Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống vô tuyến nhận thức đa người dùng

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu sử dụng thông tin đơn giản như điện thoại, điện tín, điện báo, …đến nay nhu cầu về truy cập và trao đổi thông tin càng ngày càng gia tăng và đòi hỏi những tính năng đa dịch vụ đồng nghĩa với việc băng thông cũng như tốc độ truyền ngày càng cao. Và công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đa anten thu và đa anten phát (MIMO) được coi là giải pháp để giải quyết những vấn đề đó. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học, hệ thống MIMO đã được phát triển theo rất nhiều hướng khác nhau, khai thác tối đa những ưu điểm của nó. Điển hình là việc tăng dung lượng lên rất nhiều, tỷ lệ với số lượng anten sử dụng ở hai đầu cuối. Tuy nhiên để đạt được hiệu suất làm việc tốt cần áp dụng nhiều kỹ thuật mã hoá kênh truyền phức tạp để xử lý tín hiệu. Gần đây, kỹ thuật này được nghiên cứu và đánh giá có khả năng rất tốt trong việc nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin đồng thời đảm bảo độ tin cậy.Do đó, em đã lựa chọn đề tài “Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống vô tuyến nhận thức đa người dùng”. Về nội dung, đồ án của em bao gồm 4 chương như sau:Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio. Trong chương này em đi vào tìm hiểu về vô tuyến nhận thức, khái niệm và đặc điểm của hệ thống này.Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output. Tìm hiểu về hệ thống MIMO, các kĩ thuật phân tập cũng như dung lượng kênh truyền. Tiếp đó là tìm hiểu về hệ thống MUMIMO.Chương 3: Cognitive Precoding trong hệ thống MUMIMO. Tìm hiểu các kỹ thuật, phương pháp mã hoá kênh truyền áp dụng cho hệ thống vô tuyến nhận thức.Chương 4: Kết quả mô phỏng bằng MATLAB. Sử dụng chương trình MATLAB để mô phỏng nội dung thực hiện và tìm hiểu ở chương 3. Từ kết quả nhận được, ta có sự so sánh giữa các kỹ thuật.

Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em tên là Phạm Văn Quốc

Hiện đang học lớp 09DT3 – Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học BáchKhoa – Đại học Đà Nẵng

Em xin cam đoan nội dung của đồ án “Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống

vô tuyến nhận thức đa người dùng” là do em tự thực hiện, không phải là bản sao chép

của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hìnhthức kỷ luật của Khoa

Sinh viên thực hiện đồ án

Phạm Văn Quốc

CÁC TỪ VIẾT TẮT

MU-MIMO Multi User – Multi Input Multi Output

PU(-AP) Primary User ( - Access Point)

SU(-AP) Secondary User ( - Access Point)

mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết Từ những nhu cầu sử dụng thông tinđơn giản như điện thoại, điện tín, điện báo, …đến nay nhu cầu về truy cập và trao đổithông tin càng ngày càng gia tăng và đòi hỏi những tính năng đa dịch vụ đồng nghĩavới việc băng thông cũng như tốc độ truyền ngày càng cao Và công nghệ truyền thông

vô tuyến sử dụng đa anten thu và đa anten phát (MIMO) được coi là giải pháp để giảiquyết những vấn đề đó

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các công trình nghiên cứu của cácnhà khoa học, hệ thống MIMO đã được phát triển theo rất nhiều hướng khác nhau, khaithác tối đa những ưu điểm của nó Điển hình là việc tăng dung lượng lên rất nhiều, tỷ lệvới số lượng anten sử dụng ở hai đầu cuối Tuy nhiên để đạt được hiệu suất làm việctốt cần áp dụng nhiều kỹ thuật mã hoá kênh truyền phức tạp để xử lý tín hiệu Gần đây,

kỹ thuật này được nghiên cứu và đánh giá có khả năng rất tốt trong việc nâng cao dunglượng của hệ thống thông tin đồng thời đảm bảo độ tin cậy

Do đó, em đã lựa chọn đề tài “Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống vô tuyến

nhận thức đa người dùng” Về nội dung, đồ án của em bao gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio Trong chương này em đi vào tìm

hiểu về vô tuyến nhận thức, khái niệm và đặc điểm của hệ thống này

Chương 3: Cognitive Precoding trong hệ thống MU-MIMO Tìm hiểu các kỹ

thuật, phương pháp mã hoá kênh truyền áp dụng cho hệ thống vô tuyến nhận thức

Chương 4: Kết quả mô phỏng bằng MATLAB Sử dụng chương trình

MATLAB để mô phỏng nội dung thực hiện và tìm hiểu ở chương 3 Từ kết quả nhậnđược, ta có sự so sánh giữa các kỹ thuật

Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo ThS Nguyễn Duy Nhật Viễn đã tận tìnhhướng dẫn và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ cho việc hoàn thiện đồ án này.Với kiến thức còn chạn chế, trong quá trình thực hiện nội dung đồ án không thể tránhkhỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đánh giá và bổ sung kiến thức từ thầy cô vàbạn bè để em có thể hoàn thiện hơn Em xin chân thành cám ơn!

Trân trọng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ COGNITIVE

RADIO1.1 Giới thiệu chung chương

Ngày nay, hệ thống mạng không dây được đặc trưng bởi một chính sách là sựphân công phổ cố định Tuy nhiên, phần lớn của phổ được phân công này không được

sử dụng thường xuyên và sự thay đổi về mặt địa lý khiến sự hiệu quả trong việc sửdụng phổ được phân công này chỉ trong khoảng từ 15% đến 85% Quang phổ có sẵn bịhạn chế và việc sử dụng quang phổ kém hiệu quả đòi hỏi một mô hình truyền thôngmới để khai thác phổ vô tuyến hiện đang tồn tại Mô hình mạng mới này được gọi làmạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio)

Cognitive radio (CR) đã được bắt đầu quan tâm nghiên cứu từ năm 2004 Khởiđầu là việc tái sử dụng lại băng tần TV band ở Mỹ để dùng cho WRAN 802.22 Tiếptheo, người ta bắt đầu quan tâm đến việc sử dụng cùng một băng tần cho nhiều kỹthuật, nhiều người dùng khác nhau Ý tưởng đơn giản là trên cùng một băng tần, mộtngười dùng được cấp phép nhưng phải lúc nào băng tần đấy cũng bị chiếm dụng Vậytại thởi điểm mà băng tần này “available” thì nó sẽ được phân cho người dùng kháccòn gọi là CR users Đây là một khuynh hướng trong việc quản lý băng tần vì tàinguyên băng tần vốn là quý hiếm nên cần được sử dụng một cách hiệu quả hơn Do đó,việc nghiên cứ về Cognitive radio đang là một trong những lĩnh vực khá hot và còn rấtnhiều điều cần giải quyết

1.2 Định nghĩa và chức năng

1.2.1 Định nghĩa

Mạng vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thayđổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động Mục

đích của việc ứng dụng CR là tạo cơ hội khai thác hiệu quả các khoảng trắng tần số.Tức là cho phép các người dùng khác hoạt động trên các băng tần còn trống tạm thời

mà không gây nhiễu đến các người dùng có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên băngtần đó

1.2.2 Chức năng

Các kỹ thuật cảm biến quang phổ cho phép các mạng CR để thích ứng với môitrường bằng cách phát hiện các lỗ quang phổ, và cách hiệu quả nhất để phát hiện các lỗhổng phổ là để phát hiện sự hiện diện của primary users Các kĩ thuật CR cung cấp khảnăng sử dụng hoặc chia sẻ quang phổ một cách cơ hội và cho phép CR hoạt động trongkênh có sẵn tốt nhất

Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần, CR phải có những chức năng

cơ bản như sau:

Hình 1.1 Khái niệm hố phổ rỗi hình thành lên ý tưởng về vô tuyến nhận thức (CR).

• Xác định các phần của quang phổ có sẵn và phát hiện sự hiện diện của các người dùngđược cấp phép khi người dùng hoạt động trong một băng tần được cấp phép (spectrumsensing)

• Chọn kênh có sẵn tốt nhất (spectrum decision)

• Phối hợp và chia sẻ với người dùng khác để truy nhập vào vào băng tần này (spectrumsharing)

• Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hoá sửa lỗi đểcho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể.

• Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông nhằmgiảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu

• Rời khỏi kênh khi một người dùng được cấp phép được phát hiện (spectrum mobility)

Cùng với việc một CR hỗ trợ khả năng chọn kênh có sẵn tốt nhất, thử thách tiếptheo là làm cho các giao thức mạng thích ứng với quang phổ có sẵn

Các chức năng của mạng CR cho phép quang phổ nhận thức các giao thứctruyền thông Tuy nhiên, việc sử dụng năng động của quang phổ gây ảnh hưởng xấuđến việc vận hành các giao thức truyền thông thông thường Cho đến nay, mạng trongcác kĩ thuật CR là một chủ đề chưa được khám phá hết

1.3 Kiến trúc mạng Cognitive Radio

Cognitive radio đã được đề xuất như một phương tiện để thúc đẩy việc sử dụnghiệu quả các nguồn tài nguyên phổ vô tuyến quý giá Nó được định nghĩa như là một

hệ thống truyền thông không dây thông minh, nó có thể nhận thức được môi trườngxung quanh Nhưng hiện tại môi trường mạng không dây sử dụng không đồng nhất cả

về chính sách phổ và công nghệ truyền thông Do đó, một mô tả rõ ràng của kiến trúcmạng CR là rất quan trọng cho sự phát triển của giao thức truyền thông

Các thành phần của kiến trúc mạng CR, như thể hiện trong Hình 1.2, có thểđược xếp vào hai nhóm như các mạng chính (primary network) và mạng nhận thức(cognitive network) Mạng chính được gọi là mạng di sản (the legacy network) cóquyền độc quyền cho một băng tần nhất định Ngược lại, mạng nhận thức không đượcphép hoạt động trong băng tần mong muốn Các yếu tố cơ bản của mạng chính vàmạng nhận thức được quy định như sau:

Hình 1.2 Kiến trúc mạng Cognitive radio.

• Primary User: được cấp phép hoạt động trong một phổ băng tần nhất định Truy cậpnày chỉ có thể được điều khiển bởi trạm gốc của nó nên không bị ảnh hưởng bởi cáchoạt động của bất kỳ người sử dụng trái phép nào khác

• Primary Base-Station: là một thành phần trong mạng lưới cơ sở hạ tầng cố định mà nó

có một quang phổ cấp phép (spectrum licensed) Về nguyên tắc, primary base-stationkhông có bất kỳ khả năng CR nào để chia sẻ quang phổ với các CR users Tuy nhiên,primary base-station cũng có thể được yêu cầu phải có khả năng cho việc truy nhậpmạng chính của các CR users

• Cognitive Radio User (CR users): không có quang phổ cấp phép Do đó, việc truy nhậpphổ chỉ được cho phép khi có cơ hội CR user được cho rằng là có khả năng giao tiếpkhông chỉ với Base-Station mà còn các CR user khác.

• Cognitive Radio Base-Station: là một thành phần cơ sở hạ tầng cố định với khả năng

CR Cognitive Radio Base-Station cung cấp kết nối đơn cho CR users mà không đượcphép truy nhập quang phổ

Như thể hiện trong Hình 1.2, CR users có thể hoặc giao tiếp với hoặc truy cậpvào Base-Station Như vậy, trong kiến trúc mạng CR, có ba loại truy cập khác nhautrên mạng không đồng nhất , trong đó thể hiện các yêu cầu thực hiện khác nhau nhưsau:

• Cognitive Radio Network Access: CR users có thể truy nhập vào CR base-station củamình cả trong băng tần được cấp phép và không cấp phép

• Cognitive Radio Ad Hoc Access: người CR users có thể giao tiếp CR users khác thôngqua kết nối đặc biệt cả trong băng tần được cấp phép và không cấp phép

• Primary Network Access: CR users có thể truy nhập primary base-station thông quacác băng tần cấp phép, nếu mạng chính được cho phép Không giống với các loại truynhập khác, CR users nên hỗ trợ kĩ thuật truy cập trung bình (medium accesstechnology) của mạng chính Hơn nữa, primary base-station nên hỗ trợ khả năng vôtuyến nhận thức (CR)

1.4 Hoạt động của mạng Cognitive radio

1.4.1 Hoạt động trên băng cấp phép

Như đã chỉ ra trên Hình 1.1, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trong băngphổ được cấp phép Do đó, các mạng CR có thể được sử dụng để khai thác các hố phổnày thông qua các công nghệ thông minh Kiến trúc này được miêu tả trong Hình 1.3trong đó các mạng CR cùng tồn tại với các mạng chính tại cùng một vị trí và trên cùngmột băng phổ

Hình 1.3 Mạng Cognitive radio hoạt động trên băng cấp phép.

Có nhiều thách thức khác nhau để thực hiện các mạng CR trên băng cấp phép vì

sự tồn tại của những người dùng chính Mặc dù, mục đích chính của mạng Vô tuyếnthông minh là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng các chức năng của CR trongbăng cấp phép lại bao gồm phát hiện sự có mặt của các người dùng chính Dung lượngkênh của các hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính Do đó,việc tránh nhiễu cho những người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúcnày Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị những CR userschiếm, thì CR users ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện thời và chuyển tới phổ mới sẵn

có khác, gọi là chuyển giao phổ

1.4.2 Hoạt động trên băng không được cấp phép

Các mạng CR có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không câp phép

để cải thiện hiệu quả phổ trong phần phổ này Mạng Vô CR hoạt động trên băng khôngcấp phép được minh họa trên Hình 1.4 Tất cả thực thể trong mạng có quyền như nhaukhi truy nhập tới các băng phổ Nhiều mạng CR cùng tồn tại trong một vùng giốngnhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau Các thuật toán chia sẻ phổ

Hình 1.4 Mạng Cognitive radio hoạt động trên băng không được cấp phép.

Trong kiến trúc này, những CR users tập trung vào phát hiện việc truyền củanhững CR users khác Khác với hoạt động trên băng cấp phép, việc chuyển giao phổkhông bị kích thích bởi sự có mặt của những người dùng chính khác Tuy nhiên, vì tất

cả những CR users có quyền truy nhập phổ như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhautrong cùng băng không cấp phép Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻphổ phức tạp giữa những CR users Nếu nhiều mạng CR nằm trong cùng một băngkhông cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này

1.5 Ứng dụng của mạng Cognitive radio

Mạng CR nổi lên như là một công nghệ đem lại hiệu quả chi phí cao, cung cấpkết nối băng rộng Tuy nhiên, khi mật độ mạng tăng lên, các ứng dụng cũng yêu cầuthông lượng cao hơn, thì các mạng cũng yêu cầu dung lượng cao hơn để đáp ứng yêucầu của các ứng dụng này Vì công nghệ CR cho phép truy nhập tới một lượng phổ lớnhơn, nên các mạng CR có thể được sử dụng cho mạng lưới ở các vùng thành thị mật độdân cư cao

Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của CR là môi trường vô tuyến trongquân đội Các mạng CR có thể cho phép các vô tuyến quân đội lựa chọn băng tần sốtrung tần (IF), sơ đồ điều chế và sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyếnbiến đổi của chiến trường Các mạng quan đội này cũng cần bảo mật cao và bảo vệthông tin trong môi trường có địch Các mạng CR có thể cho phép nhân viên quân độithực hiện chuyển giao phổ để tìm băng phổ an toàn cho chính họ và các phe đồng minhcủa họ.

Ngoài ra, các mạng CR có thể được ứng dụng trong mạng khẩn cấp và an toàncông cộng Trong trường hợp thiên tai, nó có thể ngắt tạm thời hoặc phá hủy cơ sở hạtầng thông tin đang tồn tại, nhân viên cứu hộ làm việc trong các vùng thiên tai này cầnthiết lập các mạng khẩn cấp Vì các mạng khẩn cấp liên quan tới thông tin khẩn nêncần đảm bảo truyền thông tin cậy với trễ nhỏ nhất Thêm vào đó, truyền thông khẩncấp yêu cầu một lượng phổ đáng kể để xử lí lượng lưu lượng rất lớn, bao gồm thoại,video, và dữ liệu Các mạng CR có thể cho phép sử dụng phổ sẵn có mà không cần một

cơ sở hạ tầng và bằng cách duy trì ưu tiên truyền thông và thời gian đáp ứng

1.6 Kết luận chương

Cognitive Radio hay còn gọi là vô tuyến nhận thức, giải pháp công nghệ để cảmbiến môi trường vô tuyến nhằm phát hiện sự chiếm dụng/không chiếm dụng của cácbăng tần đã được cấp phép và thực hiện các quá trình thông tin trên những băng tần đó,

sẽ là công nghệ để sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số đang dần khan hiếm hiệnnay Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu một cách hệ thống mô hình, nguyên lýhoạt động của công nghệ CR Đây được coi là giải pháp tối ưu cho việc sử dụng hiệuquả phổ tần Trong những chương tiếp theo, chúng ta đi sâu tìm hiểu về ứng dụng của

CR hơn

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MULTI USER – MULTI

INPUT MULTI OUTPUT (MU – MIMO)

2.1 Giới thiệu chương

Kỹ thuật MIMO xuất hiện từ rất sớm những nằm 70 do A.R Kaye và D.AGeorge đề ra nằm 1970 Trải qua một thời gian dài cho đến bây giờ, kỹ thuật này đãkhông ngừng cải tiến và góp một phần không nhỏ vào sự phát triển của hệ thống thôngtin vô tuyến Để hiểu rõ hơn sự phát triển của kỹ thuật này như thế nào, trong chươngnày em sẽ đi tìm hiểu về khái niệm của hệ thống MIMO, các kĩ thuật phân tập áp dụngtrong hệ thống cũng như cách tính toán dung lượng

2.2 Hệ thống MIMO

MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ởmáy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền Hệ thống có thể cung cấp phân tập phátnhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chấtlượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất

sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra, chuỗi tín hiệu phát được mã hoá theo cảhai miền không gian và thời gian giúp cải thiện dung lượng của hệ thống Tín hiệu saukhi được mã hoá không gian – thời gian được phát đi nhờ NT anten phát Máy thu sửdụng phân tập thu với NR anten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát và máy thu có NTđầu vào và NR đầu ra được gọi là kênh MIMO NRxNT Trong các trường hợp đặc biệtkhi NT = 1 và NR = 1 hay NT =1 hoặc NR = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thốngSISO, phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO

Hình 2.1 Các mô hình hệ thống thông tin không dây.

Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có khả năng tăng đáng kểtốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cầntăng công suất hay băng thông hệ thống Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệuchính là việc tăng chi phí để triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệthống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lí số tín hiệu nhiều chiều cũng tănglên Hệ thống MIMO có ưu điểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chấtlượng của hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để đưa vào hệ thống thông tin trongtương lai Tuy nhiên, hệ thống MIMO lại có nhược điểm là không có khả năng chốnglại fading chọn lọc tần số

2.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO

• Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh theo không gian

• Tăng dung lượng kênh, tốc độ truyền dữ liệu mà không cần tăng công suất phát vàbăng thông

2.3.2 Nhược điểm

• Tăng độ phức tạp trong việc xử lý tín hiệu phát và thu

• Kích thước của thiết bị di động tăng lên trong khi xu hướng thiết bị ngày càng nhỏ

• Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần dẫnđến hiện tượng giao thoa giữa các anten

• Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng hệ thống MIMO

• Do sử dụng nhiều anten phát và thu dẫn đến giá thành của hệ thống MIMO tăng lênnhiều so với các hệ thống như SISO, MISO, SIMO

2.4 Kĩ thuật phân tập

Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu và giảm ảnh hướng củafading đa đường truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cầnthiết bằng cách sử dụng hai hay nhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khácnhau Kỹ thuật phân tập có thể sử dụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợiphân tập Độ lợi phân tập là sự tăng lên của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tậphoặc có thể tính là sự rút gọn của công suất phát khi có phân tập

2.4.1 Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể nhận được bằng cách mã hoá và đan xen, trong đóthông tin được mã hoá và truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khácnhau sao cho từng phần của từ mã chỉ bị ảnh hưởng của các fading độc lập Thực hiện

phân tập thời gian bằng cách lấy trung bình fading của kênh theo thời gian Thời giannhất quán của kênh thường có độ lâu khoảng từ 10 đến 100 ký hiệu mang tin, nên kênh

có tương quan rất cao trên nhiều ký hiệu liên tiếp Để đảm bảo các ký hiệu sau mã hoáđược truyền có độ lợi kênh độc lập hoặc hầu như độc lập người ta thực hiện đan xencác từ mã

Hình 2.2 Phân tập theo thời gian.

Phân tập theo thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau quanhững khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương quan vớinhau Trong truyền thông di động, mã điều khiển kết hợp với xen kênh để đạt được sựphân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu

bị dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệuphát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộgiải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kĩ thuật nàythường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênhtruyền nhỏ Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫnđến thời gian trì hoãn đáng kể

2.4.2 Phân tập tần số

Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tin Các tần sốcần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với cáctần số còn lại Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảo đặctính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau Trong thông tin di động,các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số đểtạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang, nhảy tần Kỹthuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ Tuy nhiên khi băngthông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thì trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơnchu kì tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hiệu quả để tạo ra phân tập tần

số Tương tự như phân tập thời gian, phân tập không gian gây ra tổn thất hiệu quả băngtần do sự dư thừa trong miền tần số

2.4.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gợi là phân tập anten do sử dụng nhiều anten phát hoặcanten thu được đặt đủ cách xa nhau Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trongtruyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặcchuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các anten đượcphân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không tương quan với nhau.Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lantruyền và tần số làm việc khoảng cách điển hình khoảng vài bước song là đủ để các tínhiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tínhiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian Khônggiống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suấtbăng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trongtương lai

Phân tập không gian gồm có:

• Phân tập phân cực: tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang được phát bằng haianten phân cực khác nhau và cũng thu bằng hai anten phân cực khác nhau Điều đóđảm bảo tạo ra hai tín hiệu không tương quan mà vẫn không cần đặt hai anten cách xanhau.

• Phân tập anten phát: nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát Tín hiệu được xử lý

ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten

• Phân tập anten thu: nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập củatín hiệu phát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fadingnhiều đường

2.5 Xu hướng phát triển của hệ thống MIMO

So sánh với hệ thống đơn anten thông thường, dung lượng kênh của 1 hệ thốngnhiều anten với NT anten truyền và NR anten thu có thể tăng lên bởi yếu tốmin(NT,NR), mà không bổ sung công suất truyền hoặc tăng phổ băng thông Do nhucầu về tốc độ truyền tải dữ liệu ngày càng tăng trong hệ thống viễn thông, các hệ thống

đa anten đã và đang được nghiên cứu tích cực

Ngay cả khi 1 kênh không dây với dung lượng kênh cao được đưa ra, chúng tavẫn cần tìm những kĩ thuật tốt để đạt được tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hoặc độ tincậy cao Những kĩ thuật anten được phân loại thành 2 thể loại: những kĩ thuậtDIVERSITY, những kĩ thuật SPATIAL-MULTIPLEXING (ghép kênh không gian).Những kĩ thuật đa dạng có ý định là thu những tín hiệu mang thông tin giống nhautrong những anten hoặc truyền chúng từ những anten, do đó cải thiện độ tin cậy truyềndẫn Một ý tưởng cơ bản của những kĩ thuật đa dạng là chuyển đổi Rayleigh fadingkênh không dây thành kênh AWGN-like ổn định hơn mà không có bất cứ tín hiệufading nào Trong kĩ thuật ghép kênh không gian, mặt khác, nhiều dòng dữ liệu độc lậpđược truyền đồng thời bời nhiều anten truyền, do đó đạt được tốc độ truyền dẫn caohơn Khi kĩ thuật ghép kênh không gian được sử dụng, tốc độ truyền dẫn tối đa có thểđạt được tương đương với dung lượng của kênh MIMO; tuy nhiên, khi kỹ thuật

Diversity đc sử dụng, tốc độ truyền dẫn đạt được có thể nhỏ hơn rất nhiều so với dunglượng kênh MIMO.

2.6 Dung lượng kênh MIMO

Khi bàn về dung lượng của kênh vô tuyến MIMO, đầu tiên chúng ta nhắm vào

sự đồng nhất ma trận hữu ích mà thường được sử dụng trong các biểu thức tính dunglượng Trong những phần tiếp theo, chúng ta nhận được những dung lượng của hệthống MIMO cho những kênh xác định

2.6.1 Lý thuyết ma trận

Đầu tiên chúng ta cần tìm hiểu các lý thuyết về ma trận, nó giúp ta hiểu rõ vấn

đề hơn Cho ma trận H ∈£NRxNT , phân tích giá trị riêng (SVD) ma trận H ta được nhưsau:

H

H U V= Σ (2.1)

Trong đó, U∈£NR NR× và NT NT

V∈£ × là các ma trận nhất phân (unitary matrix),

và Σ∈£NR NT× là một ma trận chữ nhật có các phần tử đường chéo là các số thực không

âm và các phần tử không thuộc đường chéo bằng không Các phần tử nằm trên đườngchéo của Σlà những giá trị riêng của ma trận H, được biểu thị bằng σ σ1, 2, ,σNmin với

( )

min min T, R

N @ N N Thực tế ta thường giả sử rằng σ1≥σ2 ≥ ≥ σNmin, đó là những

phần tử đường chéo của Σvà cũng là các giá trị riêng của ma trân H Hạng của ma trận

H tương ứng với số các giá trị riêng khác không (rank H( ) ≤Nmin) Trường hợp

min R

N =N , SVD biểu thức (2.1) có thể được biểu diễn như sau:

min min min

U ∈ £ × bao gồm Nmin các vector riêng bên trái tương ứng với số lớn

nhất có thể của các giá trị riêng khác không, và min min min

N

×

Σ ∈£ bây giờ là ma trận

vuông Vì Nminvector riêng trong U Nmincó độ dài N R, do đó luôn tuôn tồn tại

(N R−Nmin) vector riêng, như [ UNminUNR N− min]

NT N V H

NT N N

V ∈ £ × bao gồm Nmin các vector riêng bên phải Dựa vào phép

phân tích giá trị riêng SVD của H, ta thấy các thành phần giá trị riêng trong phép phân

tíc được giữ lại như sau:

Với Q U= do đó H I

NR

Q Q= , và Λ ∈ £NR NR× là ma trận đường chéo với các phần tử

đường chéo được cho như sau:

min min

1,2, , ,

1, , 0,

i i

riêng của ma trân đối xứng Hermintian HH hoặc tương tự như H H H H

Đối với ma trận vuông không phải Hermintian H∈£n n× (hoặc ma trận thựckhông đối xứng), phân tích giá trị riệng được biểu diễn bởi công thức:

×

−

Λ ∈ £ Trong biểu thức (2.7), các vector riêng được giả sử là độclập tuyến tính So sánh biểu thức (2.4) và (2.7), có thể thấy được rằng các vetor riêngcủa ma trận H ∈ £n n× là không trực giao, trong khi ma trận Hermintian HH là trực H

Sử dụng phương trình (2.4), biểu thức (2.8) có thể được viết lại như sau:

( )

2 2

min 1 min 21

Tr Q HH Q

Tr Q QΛQ Q TrΛ

λ σ

Từ biểu thức (2.9), chúng ta đã sử dụng một thực tế rằng Frobenius norm của

ma trận không thay đổi khi nhân với một ma trận nhất phân

2.6.2 Dung lượng kênh MIMO xác định

Hình 2.3 Hệ thống MIMO N R×N T.

Cho một hệ thống MIMO với N T anten phát và N Ranten thu như Hình (2.3), mộtkênh truyền vô tuyến băng hẹp bất biến theo thời gian có thể được đại diện bởi N ×N

với ma trận truyền H ∈£NR NT× Xét một vector kí tự x∈£NR× 1 được phát đi, trong

đó bao gồm N T các kí tự độc lập x x1, , ,2 x NT Sau đó, tín hiệu thu được y∈£NR×1 cóthể được viết lại dưới dạng ma trận như sau:

x T

bố tương tự như z với bất kì θ Sự tự tương quan của vetor tín hiệu truyền được xác

định như sau:

Rxx = E { } xxH

(2.11)Chú ý Tr R ( )xx = NTkhi công suất truyền của mỗi anten là được giả sử bằng 1.

2.6.3 Dung lượng kênh truyền khi máy phát biết được CSI:

CSI (Channel state infromation) là trạng thái thông tin của kênh truyền Khi máy phátbiết trước được chỉ số này thì ung lượng của kênh truyền xác định được xác định nhưsau:

PDF của vector tín hiệu phát Từ nguyên tắc cơ bản của lý thuyết thông tin Thông tin

truyền qua lại của hai vector ngẫu nhiên liên tục, x và y, được cho bởi:

Hxx H +zz E

H H H T

T

H T

E N E N

N N

cộng { } 1

NR

i i

z = H(y) là lớn nhất khi y là ZMCSCG, do đó yêu cầu x cũng là ZMCSCG

thì tốt nhất Thông tin qua lại tương ứng của y và z được cho bởi:

π π

H NT

Hình 2.4 Mô hình kênh truyền khi phát biết được CSI.

Khi trạng thái thông tin kênh truyền (CSI) là có sẵn ở bên phát, mô hình phân

chia được cho như Hình 2.4, trong đó tín hiệu truyền đã được xử lý trước với V ở bên

phát, và tín hiệu ở bên nhận được xử lí sau với U H Trong Hình 2.4, tín hiệu ra tại đầu

thu có thể được viết lại:

Với z U z%= H sử sụng phép phân tích giá trị riêng trong biểu thức (2.1), ta có thể

viết lại biểu thức (2.20) như sau:

Các đại lượng tương đương trên có thể được minh họa như trong Hình 2.5 Nếucông suất truyền cho anten phát thứ i được cho là { }2

=

(2.23)

Hình 2.5: r kênh ảo SISO thu được từ phương thức phân tích của một kênh MIMO.

Dung lượng kênh MIMO bây giờ được cho bằng tổng dung lượng các kênh ảoSOSI, đó là:

x 2

Eγ (γ ) log 1

Trong đó tổng công suất giới hạn trong biểu thức (2.23) phải được thỏa mãn Dung lượng kênh truyền trong biểu thức (2.24) có thể được tối đa hóa bằng cáchgiải quyết vấn đề phân bổ công suất như sau:

{ }

x 2

là μ thì kênh đó sẽ không được sử dụng, không có công suất được phân bổ đến chúng.

Hình 2.6: thuật toán phân bổ công suất water- pouring.

2.6.4 Dung lượng kênh truyền khi máy phát chưa biết được CSI:

Khi H không được biết ở bên máy phát, có thể trải đều năng lượng giữa tất cả các

anten phát, đó là, hàm tự tương quan cảu vector tín hiệu phát x được cho là:

Rxx = IN T

(2.29)Trong trường hợp này, dung lượng kênh truyền là:

x 2

0

E log det I HH

N

H NR

det I +AB =det I +BA

, trong đó A∈£m n× vàB∈£n m× , dung lượng kênh truyền

trong biểu thức (2.30) được tính như sau: