đề xuất thể qua kết mơ thơng qua hai tiêu chí quan trọng BER dung luợng hệ thống Dung Luong [bps/Hz] 25 BD BD-nullspace BD-nullspace WaterFilling 20 31 15 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 so tram MS (K1) Hình Dung luợng theo số thuê bao SNR=0dB 70 BD BD-nullspace BD-nullspace WaterFilling Dung Luong [bps/Hz] 60 50 40 30 20 10 10 11 so tram MS (K1) Hình Dung lượng theo số thuê bao SNR=10dB 140 BD BD-nullspace BD-nullspace WaterFilling Dung Luong [bps/Hz] 120 100 [1] 3GPP TR 36.871 V11.0.0, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Downlink Multiple Input Multiple Output (MIMO) enhancement for LTE-Advanced (Release 11)” [2] F Boccardi, B Clerckx, A Ghosh, E Hardouin, G Jongren, K Kusume, E Onggosanusi, Y Tang, “Multiple-Antenna Techniques in LTE-Advanced,” IIEEE Comm Mag., vol 50, no 3, Mar 2012, pp 114-121 [3] R Zhang and L Hanzo, "Joint and Distributed Linear Precoding for Centralised and Decentralised Multicell Processing," 2010 [4] S.-H Park and I Lee, “Degrees of freedom and sum rate maximization for two mutually interfering broadcast channels,” in Proc IEEE Int Conf Commun (ICC), Dresden, Germany, June 2009 [5] C Suh, M Ho, and D N C Tse, “Downlink interference alignment,” IEEE Trans Commun., vol 59, no 9, pp 2616–2626, 2011 [6] Shim, Seijoon, et al "Block diagonalization for multi-user MIMO with other-cell interference." Wireless Communications, IEEE Transactions on 7.7 (2008): 2671-2681 [7] Tang, Jie, and Sangarapillai Lambotharan "Interference alignment techniques for MIMO multi-cell interfering broadcast channels." Communications, IEEE Transactions on 61.1 (2013): 164-175 [8] Cho, Yong Soo, et al MIMO-OFDM wireless communications with MATLAB John Wiley & Sons, 2010 [9] Spencer, Quentin H., A Lee Swindlehurst, and Martin Haardt "Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels." Signal Processing, IEEE Transactions on 52.2 (2004): 461-471 [10] KAVIANI, Saeed; KRZYMIEN, Witold A On the optimality of multiuser zero-forcing precoding in MIMO broadcast channels In: Vehicular Technology Conference, 2009 VTC Spring 2009 IEEE 69th IEEE, 2009 p 1-5 80 60 40 20 10 11 so tram MS (K1) Hình Dung lượng theo số thuê bao SNR=20dB (BBT nhận bài: 12/05/2014, phản biện xong: 01/07/2014) ... này, hệ thống thông tin MIMO đa tế bào đa người dùng mô MATLAB để đánh giá hiệu phương pháp đề xuất thông qua dung lượng tỷ lệ lỗi bít BER (Bit Error Rate) trường hơp: a) thực precoding postcoding. .. nhiễu lớn) Bảng Các thông số hệ thống cho Hình 4, Số MS tế bào 2(K 2) Số anten trạm MS tế bào (N1.k ) Số anten trạm MS tế bào (N2.k ) K1 N1, k + K N 2, k Số anten trạm BS tế bào 1(N1,B) ISSN 1859-1531... pháp BD [8] tế bào mà ko quan tâm đến tín hiệu giao thoa từ tế bào khác b) thực precoding postcoding tế bào theo phương pháp BD-null space (có sử dụng thành phần triệt giao thoa liên tế bào) Q trình