Đồ án tốt nghiệp đại học nghiên cứu kỹ thuật tối ưu hóa mạng chuyển tiếp mimo

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp MIMO Multiple

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG

KHÓA: 8 HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA

MẠNG CHUYỂN TIẾP MIMO

NĂM 2014

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG

KHÓA: 8 HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 5252020109

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA

MẠNGCHUYỂN TIẾP MIMO

Cán bộ hướng dẫn PGS TS Trần Xuân Nam

NĂM 2014

BỘ QUỐC PHÒNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA: VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ

Phê chuẩn

Ngày tháng năm 2014

CHỦ NHIỆM KHOA

Độ mật:

Số:

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Phạm Thị Mai Hương Lớp: ĐTVT-8B Khóa: 8

Ngành: Kỹ thuật điện - điện tử Chuyên ngành: Điện tử viễn thông

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu mạng chuyển tiếp MIMO

2 Các số liệu ban đầu: ………

………

………

………

3 Nội dung bản thuyết minh:

Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác MIMO

Chương 2: Tối ưu mạng hợp tác MIMO

Chương 3: Kết hợp tối ưu máy thu phát trong các hệ thống MIMO chuyển tiếp không tái sinh

4 Số lượng, nội dung các bản vẽ và các sản phẩm cụ thể (nếu có):

………

………

………

………

5 Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Trần Xuân Nam, Thượng tá, Phó chủ nhiệm khoa

Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Ngày giao: 14/01/2014

Chủ nhiệm bộ môn

Ngày hoàn thành: 20/04/2014

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn

Thượng tá, PGS-TS Trần Xuân Nam

Học viên thực hiện

Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 20 tháng 04 năm 2014

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỤC LỤC…… ……… i

LỜI MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO… 3

1.1 Truyền thông hợp tác… 3

1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác 3

1.1.3 Ứng dụng của truyền thông hợp tác 5

1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO 5

1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến 5

1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu 8

1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO 11

1.3 Các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MIMO 14

1.4 Tóm tắt chương 17

Chương 2: TỐI ƯU MẠNG HỢP TÁC MIMO……… …… 18

2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng 182.1.1 Mô hình tín hiệu 18

2.1.2 Công thức bài toán 19

2.1.3 Tối ưu (W U F, , ) cho bài toán P1 20

2.1.4 Tối ưu (W U F, , )cho bài toán P2 25

2.1.5 Mở rộng đối với các kiến trúc không tuyến tính 26

2.1.6 Mở rộng đối với các kênh pha-đinh chọn lọc tần số 28

2.2 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều đa chặng 292.3 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặngđa chuyển tiếpsong song 312.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng cóliên kết Nguồn-Đích 32

2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng 33

iiChương 3: KẾT HỢP TỐI ƯU MÁY THU PHÁT TRONG CÁC HỆ THỐNGMIMO CHUYỂN TIẾP KHÔNG TÁI SINH……….36

3.1 Đặt vấn đề 363.2 Mô hình hệ thống đề xuất 37

3.3 Kết quả mô phỏng 413.3.1 Mô hình mô phỏng 413.3.2 Phân tích kết quả 42

3.4 Tóm tắt chương 44

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

MIMO Multiple Input-Multiple Output Nhiều đầu vào-nhiều đầu raMISO Multiple Input – Single Output Nhiều đầu vào - một đầu raMRC Maximal Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ tối đa

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

nhỏ nhấtMSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bìnhQPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phươngSDM Spatial Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

không gianSNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác đa nút 3

Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc 8

Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại 9

Hình 1.4: Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập 10

Hình 1.5: Ba phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO 12

Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống M N MIMO-SDM 13

Hình 1.7: Một số bộ tách tín hiệu cho hệ thống MIMO-SDM 14

Hình 1.8: Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho hệ thống MIMO-SDM 15

Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống MIMO tuyến tính một chiều hai chặng 18

Hình 2.2: Sơ đồ khối tương đương của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng khi không có đường trực tiếp 22

Hình 2.3: BER của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng với các tiêu chuẩn tối ưu khác nhau 24

Hình 2.4: Công suất tiêu thụ khi Đích sử dụng máy thu tuyến tính hoặc DFE 26

Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO một chiều đa chặng 29

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống MIMO một chiều hai chặng đa nút chuyển tiếp 32

Hình 2.7: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO tuyến tính hai chiều hai chặng 34 Hình 3.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính 37

Hình 3.2:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu chuẩn ZF và MMSE của QPSK với N s =N r =N d = 4. 42

Hình 3.3:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với N s =N r =N d = 4. 43

vHình 3.4: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo haitiêu chuẩn ZF và MMSE của QPSK với N s =N r =N d = 4. 43Hình 3.5: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo haitiêu chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với N s =N r =N d = 4. 44

Ma trận đường chéo kích thước

K ´ K với các phần tử trên đường chéo a n

{ 1 , 2 , 3}

k =diag F F Fk k k

F

M N´

£ Tập ma trận kích thước M´ N

với các giá trị phức

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công nghệthông tin, tốc độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu của ngườidùng về các dịch vụ vô tuyến tăng rất nhanh Kết quả dẫn đến những bức bách

về nhu cầu mở rộng vùng phủ, nâng cao chất lượngvà đặc biệt là gia tăng tốc độtruy nhập

Các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới như các hệ thống thôngtin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation), các hệ thống phát triển dài hạntiên tiến LTE (Long-Term Evolution), cáchệ thống truy nhập vô tuyến băngrộngWiMAX (Worldwide Interoperability via Microwave Access), hay mạngcục bộ vô tuyến Wi-Fi (Wireless Fidelity) đã cho phép người dùng có thể đạtđược tốc độ truy nhập hàng trăm Mbps

Một trong các giải pháp then chốt nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn cao đãđược xác định rõ là truyền dẫn trên kênh đa đầu vào-đa đầu ra MIMO (MultipleInput-Multiple Output) và truyền thông hợp tác

Đã có rất nhiều giải pháp tối ưu cho các mạng hợp tác MIMO như lựachọn nút trung gian tốt nhất làm nút Chuyển tiếp, các kỹ thuật lựa chọn ăng-ten.Đặc biệt là hàng loạt các kỹ thuật tối ưu cho các ma trận tại các nút mạng

Từ ý nghĩa khoa học và thực tiễn trên em nhận thấy, việc nghiên cứu cơ

sở lý thuyết và các giải pháp tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác có vai tròhết sức quan trọng Vì vậy, trong đồ án này em xin tập trung nghiên cứu nhữngkhái niệm và các kỹ thuật tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác Nội dung đồán của em gồm:

Chương 1:Làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợp tác và kỹthuật MIMO

Chương 2:Tổng hợp những công trình nghiên cứu liên quan đến tối ưuhóa mạng truyền thông hợptác MIMO-AF đã đượcthực hiện

Chương 3:Phân tích bài toán đồng thời tối ưu Nguồn-Đích cho một hệthống MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính, mô phỏng lại mộtsố kết quả đã được nghiên cứu, mở rộng khảo sát cho trường hợp 8-PSK vàtrường hợp có đường liên kết trực tiếp.

Trong quá trình biên soạn, đồ án không tránh khỏi có những sai sót, emmong được sự góp ý của các Thày giáo và các bạn đọc nói chung Em xin gửilời cảm ơn tới Thày giáo hướng dẫn PGS-TS Trần Xuân Nam, các Thày giáonghiên cứu sinh và các Thày giáo trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thông tin vì

đã giúp đỡ em rất nhiều trong định hướng cũng như thực hiện nội dung đồ án tốtnghiệp đại học Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thày giáo trong Khoa Vôtuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự và gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện vàđộng viên em hoàn thành đồ án này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO

1.1 Truyền thông hợp tác

1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác

Truyền thông hợp tác (cooperative communication) là sự cộng tác củamột hay nhiều nút trung gian trên đường truyền để truyền tín hiệu từ nút nguồnđến nút đích Do quá trình truyền dẫn giữa nút nguồn và đích được hỗ trợ bởicác nút trung gian nên tạo thành các đường tín hiệu khác nhau đến phía thu[45] Nếu vị trí các trạm trung gian cách xa nhau đủ lớn, các đường tín hiệu trở nênđộc lập với nhau và vì vậy tạo nên các đường phân tập không gian

Theo số chặng chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn chặng(single hop) và hệ thống truyền thông hợp tác đa chặng (multiple hop) Theo sốnút chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn nút và hệ thống truyềnthông hợp tác đa nút Hình 1.1 là một mô hình hệ thống truyền thông hợp tác đanút[45]

Chuyển tiếp 1

Chuyển tiếp K

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác đa nút [45]

1.1.2 Các giao thức truyền thông hợp tác

Một khía cạnh quan trọng của quá trình truyền thông hợp tác là kênhchuyển tiếp xử lý tín hiệu nhận được từ nút Nguồn Phương thức xử lý khácnhau dẫn đến giao thức truyền thông hợp tác cũng khác nhau Tổng quát, các

giao thức truyền thông hợp tác có thể được phân loại thành các giao thức chuyểntiếp cố định và các giao thức chuyển tiếp thích nghi Trong chuyển tiếp cố định,các nguồn kênh được phân chia giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp theo mộtgiao thức cố định Quá trình xử lý tại nút Chuyển tiếp không theo giao thức đã

sử dụng Trong giao thức chuyển tiếp khuếch đại-chuyển tiếp (AF: and-Forward) cố định, nút Chuyển tiếp nhận bản tin sau đó khuếch đại và phátbản tin đó tới nút Đích Một khả năng khác của quá trình xử lý tại nút Chuyểntiếp là giải mã tín hiệu nhận được, mã hóa lại và sau đó phát tới máy thu Loạichuyển tiếp này gọi là giao thức chuyển tiếp giải mã-chuyển tiếp ((DF: Detect-and-Forward) cố định

Amplify-Chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng thực hiện nhưng có nhượcđiểm là hiệu quả sử dụng băng thông thấp Bởi vì một nửa số tài nguyên kênhđược phân bổ cho nút Chuyển tiếp để phát, vì vậy làm hạn chế tốc độ truyền.Điều này đặc biệt đúng khi khi kênh giữa Nguồn-Đích tốt, lúc này tỷ lệ phầntrăm các gói tin phát đi từ Nguồn được nhận chính xác tại đích là rất cao, do đóviệc chuyển tiếp sẽ lãng phí Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi cố gắng khắcphục vấn đề này

Trong chuyển tiếp lựa chọn, nếu tỷ số tín hiệu trên tập âm (SNR: to-Noise Ratio) của tín hiệu nhận được tại nút Chuyển tiếp vượt quá một giá trịngưỡng nào đó thì tại nút Chuyển tiếp thực hiện công việc giải mã-chuyển tiếphiệu đó Mặt khác, nếu kênh truyền giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp chịu tácđộng của nhiễu và pha đinh dẫn tới tỷ số SNR thấp hơn giá trị ngưỡng thì nútChuyển tiếp ở trạng thái rỗi Ngoài ra, nếu nút Nguồn biết rằng nút Đích khônggiải mã đúng thì nút Nguồn có thể phát lại thông tin tới nút Đích hoặc thông quanút Chuyển tiếp để trợ giúp chuyển tiếp thông tin, quá trình này gọi là chuyểntiếp tăng cường Trong trường hợp này, cần thiết có một kênh phản hồi từ nútĐích tới các nút Nguồn và nút Chuyển tiếp

Signal-1.1.3Ứng dụng của truyền thông hợp tác

Truyền thông hợp tác có thể được ứng dụng rộng rãi trong các mạngthông tin vô tuyến như mạng thông tin di động tế bào, mạng ad hoc di động(MANET: Mobile Ad hoc Network) và mạng cảm biến không dây (WSN:Wireless Sensor Network) Kỹ thuật truyền thông hợp tác nhờ vào việc chuyểntiếp dữ liệu qua các nút (trạm) trung gian vì vậy cho phép kéo dài cự ly liên lạcgiữa nút Nguồn và nút Đích cũng như mở rộng phạm vi vùng phủ Hơn nữa docác đường chuyển tiếp được truyền phân tán trong không gian nên cho phép hệthống thu được độ lợi phân tập không gian (spatial diversty gain) nhờ đó tăngdung lượng kênh truyền và chất lượng truyền dẫn tín hiệu Mặt khác, nhờ sửdụng kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng, các nút trung gian có thể sử dụng công suấtphát thấp hơn trong khi vẫn bảo đảm được yêu cầu chất lượng dịch vụ, và làmgiảm đáng kể can nhiễu đến hệ thống

Các công nghệ truyền dẫn hợp tác và chuyển tiếp đã dần dần được đưavào các chuẩn mạng khác nhau, để phát triển hệ thống thông tin di động đáp ứngcác nhu cầu về chất lượng, độ tin cậy, tốc độ dữ liệu, các yêu cầu về dịch vụ.Các công nghệ này đã được đưa vào trong các chuẩn IEEE 802.16j và LTE cảitiến (Long Term Evolution-Advanced) Truyền thông hợp tác cũng được ứngdụng trong hệ thống vô tuyến nhận thức và các mạng cảm biến

1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO

1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến quá trình truyền dẫn luôn chịu ảnh hưởng bởicác hiện tượng pha-đinh Pha-đinh được phân loại theo nhiều cách khác nhau,tùy thuộc vào tham số xem xét, yêu cầu của hệ thống mà có: pha-đinh phạm virộng, pha-đinh phạm vi hẹp, pha-đinh phẳng, pha-đinh chọn lọc theo thờigian, pha-đinh chọn lọc tần số, pha-đinh nhanh và pha-đinh chậm Với các

mô hình kênh khác nhau như: kênh pha-đinh Rayleigh, kênh pha-đinh Rice,kênh pha-đinh Nakagami Các hệ thống thông tin khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng

của các hiện tượng pha-đinh khác nhau [25] , vì vậy, biện pháp khắc phục ảnhhưởng của các loại pha-đinh cũng khác nhau.

Để hạn chếảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông,trong thông tin vô tuyến sử dụng một số biện pháp kỹ thuật như: phương pháp

bù pha-đinh, kỹ thuật phân tập, kỹ thuật san bằng, trong đó các phương phápphân tập được sử dụng khá phổ biến[1] ,[25]

Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của mộtsố đường truyền có cáctham số thống kê độc lập, nhưng truyền tải cùng mộtthông tin giống nhau Bảnchất của phương pháp phân tập là tín hiệu đượctruyền trên các đường truyền độclập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinhkhác nhau Tức là, trong số các tínhiệu thu được sẽ có tín hiệu thu được vớichất lượng tốt và có tín hiệu thu đượcvới chất lượng xấu Do đó, nếu kết hợpcác tín hiệu này một cách thích hợp,chúng ta có thể thu được một tín hiệutổng hợp chịu ảnh hưởng của pha-đinh íthơn Kết quả này đồng nghĩa vớiviệc tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy caohơn

Theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụngtrong thông tin

vô tuyến có thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phântập phân cực và phân tập không gian[1]

 Phân tập thời gian

Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnhhưởng pha-đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn vềthời gian sẽ không tương quan với nhau Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thờiđiểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiềuđường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian

Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệu pha-đinhkhông tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ (coherence time)của kênh truyền Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời gian là làmsuy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian

 Phân tập tần số

Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, có thể sử dụng một tậphợp các tần số để truyền đi cũng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số.Khoảng cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ(coherence bandwwidth), để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụngkhông tương quan với nhau Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sựtiêu tốn phổ tần số Ngoài ra, do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nênmỗi nhánh cần sử dụng một máy thu phát cao tần riêng.

 Phân tập phân cực

Nghiên cứu cho thấy tín hiệu truyền đi trên hai phân cực trực giao trongmôi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập Vì vậy, hai phâncực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực Do chỉ tồn tạihai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạođược chỉ là hai Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suấttin hiệu phát cần chia đều cho hai nhánh, và vì vậy, chất lượng tín hiệu thu cũngbị suy giảm đi 2 lần hay 3dB

 Phân tập không gian

Phân tập không gian là sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu, máy phát hoặccả

ở phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không giankhácnhau Khoảng cách cần thiết giữa các ăng-ten tối thiểu là một nửa bướcsóng( 2) Khi sử dụng nhiều ăng-ten ở máy phát, ta có hệ thống phân tập khônggian phát, và có phân tập không gian thu nếu sửdụng nhiều ăng-ten thu Trườnghợp phân tập không gian mà sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thusẽtạo nên một hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và phân tậpthu, kênh truyền vô tuyến giữa các ăng-ten máy phát và ăng-ten máy thu đượcgọi là kênh MIMO

Phương pháp phân tập được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trongthông tin vô tuyến là phân tập không gian.Ưu điểm của phương pháp phân tậpkhông gian là không làm suy giảmhiệu suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần, dễ

sử dụng và trên lýthuyếtkhông có sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập

1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu

a) Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu

Khi tín hiệu ( )s t được truyền qua môi trường pha-đinh Rayleigh tới máy

thu sử dụng phân tập không gian với M nhánh phân tập, khi đó máy thu sẽ thuđược M tín hiệu nhánh Từ M tín hiệu nhánh trên, để tín hiệu ở đầu ra bộ kếthợp có chất lượng tốt hơn, có thể sử dụng ba phương pháp kết hợp phân tậpkhông gian:

 Kết hợp chọn lọc (SC: Selection Combining)

Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được minh họa như Hình 1.2 Tại một

thời điểm t , mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và tính toán tỷ số tín

hiệu trên tạp âm (SNR: Signal to Noise Ratio) của từng nhánh phân tập và chọn

ra tín hiệu ở nhánh có tỷ số SNR lớn nhất Trong thực tế, việc đo lường tỷ sốSNR rất khó thực hiện và, vì vậy, tínhiệu trên nhánh phân tập có tổng công suấttín hiệu và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn

Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc [1]

 Kết hợp số cực đại (MRC: Maximal-Ratio Combining)

Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại được Kahn đề xuất năm 1954 Sử dụngphương pháp này, tín hiệu của M nhánh phân tập được nhân trọng số

(weighted) cân xứng theo tỉ số SNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồngpha rồi kết hợp (cộng) với nhau Thực tế, phương pháp kết hợp tỉ số cực đại làphương pháp kết hợp cho độ lợi lớn nhất Phương pháp kết hợp này còn đượcgọi là phương pháp kết hợp tối ưu (optimum combining) Sơ đồ cấu hình một bộkết hợp tỉ số cực đại được trình bày ở Hình 1.3.

ch cao t n ch cao t n ch cao t n

Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại [1]

 Kết hợp đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining)

Tuy phương pháp MRC là phương pháp kết hợp tối ưu cho độ lợi phântập lớn nhất trong tất cả các phương pháp kết hợp phân tập thu, nhưng phươngpháp này yêu cầu phải biết chính xác được các trọng số kết hợp w , do đó m

tương đối phức tạp Hơn nữa, độ lợi thu được của phương pháp MRC không lớnhơn nhiều so với phương pháp kết hợp chọn lọc Điều này có nghĩa là phần lớnđộ lợi phân tập thu được từ nhánh phân tập có công suất lớn nhất và nếu mộtphương pháp kết hợp có thể thu được độ lợi từ nhánh phân tập đó thì tổng độ lợithu được hầu như không thay đổi Quan sát này dẫn đến một phương pháp phântập mới, kỹ thuật kết hợp phân tập đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining),đơn giản hơn phương pháp MRC Sử dụng phương pháp kết hợp EGC, tín hiệutại các nhánh được đồng pha (co-phasing) giống như trong trường hợp MRC,nhưng sau đó được nhân với các trọng số có cùng độ lớn, rồi kết hợp với nhau

Trường hợp đơn giản nhất là đặt độ lợi của các trọng số bằng hằng số đơn vị.Như vậy, phương pháp kết hợp EGC chỉ là một trường hợp đặc biệt của phươngpháp MRC

Hình 1.4 mô tả độ lợi phân tập của các phương pháp khác nhau Nhìn vàohình vẽ có thể nhận thấy phương pháp kết hợp tỉ số cực đại cho độ lợi phân tậplớn nhất, và phương pháp kết hợp chọn lọc cho độ lợi thấp nhất

Hình 1.4: Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập [1]

b) Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát

Phân tập phát được tạo nên bởi việc sử dụng nhiều ăng-ten phát kết hợpvới một phương pháp xử lý tín hiệu thích hợp Một số phương pháp phân tậpphát điển hình được đề xuất gần đây là:

 Phân tập phát tỉ số cực đại (MRT: Maximal-Ratio Transmit)

Bộ phân tập MRT mang lại bậc phân tập giống như của một bộ phân tậpthu MRC Tuy nhiên do tổng công suất phát được chuẩn hóa thành đơn vị nên bịthiệt hại về phẩm chất BER

 Phân tập phát giữ chậm

Các bản sao của tín hiệu s được truyền tới máy thu tại các thời điểm k

khác nhau và thông qua các ăng-ten phát khác nhau Các tín hiệu giữ chậm đượcmáy thu coi như các tín hiệu đa đường Vì vậy, để tách được các tín hiệu phát,máy thu sử dụng một bộ san bằng ước lượng chuỗi hợp lệ cực đại (MLSE:Maximum Likelihood Sequence Estimator) hay một bộ san bằng sai số bìnhphương trung bình cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error) để đạt đượcđộ lợi phân tập N

Ưu điểm của phương pháp phân tập phát giữ chậm là nó có thể cho độ lợiphân tập bậcN mà không yêu cầu phải mở rộng băng tần, cũng như cần phản hồitừ máy thu Một ưu điểm khác của phương pháp này là nó có thể áp dụng trựctiếp cho các kênh đa đường để thu được thêm độ lợi phân tập đa đường (pathdiversity)

 Phân tập phát không gian-thời gian

Hệ thống MIMO có ưu điểm nổi trội là khả năng cho phép tăng dunglượng kênh truyền vô tuyến theo hàm tuyến tính của số ăng-tennhỏ nhất sửdụng Các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất cácphương pháp truyền dẫn thoả mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từkênh MIMO và độ phức tạp cần thiết cho quá trình khôi phục ở phía máy thu

1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO

Một số phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO là: ghép kênhphân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing), mã khônggian-thời gian (STC: Space-Time Codes) và điều chế không gian (SM: SpatialModulation) như mô tả ở Hình 1.5

a) Mã không gian-thời gian

Là kỹ thuật mã hóa tín hiệu cho hệ thống phân tập không gian phát, trong

đó tín hiệu phát được mã hóa cả miền thời gian và miền không gian STC đạt được độ tăng ích phân tập với bậc phân tập lớn nhất M´ N là tăng ích

MIMO-mã hóa, hạn chế ảnh hưởng của pha đinh, cải thiện phẩm chất hệ thống (giảmthiểu BER) Các loại mã STC điển hình ban đầu được S M Alamouti[38] vàV

Tarokh et al.[42] tìm ra Mã không gian-thời gian có thểđược phân thành hai

loại cơ bản:

- Mã lưới không gian-thời gian (STTC: Space-Time Trellis Codes): loại

mã này có ưu điểm thu được đồng thời cả độ lợi phân tập và độ lợi mã hóanhưng có nhược điểm là phức tạp trên cả phương diện mã hóa và giải mã

- Mã khối không gian-thời gian (STBC: Space-Time Blocks Codes): loại

mã này có độ phức tạp giải mã thấp, thu được bậc phân tập đầy đủ nhưng khôngcung cấp độ lợi mã hóa và chỉ thu được tốc độ đầy đủ, bậc phân tập đầy đủvớisố ăng-ten N =2.

Hình 1.5: Ba phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO:

a) SDM; b) STC; c) SM

b) Ghép kênh phân chia theo không gian

PhươngphápSDM tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằngcách truyềnđồng thời một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các ăng-ten phát vàsửdụng các máy thu có độ phức tạp thấp để duy trì BERcho phép.Phương phápnày cho phép thu được độ tăng ích ghép kênh (multiplexinggain) lớn

Nguyên lý của phương pháp SDM: ở máyphát (Tx) luồng tín hiệu phátđược chia nhỏ (DEMUX: Demultiplexing) thànhNluồng nhỏ và truyền đồng

thời quaNăng-ten phát Tại máy thu các luồngtín hiệu sẽ được tách riêng ra rồighép lại (MUX: Multiplexing) với nhau như mô tả ởHình 1.6

DEMUX

1

2

Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thốngM N MIMO-SDM [1]

Do tín hiệu phát từcác ăng-ten phát khác nhau nên việc tách tín hiệu củamỗi luồng phát ở máythu sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh (CCI: Co-ChannelInterference) từ các luồng còn lại Vì vậy, máy thu chỉ cần sử dụng một bộ táchtín hiệu tốt có khả năng cung cấp BERthấp, đồng thời lại không yêu cầu quá cao

về độ phức tạp tính toán Do máyphát sử dụng ở phương pháp SDM chỉ đơnthuầnlà một bộ phân kênh nên các nghiên cứu về MIMO-SDM đều tập trung vàoviệcthiết kế bộ tách tín hiệu ở máy thu

Một số hệ thống MIMO-SDM điển hình được tìm ra bởi G J Foschini et

al 96[17] và P W Wolniansky et al.[34]

c) Điều chế không gian

Kỹ thuật điều chế không gian và khóa dịch không gian (SSK: Space ShiftKeying) là kỹ thuật sử dụng không gian vị trí ăng-ten để truyền các bit dữ liệu,số bít truyền tăng theo số ăng-ten sử dụng Kỹ thuật này có thể khắc phục cácnhược điểm của mã không gian-thời gian và ghép kênh theo không gian Kỹthuật này cho phép tăng hiệu quả phổ và hiệu quả sử dụng năng lượng

Một số công trình tiên phong điển hình đã được các tác giả thực hiện như:

R Y Mesleh et al.[35] đề xuất điều chế không gian cho hệ thống truyền dẫn

đơn ăng-ten J Jeganathan et al.[21] đề xuất khóa dịch không gian (SSK) và

khóa dịch không gian suy rộng cho các hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO

đơn và đa ăng-ten Younis et al.[9] đã đề xuất điều chế không gian suy rộng cho

hệ thống MIMO đa ăng-ten Đặc biệt là công trình nổi bật của M Di Renzo et al.[30] làm rõ điều chế không gian suy rộng cho các kênh MIMO.

1.3 Các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MIMO

Có một số bộ tách tín hiệu MIMO-SDM đã được đề xuất gần đây Dựatrên thao tác ước lượng tín hiệu có thể phân loại thành: các bộ tách tín hiệutuyến tính, các bộ tách tín hiệu phi tuyến và các bộ tách tín hiệu kết hợp tuyếntính và phi tuyến nhưHình 1.7

Hình 1.7: Một số bộ tách tín hiệu cho hệ thống MIMO-SDM [1]

a) Các bộ tách tín hiệu tuyến tính

Các bộ tách tín hiệu tuyến tính điển hình bao gồm: bộ tách tín hiệu cưỡngbức bằng không(ZF:ZeroForcing) và bộ tách tín hiệusai số bình phương trungbình tối thiểu(MMSE: Minimum Mean Square Error) Ưu điểm của cácbộ táchtín hiệu tuyến tính là có độ phức tạp tính toán thấp và có thể dễ thực hiệnnhờ cácthuật toán thích nghi phổ biến như: bình phương trung bình nhỏ nhất(LMS:Least Mean Square), bình phương nhỏ nhất qui hồi (RLS: Recursive LeastSquare) Nhược điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính là phẩm chấttách tín

hiệu (tỉ số lỗi bít) đạt được tương đối thấp, đặc biệt là khi sử dụngsố lượng ten phát lớn

ăng-Hình 1.8: Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho hệ thống MIMO-SDM [1] .Gần đây, nhờ việc áp dụng kết hợp với thuật toán rút gọn dàn (LR: LatticeReduction), các bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE có thể đạt được tỉ sốlỗi bit BER gần tối ưu, trong khi độ phức tạp tính toán hầu như không thay đổi.Trong thực tế, các bộ tách tín hiệu tuyến tính vẫn có ưu điểm hơn do yêu cầuquan trọng là độ phức tạp tính toán thấp, nên thường được áp dụng nhiều hơntrong thực tế

 Bộ tách tín hiệu ZF

Trong hệ thống MIMO, kênh truyền được biểu diễn là một ma trận mà cácphần tử của nó là các kênh pha-đinh đa đường Giá trị kênh này không được biếttrước tại bộ thu tín hiệu vô tuyến Do vậy, người ta thiết kế các bộ ước lượngkênh nhằm giúp khôi phục giá trị kênh truyền, nhờ đó khôi phục chính xác tínhiệu phát

Bộ tách tín hiệu ZF, còn được gọi là bộ tách tín hiệu bình phương nhỏnhất (LS: Least Square), có bản chất là giả sử tạp âm bằng không rồi sử dụngphương pháp bình phương nhỏ nhất để tìm tín hiệu pháts Việc này tương n

đương với giải một hệ M phương trình với N ẩn số Bộ tách tín hiệu ZF chỉ cóthể áp dụng được cho các hệ thống MIMO-SDM trong đó số ăng-ten thu nhiềuhơn số ăng-ten phát

- Ưu điểm:đơn giản, yêu cầu độ phức tạp tính toán thấp.

- Nhược điểm: chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm, do đó chỉthích hợp với kênh truyền có tỉ số SNR cao

 Bộ tách tín hiệu sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error)

Ngoài đặc tính thống kê của tín hiệu từ ăng-ten phát, bộ tách tín hiệuMMSE còn xem xét đến cả đặc tính tạp âm tại các nhánh ăng-ten thu, do đó sẽkhắc phục nhược điểm khuếch đại tạp âm của bộ ZF

Ưu điểm: đơn giản, độ phức tạp tính toán thấp, dễ triển khai trong thực tếnhờ các thuật toán thích nghi như LMS, RLS, khắc phục được nhược điểmkhuếch đại tạp âm của bộ tách tín hiệu ZF do bộ MMSE có tính đến đặc tính củatạp âm, vì vậy phẩm chất BER hay SINR của bộ MMSE thường tốt hơn bộ ZF

b) Các bộ tách tín hiệu phi tuyến

Các bộ tách tín hiệu phituyến có ưu điểm là có phẩm chất BER tốt hơncác bộ tách tín hiệu tuyến tính, nhưng cónhượcđiểmlà độ phức tạp tính toán lớn.Trong các bộ tách tín hiệu phi tuyến, bộtách tín hiệu hợp lệ tối đa(ML:Maximum Likelihood) là bộ tách tín hiệu tốiưu, có phẩm chất BER tốt nhất Tuynhiên, độ phức tạp tính toán củabộ tách tín hiệu ML lại lớn nhất (biến thiên theohàm mũ), vì vậy, bộ táchtín hiệu này rất ít được sử dụng trong thực tế

Các bộ tách tín hiệu kết hợp nhằm thỏa mãn yêu cầu dung hòa giữa phẩmchất BER và độ phức tạp tính toán Các bộ tách tín hiệu kết hợp nhưbộ tách tínhiệu V-BLAST (Vertical-Bell Labs Layered Space Time) và bộ tách tín hiệuML-MMSE

1.4 Tóm tắt chương

Trong chương 1 đã làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợptác và kỹ thuật MIMO Việc kết hợp truyền thông hợp tác vào các kỹ thuậtMIMO khác nhau cho phép mang lại những giải pháp tiềm năng và hứa hẹn tăngdung lượng kênh truyền[14] , [17] , [18] , cải tiến độ tin cậy, nâng cao chấtlượng tín hiệu và mở rộng vùng phủ Đặc biệt, các hệ thống này phù hợp cho

việc truyền dẫn tốc độ cao trên các kênh băng rộng cũng như các kênh pha-đinhchọn lọc tần số

Chương 2 TỐI ƯU MẠNG HỢP TÁC MIMO

2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng

2.1.1Mô hình tín hiệu

Xem xét cho hệ thống MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyếntính, làm việc trên kênh pha-đinh phẳng, không có sự hiện diện của đường liênkết trực tiếp Nguồn-Đích do suy hao đường truyền lớn.Phương thức thu nhận và

xử lý tín hiệu tại các chuyển tiếp theo giao thức AF như sơ đồ trên Hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống MIMO tuyến tính một chiều hai chặng [28] .

Véc-tơ tín hiệu phát từ Nguồn s= êéës s1 2, , ,s M ùúûT với tổng số symbol

truyền M £ min(N N r, s) được xử lý tuyến tính bởi ma trận U Î £N M s´ sau

đó được truyền qua đường liên kết Nguồn-Chuyển tiếp trong pha thứ nhất Tínhiệu nhận được tại Chuyển tiếp được xử lý bởi F Î £N N r´ r sau đó truyền đến

Đích trong pha thứ hai Véc-tơ tín hiệu ước lượng được tại Đích là

tơ tạp âm Gauss phức có giá trị trung bình bằng 0 và ma trận hiệp phương sai là

r Rn với r >0 tính cho phương sai tạp âm qua cả hai đường liên kết,

là các phân tích giá trị riêng (SVDs: Singular Value Decompositions) của Hsr

và Hrd, các ma trận

L là các ma trận đường chéo với các phần tử

được sắp xếp theo bậc không tăng Ma trận sai số bình phương trung bình(MSE: Mean Square Error ) tính được là:

2.1.2 Công thức bài toán

Có nhiều phương pháp khác nhau để tối ưu các hệ thống chuyển tiếpMIMO-AF [32] ,[47] nhưng chung quy lại đều tập trung vào tối ưu các ma trậnĐích, Nguồn, Chuyển tiếp (W U F, , )theo hai bài toán cơ bản sau:

Bài toán thứ nhất, tập trung vào cực tiểu/cực đại hàm mục tiêu tổng quát (

f ¡ ® ¡ ) theo các sự giàng buộc công suất trung bình tại Nguồn và các nút

Chuyển tiếp Giả định f phụ thuộc vào từng MSEs { , ; 1,2, , }

ê úEbài toán tối ưu thứ nhất [57] có dạng

ở đây Ps và Pr lần lượt biểu thị công suất phát tại Nguồn và Chuyển tiếp

Bài toán thứ hai, với mục tiêu giảm đến mức tối thiểu tổng công suất tiêuthụ trong khi vẫn thỏa mãn các yêu cầu riêng chất lượng của dịch vụ (QoS:Quality-of-Service) trên các dòng dữ liệu khác nhau Giả định các sự ràng buộcQoS được cho theo các số hạng MSEs khi đó bài toán thứ hai [50] có dạng:

ở đây h >m 0 là QoS yêu cầu đối với dòng dữ liệu thứ m

2.1.3 Tối ưu (W U F, , ) cho bài toán P1

Vì f tăng theo mỗi đối số, tối ưu W trong sao cho mỗi é ùê úE m m, được cựctiểu với bất kỳ (U F, )[57] đạt được bởi bộ lọc Wiener,

a) Các hàm lõm-Schur cộng

Một số bài toán tối ưu trong đó f là hàm lõm-Schur cộng bao gồm:

 Tối đa thông tin tương hỗ (MI: Mutual Information)

Hình 2.2:Sơ đồ khối tương đương của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng

khi không có đường trực tiếp [28]