Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống Mimo hợp tác

một cách rõ ràng và chứng minh hiệu quả của việc sửdụng relay va các kỹ thuật tách sóng cải tiến trong hệ thống MIMO hop tác... 3.1 Khảo sát chế độ truyền trực ti€p....cccccscsesssssssss

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

VAN PHU TUAN

ĐÁNH GIA CAC KY THUẬT TÁCH SONGTRONG HE THONG MIMO HOP TAC

Chuyén nganh: Ky thuat dién tw.

Mã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 12 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồ Văn Khương -¿-5- s+s+s+x+xsxd

TS Chế Việt Nhật Anh . -ee

Cán bộ chấm nhận xét Ï: - G52 SE St Sa E S3 S8 E3 E8E9EEEEEESESEEEESEEEEEEEEEEEEEEEeereree

Cán bộ cham nhận Xét 2: (SG Set Sa S138 E5558 1858581555818 E5513 1815515555131 E5E5 15s xeE

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai hoc Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày 26 tháng 12 năm 2012.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ họ, tên, hoc hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TU

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Văn Phú Tuan MSHV: I1146096

Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1987 Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Maso: 605270I TÊN DE TÀI:

Đánh giá các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO hợp tác.Il NHIEM VU VA NỘI DUNG:

- Tìm hiểu các kỹ thuật tách sóng: ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Optvà các kiến thức liên quan đến MIMO hợp tác, kênh truyền, điều chế

- Khảo sát biểu thức SER của kỹ thuật ZF và xây dựng biểu thức xấp xi SERcủa kỹ thuật MMSE đối với điều chế PSK và QAM trong hệ thống MIMO

- Thiết lập biểu thức SER hệ thông MIMO hop tác đối với ba chế độ truyền vàbiểu thức cân băng công suất

- Thực hiện mô phỏng và đánh giá hệ thống.II NGÀY GIAO NHIEM VỤ: 02/07/2012IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: _ -ccccccerersreeV CÁN BỘ HUONG DÂN: TS Hỗ Văn Khương

TS Chế Việt Nhật Anh

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Lời Đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết chân thành và trân trọng nhất đến TS.Hồ Văn Khương và TS Chế Việt Nhật Anh Sự hướng dẫn nhiệt tình của các thayđã giúp em có đủ tự tin vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện dé tài vàtiếp cận với cách tư duy khoa học.

Em xin gửi lời cam ơn đến tat cả các thay cô đã dạy dỗ em nên người.Những kiến thức quỷ bắu mà các thay cô truyền dat cho em chính là những hành

trang tuyệt vời giup em vượt qua những khó khăn trong qua trình học tập.

Con xin gửi đến cha mẹ lòng biết ơn sâu sắc nhất, cha mẹ đã luôn nhắc nhởvà động viên con mỗi khi con gặp khó khăn Đó là động lực to lớn giúp con vững

bước trên con đường nghiên cứu.

Và tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các bạn của tôi, những người đã cùng sánh

bước bên tôi trên con đường hoc tập Các ban đã luôn giúp đỗ và chia sẻ những

kiến thức quỷ báu mỗi khi tôi gap khó khăn

Mặc dù đã nỗ lực dé hoàn thành dé tài nhưng do kiến thức và những kinhnghiệm trong công tác nghiên cứu còn hạn chế nên dé tài còn nhiễu thiếu sót Tôimong nhận được sự góp ý của các thay cô và các bạn

Tp Hô Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Học viên thực hiện

Van Phú Tuan

Hệ thông MIMO hợp tác cho phép các thiết bị MIMO chia sẻ các ăngten phát

để đạt được độ lợi phân tập cao nhằm giải quyết van đề về vùng phủ, cải thiện hiệu

suất hệ thống Chúng ta khảo sát hệ thống MIMO hợp tác với một bộ phát đượctrang bi N; ăngten, R thiét bi relay trang bi N; ăngten va mot bộ thu trang bi Npăngten Nguồn truyền ban tin đến đích va các relay sẽ chuyền tiếp thông tin đó đếnđích Giả sử răng kênh truyền giữa các thiết bị là fading phăng Rayleigh và cácrelay sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyền tiếp Luận văn khảo sát công thức SERcủa kỹ thuật tách sóng ZF và thiết lập công thức xấp xi SER cho kỹ thuật tách sóngMMSE Từ những công thức SER của hệ thống MIMO, chúng ta xây dựng côngthức SER cho hệ thống MIMO hop tác và công thức cân bằng công suất của ba chếđộ truyền (truyền trực tiếp, truyền thông qua relay và truyền kết hợp với relay)

Luan văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các kỹ thuật tach sóng (ZF, MMSE,

ZF-SIC-Opt và MMSE-SIC-Opt) lên hệ thống Thông qua mô phỏng và phân tíchcác kết quả đạt được, chúng ta sẽ thay được tac động cua số lượng relay, suy haokênh truyền, mức điều chế một cách rõ ràng và chứng minh hiệu quả của việc sửdụng relay va các kỹ thuật tách sóng cải tiến trong hệ thống MIMO hop tác

to achieve high transmit diversity to solve the extending coverage and improvingperformance problems We consider a cooperative MIMO system with a N,-antenna source, R N;-antenna relays and a N,-antenna destination Relays andsource forward their information to destination Assuming that the channel betweenany device is frequency-flat Rayleigh fading and relays use decode-and-forwardscheme This thesis investigates SER formulae of ZF detection and establishesapproximation SER formulae of MMSE detection After obtaining SER formulae ofMIMO system, we construct SER formulae of cooperative MIMO system andbalance the power formula of three transmission schemes (Direct Transmission, DFwithout direct line and DF with direct line) This thesis focuses on studying theimpact of detection techniques (ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt and MMSE-SIC-Opt) oncooperative MIMO system Simulation and analyzing results provide an insight intothe effects of different factors such as number of relays, the path loss, modulationlevel and prove the efficiency of using relays and new detection techniques incooperative MIMO system.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các sô liệu, kêt quả nêutrong luận văn là trung thực.

Văn Phú Tuan

_ we

` Ni § besxế NA TU cổ re ne ho vỗ VAO Ôi kề KT (5 về AT % XỔ về VỀ SỐ di kế % XỔ kề Sẽ XU ở kề VU kề cn ne SỔ x 2 (5 xề A % XỔ về S ee kề hố Si hat KẾ xế fn D x VI AC ee % (6 xt VP A XiỔ kh VN GP

^` gun » TM GE 2 ` H

PSY CARA chẽ Rẻ tye

Sahat S NSE TS TR NES ce SON NOOR SOE ENO OEM SOE EAS OEM AGE RA SO RAG ORAS OOK AGORA SOREN GOR N SOREN SOREN cố cố KAO cố SOE KAS OCA SEK AS OR KS TN

PARA RAGES PLP Xịt? TẠI WES

Sa SRE SS a a SOR SEER NG ki NN ERO NG AON AAD AOR ASDA AOS CAA OE NT Ô KT AGORA GE EASON AGO NASON NAG OAS OST Aa WEES

Sy OAS ` NÊN Ạ SA age OSS : ` =

h và NẠI NÀY AC WAS Hệ Se ase N ror yy * Be gees gs >

SAAS ATER as Ree heh SFR SS an RAS Bie fos ty

LPS PERS PEEP RE RL APA REPRE NÀNG RPE RIS ki sc SOE RSE NAO E SON NCEA SORA OO URS OE RAS OE NS OEE AGO EN NOC RAO Roe aso GIỚN2

oe

ae ae

f RASS Ses ¬

te RW Ry Ra PN A A DK AK A ON AO AO CAO NAO ROO NRO AOR NAO KARO NAD OM ARO MAD OE NAO MANOR NAO MANOR NAD OM ASOD NAD OMAR OR KAD ON NÀO am

Giới thiệu MIMO hợp LáC ch HH Hà HH HH HH Hà HH HH hriệt 1Khảo sát các công trình đã nghiÊn CỨU tt th th HH nh nh Hành gà gà tri 1

Tinh cap thiét ctha G6 r0 3Những đóng góp của đề tai.csssssssssesssesssssssssssssnssssssssssssesssssssssssssssssssssssssssesssssssssssessusssssssnsesnsesnsesssesecessses 3

Phạm vi nghiÊn CỨU c- + tt th HH HH HH HH Hà HH HH HH HH HH HH1 HH HH th th 4

oO ƠI + W th FR Muc tiéu dé tai va hung nghién WU 0 46.1 Mục tiêu đề tài cà cành nh TH HH nh nàn Hàn TH TH nu Hà HH TH TH TH HH TH HH HH gàng ngà 4

6.2 Hướng nghiÊn CỨU cv nh HH HH HH Hà HH HH HH HH HH HH HH HH HH go th 5

7 Bố cục luận văn -c-sc tt tt tt Ép HH HH TH TH TH HH HH TH TH TH TH TH TH TH TH 1H HH p1 ggriyn 6

3.1 Các kỹ thuật phân tẬP ch HH HH HH HH HH HH HH HH HH Ho Hàng 19

3.2 Ưu điểm của các kỹ thuật phân tập cv teen 21

cr

4.3 Kỹ thuật ZF HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH tre 23AA Kỹ thuật MMSE cán HH HH HH HH HH HH Ho HH HH tre 234.5 Kỹ thuật ZF_SIC và ZF-SIC-ODL chim 244.6 Kỹ thuật MMSE SIC và MMSE-SIC-ODE c ng ye 26

MIMO hợp tác và các chế độ truyền trong MIMO hợp tác -.ccccccsctseieeerrerierierree 285.1 Tổng quan về MIMO hợp tác cv tt xxx ttytttttttth Ha en 285.2 Các phương pháp chuyển tiếp dữ Li@u cccscsssssssssssssesssssssessssssnsssnsssssessssssssssessssssssessesssessesesseen 285.3 Chế độ truyền c tt tt nh nh HH Ha nh Hà Hang 29

MG bith hé s10 32Phân tích ham phân phối của SNR va SER của ZE u.seesscsssssssssssssessessssssnsssssessscsssesssssssessnssssesssessseesseesnsen 322.1 Hàm phân phối SNR của ZE -ccccccc t2 tt xxx tt th tt Ha eg 32

2.2 Xác suất lỗi ký tự của kỹ thuật Z/E cscc2 2 tt th HH tr ng HH ng gu re 34

Phân tích hàm phân phối của SINR và SER của MMSE cccccckiekierisiriiriiriiieriee 37

3.1 Phan tich 00:65 0,060 37

3.2 Xấp xỉ hàm phân phối SINR của MMSE csessssssssssssssssssssessecsssssssssssesssessssssssssessssesssesssessseesssesnsen 44

3.3 Xác suất lỗi ký tự của kỹ thuật MMSE cccvvt tt HH ng ng re 49

Xây dựng biểu thức SER của hệ thống MIMO hợp tác ccccccccieetieerierrereirirriee 54A.1 Khảo sát chế độ truyền trực tiẾp c5 tt nh HH uyeg 544.2 Khao sát chế độ truyền thông qua ReÌay sec cty 564.3 Khảo sát chế độ truyền kết hợp với Relay ccc chinh uyeg 5944 Cân bằng công suất trong MIMO hop LáC -scc2 kh thue 60

Khảo sát các kỹ thuật tách Sóng tt HH nàng Hành th Hà Hàn Hà Hi HH nh tin 621.10 KY 2n 621.2 Kỹ thuật MMSE SH Hàn HH HH HH HH HH Hà HH HH Ho Hàng 631.3 Kỹ thuật ZF-SIC và ZF-SIC-ODE HH HH HH HH HH Hàng 6414 Kỹ thuật MMSE-SIC và MMSE-SIC-ODE SH HH HH ah ghe Hưng 651.5 Nhận xét các kỹ thuật tach SÓN HH HH HH HH Hành 66

Khảo sát các phương pháp xấp xỉ SINR của MMSE.Q ccsesssssssssssssesssssnsssssssssssssssssssssessessssessessseesssesnsen 662.1 XAp b‹tt nh 662.2 Xấp xỉ Gamma tổng Quát s:ccxtccttt tt th tt Ha in 682.3 XAp xi MAM KEt 6 ẽ ẽ 70

3.1 Khảo sát chế độ truyền trực ti€p cccccscsessssssssssssssssssssssssssssesssessnsssnsssnsesnsssssssssesseessnssssesssesssessesesnsen 763.2 Khảo sát chế độ truyền thông qua Relay .cccc cv tiettitttirttirttirrtirsirirririireriei 833.3 Khảo sát chế độ truyền kết hợp với Relay ccccsscssssssssssssesssessssssnsssnsssnsssssssssesseessessssssssesssessesesesen 87

4_ Ảnh hưởng của các kỹ thuật điều chế đến hệ thống MIMO hợp tác :-::::- 895 Ảnh hưởng của 3 chế độ truyền đến hệ thống MIMO hợp tác ::cccccccvvsveeeeeeerrrrrrrree 93

5.1 Kỹ thuật tách sóng ZE ch HH HH Hà Hà HH Hà HH HH HH HH Hàng 945.2 Ky thuật tách sóng MMSE HH HH HH Hà nh Hà HH Hà Ho Hàng 965.3 Kỹ thuật tách sóng ZF-SIC-ODE HH HH Hà HH Hà Ho HH Hàng 985.4 Kỹ thuật tách sóng MMSE-SIC-ODE HH Hung Hà hành 100

6 Cân bằng công suất trong hệ thống MIMO hợp tacwrsccsssscssssscssssesssssssssesssssssssnscssssessssesssnsesssesesseess 102

1 Kết LUM scssssssssssssesssssssssssssssssssssstsnsssessenisenssssasesssisessssesassasessetssesiastasesaeeiaessasesesisessetasesae, 1062 c0) i05 106

DF

DF with DTDF without DTFSK

1.1.d.ISI

MIMO

MGFMMSEMSEPSKQAM

RF

SERSICSIC-OptSINRSISOSNRSTBCSTTCSVD

ZF

Amplifier ForwardAmplitude Phase shift KeyingCoded Cooperation

Channel State InformationDecode Forward

DF with Direct TransmissionDF without Direct TransmissionFrequency Shift Keying

Independent and Identically DistributedInter Symbol Interference

Multiple input multiple outputMoment Generating FunctionMinimum Mean Square ErrorMean Squared Error

Phase Shift KeyingQuadrature Amplitude ModulationRadio Frequency

Symbol Error RateSuccessive Interference CancellationSIC and Optimal ordering

Signal to Interference plus Noise RatioSingle Input Single Output

Signal to Noise RatioSpace Time Block CodeSpace Time Trellis CodeSingular Value DecompositionZero Forcing

Hình 2.1: phân bố điểm 8-PSK và miễn giải mã đúng của M-PSKHình 2.2: Phân bồ điểm của 16-QAM và miền xác suất Pạ, P;Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống truyền tin

Hình 2.4: Hiện tượng truyền sóng đa đường

Hình 2.5: Hiệu ứng DopplerHình 2.6: Phân tập phát với p= 2, m = 1Hình 2.7: Phân tập thu với p = 1, m =2Hình 2.8: Phan tap theo thời gian.

Hình 2.9: Hệ thống MIMO tổng quát.Hình 2.10: Mô hình hệ thống MIMO 2x2Hình 2.11: Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếpHình 2.12: Phương pháp giải mã và chuyền tiếp

Hình 4.1: Kỹ thuật tach sóng ZF (2x2, 2x4, 2x6)Hình 4.2: Kỹ thuật tach sóng ZF (3x9, 3x6, 3x9)Hình 4.3: Kỹ thuật tách sóng MMSE (2x2, 2x4, 2x6)Hình 4.4: Kỹ thuật tách sóng MMSE (3x3, 3x6, 3x9)

Hình 4.5: So sánh SER của ZF, ZF-SIC, ZF-SIC-opt trong hệ thống MIMO 2x2Hình 4.6: So sánh SER của ZF, ZF-SIC, ZF-SIC-opt trong hệ thống MIMO 2x4Hình 4.7: So sánh SER của MMSE, MMSE-SIC, MMSE-SIC-opt trong hệ thống MIMO 2x2Hình 4.8: So sánh SER của MMSE, MMSE-SIC, MMSE-SIC-opt trong hệ thống MIMO 2x4Hình 4.9: SER*""%” MIMO 2x2 và 2x4, điều chế BPSK, xấp xi bằng hàm Gamma

Hình 4.10: SER*”"*®” MIMO 4x4 và 4x8, điều chế 8-PSK, xấp xi bang ham GammaHình 4.11: SER*”"*®” MIMO 2x2 và 2x4, điều chế 4-QAM, xấp xi bằng ham GammaHình 4.12: SER*”"®” MIMO 4x4 và 4x8, điều chế 16-QAM, xấp xi bằng ham GammaHình 4.13: SER*”"®” MIMO 3x3, điều chế BPSK, xấp xi bằng hàm Gamma tổng quátHình 4.14: SER*”"®” MIMO 2x2 va 2x4, điều chế BPSK, xấp xi bang hàm Gamma tổng quátHình 4.15: SER*”"®” MIMO 3x3, điều chế 4-QAM, xấp xi bằng hàm Gamma tổng quátHình 4.16: SER*”*®” MIMO 2x2 và 2x4, điều chế 4-QAM, xấp xi bằng hàm Gamma tổng quátHình 4.17: SER*”"®” MIMO 3x3, điều chế 8-PSK, xap xi bằng hàm kết hợp

Hình 4.18: SER*”"®” MIMO 2x2 và 2x4, điều chế 8-PSK, xấp xi bằng hàm kết hopHình 4.19: SER*”"®” MIMO 3x3, điều chế 4-QAM, xấp xi bằng hàm kết hợpHình 4.20: SER*”"®” MIMO 2x2 va 2x4, điều chế 4-QAM, xấp xi bằng hàm kết hợp

Hình 4.23:Hình 4.24:Hình 4.25:Hình 4.26:Hình 4.27:Hình 4.28:Hình 4.29:Hình 4.30:Hình 4.31:Hình 4.32:Hình 4.33:Hình 4.34:Hình 4.35:Hình 4.36:Hình 4.37:Hình 4.38:Hình 4.39:Hình 4.40:Hình 4.41:Hình 4.42:Hình 4.43:Hình 4.44:Hình 4.45:Hình 4.46:Hình 4.47:Hình 4.48:Hình 4.49:Hình 4.50:Hình 4.51:Hình 4.52:Hình 4.53:Hình 4.54:Hình 4.55:Hình 4.56:

SERS” MIMO 2x2, điều chế 8-PSK, 3 kiểu xấp xiSERTMTM*® MIMO 2x2, điều chế 4-QAM, 3 kiểu xấp xiSER*“*® MIMO 2x2, điều chế 16-QAM, 3 kiểu xấp xiMIMO coop DT (R=1), điều chế BPSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=1), điều chế 4-PSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=1), điều chế 4-QAM với 4 kiéu tach sóng.MIMO coop DT (R=1), điều chế 8-PSK với 4 kiểu tach sóng.MIMO coop DT (R=1), điều chế 16-PSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=1), điều chế 16-QAM với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=2), điều chế BPSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=2), điều chế 4-PSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=2), điều chế 4-QAM với 4 kiểu tach sóng.MIMO coop DT (R=2), điều chế 8-PSK với 4 kiểu tach sóng.MIMO coop DT (R=2), điều chế 16-PSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=2), điều chế 16-QAM với 4 kiểu tach sóng.Tọa độ thiết bị phát, thiết bị thu và các Relay

MIMO coop DF without DT (R=2), điều chế BPSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DF without DT (R=2), điều chế 4-QAM với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DF without DT (R=2), điều chế 8-PSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DF without DT (R=1), điều chế 16-QAM với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DF with DT (R=2), điều chế BPSK với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DF with DT (R=2), điều chế 4-QAM với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DF with DT (R=2), điều chế 8-PSK với 4 kiểu tach sóng.MIMO coop DF with DT (R=2), điều chế 16-QAM với 4 kiểu tách sóng.MIMO coop DT (R=1), MMSE và các loại điều chế.

MIMO coop DF with DT (R=1), MMSE và các kiêu điều chế.MIMO coop DE without DT (R=1), MMSE và các kiểu điều chế.MIMO coop with DT (R=1), ZF va các kiểu điều chế.

MIMO coop with DT (R=2), ZF-SIC-Opt va cac kiéu diéu ché.MIMO coop DT (R=2), MMSE-SIC-Opt va cac kiéu diéu ché.MIMO coop (R=2), diéu ché BPSK voi k¥ thuat ZF.

MIMO coop (R=2), điều chế 4-QAM với kỹ thuật ZF.MIMO coop (R=2), điều chế 8-PSK với kỹ thuật ZF.MIMO coop (R=2), điều chế 16-QAM với kỹ thuật ZF.

Hình 4.61: MIMO coop (R=2), điều chế BPSK với kỹ thuật ZF-SIC-Opt.Hình 4.62: MIMO coop (R=2), điều chế 4-QAM với kỹ thuật ZF-SIC-Opt.Hình 4.63: MIMO coop (R=2), điều chế 8-PSK với kỹ thuật ZF-SIC-Opt.Hình 4.64: MIMO coop (R=2), điều chế 16-QAM với kỹ thuật ZF-SIC-Opt.Hình 4.65: MIMO coop (R=2), điều chế BPSK với kỹ thuật MMSE-SIC-Opt.Hình 4.66: MIMO coop (R=2), điều chế 4-QAM với kỹ thuật MMSE-SIC-Opt.Hình 4.67: MIMO coop (R=2), điều chế 8-PSK với kỹ thuật MMSE-SIC-Opt.Hình 4.68: MIMO coop (R=2), điều chế 16-QAM với kỹ thuật MMSE-SIC-Opt.Hình 4.69: MIMO coop và cân bằng công suất, tọa độ Relay: (0.0,0.1); (0.0,0 1).Hình 4.70: MIMO coop và cân bằng công suất, tọa độ Relay: (0.0.0.2); (0.0,0.2).Hình 4.71: MIMO coop và cân bằng công suất, tọa độ Relay: (0.2,0.2); (0.2.0.2).Hình 4.72: MIMO coop va cân bằng công suất, tọa độ Relay: (0.4.0.2); (0.4,0.2).Hình 4.73: MIMO coop và cân bằng công suất, toa độ Relay: (0.4.0.4); (0.4,0.4).

Danh mục bảng biểu

Bảng 2.1: Chế độ truyền trực tiếp (DT)Bang 2.2: Chế độ truyền kết hợp với Relay (DF with DL)Bảng 2.3: Chế độ truyền thông qua Relay (DF without DL)

I MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu MIMO hợp tácNgày nay, công nghệ MIMO đã phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực viễn thôngbởi những ưu điểm vốn có: tăng tốc độ đữ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu Dựa

trên các kỹ thuật phân tập (phân tập không gian, phân tập thời gian, mã hóa ), các

thiết bị MIMO được trang bị nhiều ăngten và các giải thuật tách sóng, mã hóa phứctạp hơn so với hệ thống SISO Xem xét trong lĩnh vực thông tin di động, các thiết bịcầm tay theo sự phát triển của công nghệ đủ khả năng giải quyết các giải thuật phứctạp của MIMO, tuy nhiên kích thước của thiết bị di động không cho phép trang bịnhiều ăngten Ngoài ra, điều kiện địa hình cũng ảnh hưởng rất lớn trong thông tin diđộng Đặc biệt ở khu vực đô thị, tốc độ phát triển các công trình nhanh dẫn đếnnhiều che chăn cản trở việc truyền dữ liệu Từ hạn chế trên, ý tưởng một hệ thốngMIMO hợp tác mà các thiết bị MIMO trong đó cùng hỗ trợ nhau truyền dữ liệu đến

đích ra đời.

Hệ thống MIMO hợp tác sử dụng các Relay để truyền bản tin đến đích, cácRelay được sử dụng có thể hoạt động một cách đơn giản là nhận, khuếch đại bản tinvà chuyên tiếp (AF) hoặc giải mã ban tin để phân tích lỗi trước khi chuyển tiếp(DF) kỹ thuật chuyển tiếp được chọn tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thông Bên

cạnh việc sử dụng các Relay, những kỹ thuật tách sóng cũng đóng một vai trò quan

trọng trong việc nâng cao chất lượng hệ thống: ZF, MMSE, ZF-SIC, MMSE-SIC,

ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt Cac kỹ thuật mã hóa tín hiệu như PSK, QAM

cũng được sử dụng nhằm đạt hiệu quả truyền tin cao nhất Với những ưu điểm vềnâng cao chất lượng tín hiệu, hệ thống còn đạt được hiệu quả sử dụng công suấtcao, khả năng tăng dung lượng, tăng diện tích vùng phủ Vì vậy mà hệ thốngMIMO hợp tác có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống không dây phùhợp như mang cảm biến không dây (wireless sensor network) , mang Ad-hoc, mạng

thông tin di động

2 Khao sát các cong trình đã nghiên cứu

Hiện nay đã có nhiêu nghiên cứu về các vân dé của MIMO hợp tac, chăng han

như khả năng tăng phân tập khi sử dụng các Relay hay lợi dụng kênh truyền tốt củacác Relay để tăng chất lượng tín hiệu ở bộ thu Vấn đề về mở rộng vù phủ sóngbăng việc sử dung Relay làm thiết bị trung gian chuyền tiếp dữ liệu nhằm truyền tínhiệu đến những vi trí xa hơn đối với hệ thống SISO [1] Hiệu quả sử dụng độ lợiphân tập của hệ thông MIMO hop tác được thé hiện thông qua tỷ lệ lỗi bit giảm sovới hệ thống thông thường, các thiết bị phát và Relay trang bị một ăngten, thiết bịthu trang bị nhiều angten [8] và mở rộng khảo sát với mọi thiết bị đều trang bị nhiều

angten [9|[10].

Trong hệ thống MIMO hợp tác, các Relay hoạt động tuân theo những thỏahiệp được thiết lập ở giai đoạn khởi tạo ban đầu Các Relay thống nhất phươngpháp chuyến tiếp dữ liệu như khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyểntiếp (DF) hoặc mã hóa kết hợp (CC) Việc lựa chọn phương pháp chuyền tiếp phụ

thuộc vào yêu cầu và cấu hình các thiết bị trong hệ thống Đối với hệ thống MIMO,

van dé tách sóng có một vai trò quan trọng trong việc khôi phục tin hiệu Vì vay khikhảo sát hệ thống MIMO hợp tác, các vẫn đề liên quan đến kỹ thuật tách sóng vàảnh hưởng của các kỹ thuật đến chất lượng hệ thống là cần thiết Hệ thống MIMOsử dụng kỹ thuật ZF trong kênh truyền Rayleigh sẽ có hàm phân phối của SER hệthống được tính dựa vào SNR, của nhánh thứ k Va SNR, là một biến Chi-square có

bậc tự do xác định từ phân tập của hệ thống, vì vậy hàm phân phối SNR, có dạng

hàm Gamma [2] Kết quả đó được áp dụng tính toán SER ở ba chế độ truyền của hệthống MIMO hop tác: truyền trực tiếp, truyền kết hop với Relay và truyền thôngqua Relay Các Relay được thiết lập hoạt động ở chế độ DF đồng thời ảnh hưởngcủa hệ số path loss exponent cũng được khảo sát Trong ba chế độ truyền, chế độtruyền kết hợp với Relay cho kết quả SER tốt nhất trong cùng một điều kiện khảosát: công suất tiêu thụ, số lượng Relay, kiểu điều chế [6]

Ngoài kỹ thuật ZF, kỹ thuật MMSE cũng được sử dụng rộng rãi bởi hiệu quả

tốt trong việc giảm lỗi ký tự ở hệ thong MIMO Dé phân tích hệ thông MIMO trongkênh truyền Rayleigh sử dụng kỹ thuật MMSE cần phải tìm hiểu đặc tính của SINRnhăm tìm ra hàm phân phối xấp xi (trong kênh truyền tương quan và không tươngquan) Thông qua việc xác định các moment của SINR¿, việc xấp xỉ hàm phân phốivới một số hàm phù hợp được thực hiện bang phuong phap can bang moment Ba

hàm phân phối được dùng để xấp xỉ hàm phân bố của SINR gồm: phân phối chuẩn,phân phối gamma và phân phối gamma tổng quát Dựa và kết quả đó, SER của hệthống được xấp xỉ tương đối chính xác với kiểu điều chế FSK [12].

Những kỹ thuật tách sóng cải tiễn của ZF và MMSE như là ZF-SIC, SIC [13], ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt [14] sử dụng kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp sẽcho kết quả SER hệ thống tốt hơn hăn Kỹ thuật MMSE cho kết quả tốt hơn so ZFtrong cùng một điều kiện khảo sát, và độ độ lợi SER sẽ giảm khi phân tập thu tăng.Đối với hệ thống MIMO 2x2, tín hiệu điều chế BPSK và xét 6 BER 10° thi ZF-SIC-Opt cải thiện khoảng 2.5 dB về độ lợi công suất so với ZF-SIC, 5 dB với ZF,

MMSE-còn kỹ thuật MMSE-SIC-Opt cải thiện khoảng 6.25 dB so với MMSE-SIC, 8.25 dBso với MMSE và 11.25 dB so với ZF.

3 Tính cấp thiết của đề tài

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống MIMO hop tác: vẫn đề điềuchế, mã hóa, kênh truyền, tách sóng Đối với vẫn đề tách sóng, các nghiên cứu đaphan chỉ khảo sát ở kỹ thuật ZF, kỹ thuật tách sóng nảy tập trung khử ISI và khôngquan tâm đến sự gia tăng nhiễu cộng đầu vào ăngten Bên cạnh đó, có nhiều kỹthuật tách sóng khác tốt hơn chắng hạn như MMSE Khác với ZF, MMSE chấpnhận một phan ISI ở tín hiệu và thay vào đó nhiễu đầu vào của ăngten được kiểmsoát, vì vậy mà SER của MMSE tốt hon so với ZF Các kỹ thuật cải tiến của ZF vaMMSE có thé nói đến là ZF-SIC, MMSE-SIC, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt.Những kỹ thuật này cho kết quả rất tốt ở SNR cao, chính vì vậy việc “Đánh giá cáckỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO hợp tác” giúp cho chúng ta có cái nhìntong quát về ảnh hưởng của các kỹ thuật tách sóng lên hệ thông MIMO hop tác, từđó đưa ra lựa chọn kỹ thuật tách sóng phù hợp nhằm đưa hệ thống đạt hiệu quả tốtnhất có thê

4 Những dong gop của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của bốn kỹ thuật tách sóng lên SERcủa hệ thống MIMO hợp tác: ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt và MMSE-SIC-Opt Cácvan dé của kỹ thuật tách sóng ZF đã được nghiên cứu một khá hoàn chỉnh [6] vì vậyngoài việc xây dựng lại các công thức và kết quả đạt được cua kỹ thuật ZF, đề tài sẽ

mở rộng nghiên cứu ở ba kỹ thuật tách sóng còn lại và tập trung chủ yếu vào kỹthuật MMSE nhăm tìm ra công thức lý thuyết của SER hệ thống Áp dụng các hàmxấp xi SINR của hệ thông MIMO [12] va SER của phương pháp điều chế QAM vaPSK, công thức SER trong ba chế độ truyền: truyền trực tiếp, truyền kết hợp vớiRelay và truyền thông qua Relay sẽ được thiết lập Ngoài ra dé tai còn khảo sát cáctham số khác lên chất lượng hệ thống như: số lượng Relay, kiêu điều chế, ảnhhưởng suy hao kênh truyền đối với cả bốn kỹ thuật tách sóng Đánh giá chấtlượng hệ thống ở ba chế độ truyền đối với hai kỹ thuật tách sóng: ZF và MMSEtrong cùng một công suất tiêu thụ dựa trên hàm SER lý thuyết xây dựng được.5 Pham vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào các kỹ thuật tách sóng trong hệthống MIMO hợp tác gồm:

e Một thiết bi phát trang bị p ăngten phát, R Relay trang bị g ăngten phátvà g ăngten thu, một thiết bị thu trang bị m ăngten thu

e Relay dùng kỹ thuật chuyền tiếp DF.e Tím hiệu được điều chế M-QAM và M-PSK.e Thiết bị thu và bộ thu của Relay dùng các kỹ thuật tách sóng: ZF,

MMSE, ZF-SIC-Opt va MMSE-SIC-Opt.

e Kênh truyén giữa các thiết bị khảo sát là kênh truyền Rayleigh.e Khao sát hệ thông ở ba chế độ truyền:

o Chế độ truyền thắng.o_ Chế độ truyền kết hợp với Relay.o_ Chế độ truyền thông qua Relay.6 Mục tiêu dé tài và hướng nghiên cứu

6.1 Mục tiêu đề tàiĐề tài nghiên cứu bốn kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO hợp tác gồm:ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt nhằm đánh giá được ưu điểm, hạn chếvà phạm vi áp dụng của từng kỹ thuật Ngoài việc thiết lập lại các công thức lýthuyết của SNR, SER của hệ thống MIMO hợp tác dùng kỹ thuật ZF và SINR của

hệ thống MMSE, dé tai sẽ xây dựng các công thức lý thuyết của SER ứng với kỹthuật MMSE Đề tài sẽ chỉ ra được ưu điểm tăng phân tập của việc sử dụng Relayvà hiệu quả về mặt tong cong suất tiêu thụ của chế độ truyền kết hợp với Relay Bêncạnh các vẫn đề về MIMO hợp tác, dé tài còn tìm hiểu ảnh hưởng của các van đề vềđiều chế, ảnh hưởng của kênh truyền lên chất lượng của hệ thống.

6.2 Hướng nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu được chia làm hai giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết và môphỏng hệ thống Kết quả của hai giai đoạn sẽ được so sánh với nhau nham đảm baotính chính xác, thực tế của đề tài Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìntrực quan hơn về ảnh hưởng của từng tham số lên chất lượng của toàn hệ thống như:số lượng Relay, số ăngten trên thiết bị, phương pháp điều chế, suy hao đường

truyên, chê độ truyền

6.2.1 Nghiên cứu lý thuyếtTừ mục tiêu dé tài và phạm vi nghiên cứu giai đoạn nghiên cứu lý thuyết

được thành Š bước:

Bước ¡: Tìm hiểu những ảnh hưởng của kênh truyền tác động lên hệ thốngviễn thông Từ đó tìm hiểu mô hình kênh truyền Rayleigh, những ảnh tác động của

kênh Rayleigh lên tín hiệu.

Bước 2: Từ mô hình kênh truyền và các kiến thức của phân phối Rayleigh,thực hiện phân tích hai kỹ thuật điều chế PSK và QAM Từ đó tìm mối liên hệ giữaSER với tỷ số SNR (hay SINR) cho trước của từng loại điều chế Đây là bước tiềndé dé tinh SER của toàn hệ thống

Bước 3: Các liên kết của thiết bị phat-thu, thiết bị phát-Relay và Relay-thiết bithu trong hệ thống MIMO hợp tác mang bản chất của hệ thống MIMO Chính vìvậy làm rõ van dé phân tập trong hệ thông MIMO hợp tac sẽ thay được mối liên hệcủa nó với hệ thống MIMO

Bước 4: Tìm hiểu các phương pháp chuyền tiếp dữ liệu (AF và DF), từ đó đưara những ưu điểm và hạn chế của mỗi phương pháp Đồng thời khảo sát các chế độhoạt động của hệ thống MIMO hop tác dé thấy được những lợi ích của MIMO hợp

tác so với MIMO.

Bước 5: Tìm hiểu các giải thuật tách sóng (ZF, MMSE, ZF-SIC, ZF-SIC-Opt,MMSE-SIC, MMSE-SIC-Opt), ưu điểm của các giải thuật về: triệt nhiễu ISI, giảmcông suất nhiễu tính toán hàm phân bố của SNR (ZF) và SINR (MMSE) để tìmcông thức lý thuyết SER hệ thống.

6.2.2 Mô phỏng hệ thong

Giai đoạn mô phỏng được thực hiện trên Matlab và mục tiêu của giai đoạn nay

là mô phỏng SER của hệ thống ứng với chế độ hoạt động, kỹ thuật tách sóng Dautiên, tạo một chuỗi ký tự được điều chế ngẫu nhiên (PSK hoặc QAM), sau đó chuỗitin được điều chế sẽ được mô phỏng truyền trên kênh truyền Rayleigh Tùy vào chếđộ truyền, kỹ thuật tách sóng và số Relay mà chuỗi tin có thể được tách sóng ởRelay (nếu có sử dụng Relay) Relay kiểm tra chuỗi tin tách sóng, nếu nhận đúngtin thì Relay thực hiện gửi chuỗi tin đó lên kênh truyền đến bộ thu Bộ thu nhận tin(từ bộ phát hoặc Relay hoặc cả hai tùy vào chế độ truyền) và thực hiện tách sóng.Chuỗi ký tự thu được sau khi tách sóng sẽ đem so sánh với chuỗi ký tự ban đầu đểtính SER Bên cạnh đó, chương trình còn tính được công suất tổng của mỗi chế độtruyền và điều khiến công suất ở thiết bị phát dé tổng công suất tiêu thụ bang nhau ởmỗi chế độ truyền nhằm so sánh các phương pháp tách sóng một cách công bang.7 Bo cục luận van

Luận văn được chia lam 6 chương:

Chương I —- Mo đầu: Giới thiệu sơ lược về hệ thống và ưu điểm của MIMOhợp tác Nêu lên những đóng góp, mục tiêu và tính cấp thiết của đề tải

Chương II — Kiến thức tổng quan: Trình bày những kiến thức cơ sở liênquan đến quá trình nghiên cứu

e Kênh truyền và ảnh hưởng của kênh truyền lên hệ thống.e Các kỹ thuật điều chế

e Kỹ thuật phân tập trong hệ thong MIMO.e Các kỹ thuật tách sóng va tầm quan trọng.e MIMO hợp tác và các chế độ truyền trong MIMO hop tác

Chương III — Tính toán lý thuyết: Thực hiện tính toán các công thức lythuyết của hàm phân phối SNR của ZF, SINR của MMSE và công thức SER hệthống MIMO hop tác.

Chương IV — Đánh giá các kết quả mô phóng: Trình bày và đánh giá cáckết quả mô phỏng hệ thống và lý thuyết

Chương V — Kết luận và hướng phát triển: Nêu lên những kết qua đạt đượcvà các hướng phát triển của đề tài

Chương VỊ — Tài liệu tham khảo: Liệt kê các tài liệu được tham khảo trongquá trình nghiên cứu.

Il KIÊN THỨC TONG QUAN

1 Kênh truyền và các ảnh hưởng trong thông tin vô tuyến

1.1 Tổng quan kênh truyềnTrong mạng thông tin vô tuyến ngoài máy phát và máy thu thì kênh truyền làmột khối quan trọng trong mô hình truyền tin, vì nó là môi trường để truyền tin từmáy phát đến máy thu và có cấu trúc tương đối phức tạp Chính vì vậy mà kênhtruyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng các hệ thống thông tin

Không giống như kênh truyền hữu tuyến co tính ôn định và có thé dự đoánđược, kênh truyền vô tuyến là hoàn toan ngẫu nhiên và không hé dé dang trong việcphân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toànhà, núi non, cây cối , bi phản xa, tán xa, nhiễu xạ , các hiện tượng nay đượcgọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu nhận được rất nhiều phiên bản khác

nhau của tín hiệu phát.

May phát L_= y| Kênh truyền | Z—y| Máy thu

Hình 2.1: Sơ đô khối hệ thống truyễn tin

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di

e Tan xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một vật 26 ghé co kich

thước so sánh được với bước sóng lam cho năng lượng bi trải ra (tan xạ) hoặc là

phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phó, các vật thể thường gây ra

tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu tan lá

1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến thông tin vô tuyến

1.2.1 Hiện tượng đa đường

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường khôngbao giờ được truyền trực tiếp đến ăngten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và

nơi thu luôn tôn tại các vật thé can trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận

được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi làhiện tượng đa đường Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tong cua cacbản sao tin hiệu phát Cac bản sao này bị suy hao, trễ, dich pha va có ảnh hưởng lẫnnhau Tuy thuộc vào pha của từng thành phan mà tín hiệu chồng chập có thé đượckhôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoản toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứngxung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và máy thu nhận được các đáp

ứng xung độc lập khác nhau Hiện tượng này gọi là sự phan tan đáp ứng xung Hiện

tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ởphía thu băng các bộ cân bằng

Giả thiết góc tới của hướng thứ ø so với hướng chuyển động của máy thu làa,,, khi đó tần số Doppler của tuyến này 1a:

fy =—/,cos(ø,) (2.1)

n ©

Trong đó /„ v, c lần lượt là tan số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyếnđộng tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu ø„ = 0 thì tầnsố Doppler lớn nhất sẽ là:

Vv

Ty max = = Jo (2.2)

Cc

Hình 2.3: hiệu ứng Doppler

1.2.3 Suy hao trên đường truyềnMô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phátđến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chăn va suy hao có thé khácphục bằng các phương pháp điều khiến công suất

1.2.4 Hiệu ứng bóng rầm

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà caotang, các ngọn núi, đôi lam cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện

tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đối chậm Vi vậy,

hiệu ứng này được gọi là fading chậm.

1.3 Mô hình kênh truyền RayleighTrong những kênh vô tuyến, kênh truyền Rayleigh thường được dùng để mô tảban chất thay đồi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phăng thu được hoặcđường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ

Trong kênh đa đường có 7 đường, phát một tín hiệu qua tần số sóng mang tekết quả sẽ thu được / thành phan từ các đường khác nhau cộng thêm nhiễu

Gaussian [4]:

yứ)=Ÿa cos(2Z/1 + Ø )+ w() (2.3)

i=]

O day a,va @ là biên độ và pha của thành phân thứ ¡, tương ứng, và w(t) la

nhiễu Gaussian Khai triển theo hàm cos(-), (2.3) có dạng:

y()=cos(2Z/?)a eos(đ)—sin(2z//)Ÿ a,sin(6)+w(z) 24)

i=] i=]

Thanh phan tong dau tiên va thứ hai được gọi là thành phần “cùng pha” va“vuông pha” Đặt A= >, a, cos(¢, ) va B= >, a, sin(ở,) đây là tong của J biénngẫu nhiên Với giá trị J đủ lớn và theo định lý giới hạn trung tâm, các biến ngẫunhiên 4 và Ö là các biến ngẫu nhiên Gaussian độc lập Độ lớn của tín hiệu nhậnlaR=V A’ +B’ Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên cũng chính là hàmphân bố Rayleigh được diễn tả như sau:

Cac tín hiệu thu được ở (2.3) hoặc (2.4) ở dang tín hiệu tượng, sau đó tín hiệu

thu được cho qua bộ lọc thích nghi và khối lay và giữ mẫu Tín hiệu được tiếp tụccho qua bộ rời rạc thời gian, cuối cùng tín hiệu thu được là r Thực tế, r, là đầu racủa bộ lọc thích nghỉ sau giải điều chế tín hiệu r() Tương tự, s va T† là các phiênban thời gian rời rac cua s(t) và nữ) (tín hiệu phát và nhiễu tương ứng) Khi đo

phương trình liên hệ giữa các tín hiệu rời rạc:

, =ŒS, + TỊ, (2.8)

Với ø là biến ngẫu nhiên complex Gaussian, phan thực và phan ảo của hệ sốsuy hao ø đều là biến ngẫu nhiên zero-mean Gaussian Biên độ của hệ số suy hao |a|có phân phối Rayleigh Mối liên hệ tín hiệu vào và ra ở (2.8) được gọi là mô hình

kênh fading Hệ sô a và 7, được gọi là độ lợi kênh truyền và nhiêu cộng đâu vào

angten.

2 Các kỹ thuật điều chế

2.1 Điều chế dịch pha (PSK)Điều chế PSK là dạng điều chế chuyển đổi tín hiệu thông tin thành tín hiệu coscó pha thay đổi tương ứng Công thức mô tả của tín hiệu PSK có dạng tổng quát:

s,(t)= |= c95(0 +, (1)): 0</<Tj¡=1, ,M (2.9)

Với thành phần biên độ A(t)=./2E/T và tần số /,=@,/2z là hằng số,thành phan góc pha g(t) thay đối theo thời gian M là số ký tự của bộ điều chế (M= {2,4,8, } tương ứng với các kiểu điều chế BPSK, QPSK, 8-PSK ) PSK đượcsử dụng khá phố biến trong điều chế số Dé truyền dẫn số liệu tốc độ cao, những giátrị M lớn thường được sử dụng trong điều chế PSK và phổ biến là 4-PSK và 8-PSKtương ứng với 2 và 3 bit trong một baud Các bit được sắp xếp theo mã Gray tức là

2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit [1].

2.2 Điều chế biên độ vuông góc (QAM)Điều chế QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ và góc pha, tín hiệu thôngtin được chuyển đổi thành tín hiệu cos có góc pha và biên độ thay đổi tương ứng.Công thức mô tả của tín hiệu QAM có dang tong quát:

s,(t)= J cos(0„/ +@,(f)): 0<£<7,¡=1, ,M (2.10)

Với thành phan tần số ƒ)=@,/2Z là hang số, thành phan biên độ

AŒ)= J2E,(t)/T và góc pha @Œ) thay đối theo thời gian M là số ký tự của bộ

điều chế.Phương pháp điều chế QAM là một dạng của điều chế APK bởi vì phươngpháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang dé điều chế tín hiệu Do đó điềuchế QAM cho phép số trạng thái tín hiệu khá lớn Các kiểu điều chế QAM thườnggap trong thực tế là 16-QAM và 64-QAM tương ứng với 4 và 8 bit trong một baud

Các bit được sắp xếp theo mã Gray tức là hai tổ hợp cạnh nhau chi sai khác 1 bitnhăm giảm xác suất lỗi ở phía thu

Điều chế QAM cho phép tăng dung lượng kênh thông tin, nhưng không làmtăng dải thông của kênh truyền Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc độ

cao.

2.3 SER của điều chế M-PSK và M-OAMĐề tài chỉ khảo sát hai loại điều chế là PSK và QAM, vì vậy việc tìm xác suấtlỗi ký tự của hai kiểu điều chế là một bước quan trọng trong quá trình xây dựngcông thức lý thuyết của SER hệ thống Giả sử rằng nhiễu tác động lên cả hai chiềuký tự (phần thực và ảo) là biến ngẫu nhiên i.i.d zero-mean complex Gaussian nênhàm phân phối có dạng (2.5) [3]:

tính xác suất lỗi một ký tự được tính băng tích phân trên miền giải mã sai với hàmphân phối theo (2.5):

2.3.2 SER của điều chế M-QAM

Biên độ của mỗi ký tự khác nhau vì vậy mối liên hệ giữa biên độ và năng

lượng tín hiệu được tính theo công thức sau:

r? A’ SoamY

Đặt ân phụ tf = ——~ với =——— khi đó a <t <+4ooea 9G? VỤ Seal 953 sin?(0 + 0/4)

| z/4 tooP oa “3x | Ỉ exp(—t)dt d8

Poa = 2x J ex fost lig (2.19)

Xác suất lỗi trang bình của bộ điều chế M-OAM:Số điểm góc: N =4corner

_ _4K”r : Soa _4K? z/4 : SoAuŸ

Poa =— J ex fost lag P J ex sin?) dd (2.21)

Với cách phân tích SER của điều chế 16-QAM, SER của các kiểu điều chế vớibậc M không phải là số chính phương như 8-QAM hay 32-QAM cũng có thể thực

hiện theo phương pháp tương tự.

3 Kỹ thuật phân tap trong hệ thống MIMO

Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực viễn thông là kỹ thuật sử dụng nhiều ăngtenphát và nhiều ăngten thu để truyền và nhận dữ liệu MIMO tận dụng sự phân tập:không gian, thời gian, mã hóa nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu Chuỗi tín hiệu phát được đưa qua bộ mã hóa không gian-thời gian nghĩa là mãhóa trên cả hai miền: không gian (phân bố ăngten) và thời gian (tín hiệu sắp xếp

trên các khe thời gian khác nhau) trước khi được được phát trên các ăngten.

3.1 Các kỹ thuật phan tap

Giả sử răng máy thu ước lượng chính xác hệ số kênh truyền tại moi thời điểm.Tín hiệu phát, tín hiệu thu, nhiễu cộng đầu vào ăng ten thiết bị thu và giá trị kênhtruyền tại thời điểm nT là x(nT), y(nT),N(nT),A(nT)

3.1.1 Phân tập phátPhân tập phát thuộc dạng phân tập không gian, bộ phát sử dụng p (p>2)

ăngten phát để thực hiện truyền cùng một tín hiệu, nhờ đó ở bộ thu kết hợp p bảnsao của tín hiệu gốc dé thực hiện giải mã chính xác hơn

Giả sử phân tập phát với p =2, tín hiệu thu được sé là tổng hai tín hiệu ở hai

đường truyền khác nhau và nhiều cộng ở ăngten:

Hình 2.6: Phân tập phat với p = 2,1m — 1

angten dé thuc hién thu cùng một tín hiệu Bộ phu nhận được m ban sao của tín hiệu

phát, vì vậy việc giải mã chính xác hơn.

hy (nT I=” lễ win?)nd im) =_—_ n„ (a7)

Hình 2.7: Phân tập thu với p = 1, m = 2

Giả sử phân tập thu với m =2, mỗi ăngten tại bộ thu sé thu được một ban saocủa tín hiệu gốc ứng với mỗi đường truyền và nhiễu cộng ở mỗi ăngten:

y (al) =x(nT)h, (nT) +, (nT) (2.25)y (nl) = x(nT )h,, (nT) +7, (aT) (2.26)

Tin hiệu kết hop MRC (cực đại ty số kết hop) của tin hiệu x(n7):

x(nT) = y (nT yh (nT) + y,(nT)h, (nT) (2.27)

HT) = x(nT (Ih, (AT)IP +1 h, (nT )IP)-+ 7, (aT yh, (nT +7,(nT Yh, (nT) (2.28)

3.1.3 Phân tap thời gian

Phân thập thời gian nghĩa là một tín hiệu được phát ở nhiều khe thời gian khácnhau x(n7 ) = x(n,T ) Bộ thu sẽ nhận được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu ởhai thời điểm khác nhau vì thế kết quả chính xác hơn Tín hiệu thu được có dạng:

x(n) = x(x;| la(n,7 |) +||hứs,7|ƒ +T\(0„7)h@n7)` +n(nT)hnT) (2.32)3.2 Uu điểm của các kỹ thuật phân tập

Ty số tín hiệu trên nhiễu sau khi ước lượng tăng lên nhờ các kỹ thuật phân tậpđược gọi là độ lợi phân tập Tác động của kênh truyền lên tín hiệu sẽ được cải thiện.Chất lượng của hệ thống khi tăng phân tập thu sẽ cao hơn so với phân tập phát Bêncạnh các kỹ thuật phân tập, hệ thống MIMO còn có các kỹ thuật mã hóa: mã hóakhối không gian thời gian (STBC), mã hóa mac lưới không gian thời gian (STTC),ghép kênh không gian (SM) trong thực tế, hệ thống MIMO thường kết hợp cáckỹ thuật mã hóa với các kỹ thuật phân tập nhằm đạt được SER thấp

4 Các kỹ thuật tách sónø và tầm quan trong các kỹ thuật

tách sóng4.1 Tầm quan trong của các kỹ thuật tách sóngVấn đề tách sóng của hệ thống MIMO đóng vai trò quyết định trong quá trìnhkhôi phục dữ liệu Tại bộ phát, dữ liệu sau khi điều chế được truyền đồng thời trênnhiều ăngten, sau khi qua kênh truyền (kênh truyền biết trước CSD dữ liệu chịu tácđộng bởi kênh truyền nên sai khác so với dit liệu gốc Tại bộ thu, tín hiệu thu đượclà tổ hợp nhiều phiên bản tín hiệu khác nhau và nhiễu cộng complex Gaussian,những phiên bản này có thé của cùng một tín hiệu hoặc những tín hiệu khác nhaucho nên không thể khôi phục tín hiệu ban đầu được Chính vì vậy, cần phải có cáckỹ thuật tách sóng thực hiện việc chuyển tín hiệu dạng tô hợp thành các thành phanriêng biệt có thé giải điều chế được

Vấn đề tách sóng được xem xét trong phân này là khôi phục vector tín hiệu x,ngõ vào kênh truyền MIMO từ vector thu y, với giả sử rằng bộ thu có hiểu biết hoànhảo về kênh truyền H Bên cạnh đó các kỹ thuật tách sóng cũng sẽ cỗ găng phục hồitín hiệu một cách chính xác nhất có thể, sai lệch giữ tín hiệu tách sóng và tín hiệuphát là nhỏ nhất

P.=Pr(ä, #x,) (2.33)

2 là on 4 ` „ „ Kẻ oer

O day x, = (§,.£, 5.) là tín hiệu thu được sau quá trình tach song của tiền

T

hiệu x, = (x,.x; 3,

Bit : |J x |Kênh truyền| 7 Bộ i Giai Bit

vào >| Điều che >| MIMO ®ltách sóng Điều chế [ra

Hình 2.9: Hệ thong MIMO tổng quát

4.2 Mô hình truyền sóngXét mô hình hệ thống MIMO gồm thiết bị phát được trang bị 2 ăngten phát vathiết bị thu trang bị 2 ăngten thu Tín hiệu điều chế được gửi đi ở bộ phát làx, =[x,,x,]", tín hiệu nhận ở bộ thu là y =[y,,y,]' và nhiễu đầu vào của bộ thu làn, =[n,,n,]' Kênh truyền khảo sát giữa hai thiết bị là kênh truyền Rayleigh được» 2® A 2 2 L4 ` a» 2 A ` L4 oR x

đặc trưng bởi ma trận He C các thành phân của ma trận H là các biên ngâu

nhiên ¡.i.d zero-mean complex Gaussion Khi đó hệ phương trình truyền tin có

4.3 Ky thuật ZF

4.3.1 Tổng quan về ZF

Thuật toán Zero-Forcing (ZF) là một thuật toán tách sóng đơn giản được sử

dụng tương đối rộng rãi Ý tưởng của ZF là biến đổi tín hiệu thu có dạng tô hopnhiều ký tự khác nhau thành những ký tự riêng biệt, triệt tiêu hoàn toàn ảnh hưởngnhiễu liên ký tự Trong hệ thống MIMO với nhiều ăngten phát và nhiều ăngten thu,tín hiệu ở bộ thu là tô hợp nhiều đường truyén, khi đó bộ thu ZF có tác dụng chuyểnbài toán về dạng truyền thắng (một tín hiệu thu có dạng một tín hiệu phát cộng thêm

nhiễu).4.3.2 Bộ tách sóng ZF

Bộ tách sóng sử dụng ma trận can bang G được xây dựng từ ma trận kênhtruyền biết trước H dé xử lý tín hiệu ở đầu vao ăngten

=]

G7 = (H"H) H" (2.36)#=Gy =G Hx +GÏn =x, +e (2.37)

Từ phương trình (2.37), có thé thay rằng bộ thu ZF là chỉ chú trọng vào việckhử nhiễu liên ký tự mà không quan tâm đến việc công suất nhiễu tăng lên trongquá trình thực hiện, đây chính hạn chế của bộ tách sóng ZF

4.4 Ky thuật MMSE

4.4.1 Tổng quan về MMSEKhông giống như giải thuật ZF chỉ tập trung vào việc loại bỏ ảnh hưởng củaISI, giải thuật MMSE là một cách tiếp cận khác và quan tâm đến sai số trung bìnhbình phương (MSE) Ý tưởng của MMSE xây dựng một bộ tách sóng có khả nănggiảm thiểu tối đa ISI (nhưng không triệt tiêu hoàn toan) và cực tiểu ảnh hưởngnhiễu đầu vào [10]

4.4.2 Bộ tách sóng MMSE

Bộ tách sóng MMSE thực hiện tìm ma trận cần bang GMMSE dé cực tiểu gia tri

MSE.

<= GMM), _ GYMS Hy + GSE (2.38)

MSE = E|(&—x)°}= rons" y,—x, | Gy, — x, I’ (2.39)Giải phương trình (2.39), người ta tim được công thức của ma trận cân bang

ngõ ra của bộ cân băng sẽ còn một phan ISI và nhiêu cộng.

4.5 Kỹ thuật ZF SIC và ZF-SIC-Opt

4.5.1 Tổng quan về ZF_SICZF-SIC là thuật toán ZF áp dụng kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp, ZF-SIC thì sẽthực hiện vòng lặp tách sóng và ở mỗi vòng lặp bộ thu áp dụng kỹ thuật ZF với matrận cân bằng tương ứng với phương trình truyền tin tại vòng lặp đó Đồng thời ở

mỗi vòng lặp bộ thu chỉ trích ra một ký tự và thực hiện khôi phục dựa vào độ ưutiên của ký tự, sau đó bộ thu sẽ loại bỏ ảnh hưởng của ký tự đó trong tín hiệu ban

đầu Vì vậy việc khôi phục ký tự được thực hiện một cách tuần tự chứ không đồngthời giống như kỹ thuật ZF, quá trình kết thúc khi toàn bộ ký tự đều được khôiphục Thứ tự ưu tiên của ký tự được tách sóng là cố định và không theo một tiêuchuẩn nào (giả sử tín hiệu phát là X, =|Xi.#,.%;.x il thì thứ tự tach sóng ký tự cóthé là X4, X2, X4 Và cuối cùng là z¡)

4.5.2 Bộ tách sóng ZF-SIC

Giả sử thứ tự tách sóng từ x, rồi đến x,, khi đó bộ thu sẽ thực hiện 2 vònglặp Ở vòng lặp đầu tiên, bộ thu sử dụng ma trận cân băng tương tự như ZF ứng vớima trận kênh truyền là H: G = (HH) 'H”, khi đó tín hiệu sau khi cân bằng sé là:

<= Gy, =GHx,+Gn,=x,+e (2.42)Nhu vậy tín hiệu thu được có dạng a = [2¡.#,Ï , dựa vào thứ tự tach song, tinhiệu $ được chọn để đưa qua bộ khôi phục ký tự Giả sử sau quá trình khôi phục,ký tự thu được là x, (có thể giống x, hoặc không) Sau đó bộ tách sóng thực hiện

loại bỏ ảnh hưởng của X, trong x,:

h _ Yi Bay _ 1t Ma “dM (2.43)r, ;— h3, h,X, + hy, (x, ¡4 X,) Tử,

Nếu ký tự x» được khôi phục chính xác thì (2.43) sẽ có dạng:

Bộ tách sóng ZF_ SIC có han chế là thứ tự tách sóng là cố định nhưng đôi khiký tự được chọn tách sóng đầu tiên chính là những ký tự truyền trên những nhánhxấu, khi đó kết quả sẽ không chính xác Để khắc phục hạn chế đó, ZF SIC-Opt sẽtự ra quyết định thứ tự tách sóng phù hợp với từng tín hiệu thu Quyết định này

được tính toán dựa vào các hệ số kênh truyền, tín hiệu phát trên những nhánh tốt sẽ

được ưu tiên tách sóng trước và tín hiệu phát trên những nhánh xấu hơn sẽ đượctách sóng sau Khi đó hai tham số đặc trưng cho độ tốt của kênh truyền đối với mỗiký tự P,; va P,› sẽ được dùng làm tiêu chuẩn cho thứ tự tách song

Pa =|, +|h,| va P., Ý=|h,[ +|ñ„[ (2.46)

Nếu P.>FP, có nghĩa ký tự x, được truyền trên những nhánh tốt hơn vì vậythứ tự tách sóng sẽ là x, và sau đó là x, Ngược lại nếu P.<P, thì khi đó tín hiệu

x, được truyên trên các nhánh tot hon thứ tự tach sóng sẽ la x, và sau đó là x,.

4.6 Kỹ thuật MMSE SIC và MMSE-SIC-Opt

4.6.1 Tổng quan về MMSE_SICMMSE-SIC là thuật toán MMSE áp dụng kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp, MMSE-SIC thì sẽ thực hiện vòng lặp tách sóng và ở mỗi vòng lặp bộ thu áp dụng kỹ thuậtMMSE với ma trận cân bang tương ứng với phương trình truyền tin tại vòng lặp đó.Đồng thời ở mỗi vòng lặp bộ thu chỉ trích ra một ký và thực hiện khôi phục dựa vào

độ ưu tiên của ký tự, sau đó bộ thu sẽ loại bỏ ảnh hưởng của ký tự đó trong tín hiệu

ban đầu Vì vậy việc tách sóng được thực hiện một cách tuần tự tương tự như SIC, quá trình kết thúc khi toàn bộ ký tự đều được khôi phục

Như vậy tín hiệu thu được có dạng Êj = Ena , dựa vào thứ tu tách sóng,

tín hiệu $ được chọn để khôi phục Giả sử sau quá trình khôi phục, ký tự thu đượclà x, (có thể giống x, hoặc không) Sau đó bộ giải mã thực hiện loại bỏ ảnh hưởng