Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông mimo SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

9 Lê Doãn Thiện QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cầu phương RLS Recursive Least Square Bình phươn

-

LÊ DOÃN THIỆN

THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGÔ VŨ ĐỨC

Hà Nội - 2016

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Lê Doãn Thiện

Đề tài luận văn: Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển

tiếp hai chiều sử dụng PNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số SV: CB140222

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22/04/2016 với các nội dung sau:

- Bổ sung thêm các trích dẫn tài liệu tham khảo nhằm làm rõ các nội dung mà tác giả trích dẫn và phần mà tác giả đã đóng góp

- Thay đổi tên ma trận tín hiệu nhận được tại nút đích N2 để phân biệt với ký hiệu ma trận tổng - hiệu

Ngày 25 tháng 04 năm 2016

TS Ngô Vũ Đức Lê Doãn Thiện

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Phạm Ngọc Nam

3 Lê Doãn Thiện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của giảng viên TS Ngô Vũ Đức Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016 Tác giả

Lê Doãn Thiện

4 Lê Doãn Thiện

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp quý báu của Thầy hướng dẫn cùng với các thành viên của phòng System VLSI Lab

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn TS Ngô Vũ Đức đã tận tình định hướng phương pháp tiếp cận, nghiên cứu khoa học, hướng dẫn các vấn

đề chuyên môn cho tôi trong quá trình nghiên cứu, và hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thành viên System VLSI Lab đã hướng dẫn và góp ý khoa học cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và tư vấn tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô đã dìu dắt, truyền đạt những kiến thức quý báu cùng ngọn lửa nhiệt huyết nghiên cứu khoa học trong thời gian đào tạo tại trường

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp

đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi vượt qua các khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay

5 Lê Doãn Thiện

MỤC LỤC

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC HÌNH VẼ 11

MỞ ĐẦU 13

1 Lý do chọn đề tài 13

2 Lịch sử nghiên cứu 15

3 Mục đích nghiên cứu 17

4 Đối tượng nghiên cứu 17

5 Các đóng góp của luận văn 18

6 Phương pháp nghiên cứu 18

Chương I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO 19

1.1 Mô hình hệ thống MIMO 19

1.1.1 Dung lượng kênh MIMO 20

1.1.2 Các phương pháp truyền dẫn MIMO 21

1.1.3 Ghép kênh chia theo không gian 22

1.1.4 Mã hóa Không gian – Thời gian 22

1.2 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính 24

1.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF 26

1.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE 28

6 Lê Doãn Thiện

1.3 Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến 29

1.3.1 Phân loại các trạm chuyển tiếp 31

1.3.2 Phân loại các kỹ thuật chuyển tiếp 32

1.3.3 Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến 35

1.4 Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC 35

1.4.1 Sơ đồ không sử dụng mã hóa mạng 36

1.4.2 Sơ đồ mã hóa mạng NC 36

1.4.3 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý 38

1.4.4 Nguyên lý PNC dựa trên phép XOR 39

1.4.5 Mô hình mô phỏng PNC trên kênh TWRC 42

Chương II: TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC 45

2.1 Mô hình hệ thống 45

2.2 Tách tín hiệu tại nút chuyển tiếp 47

2.3 Mã hóa tín hiệu tại nút chuyển tiếp 50

2.4 Tách tín hiệu tại nút đích 51

2.5 Đánh giá chất lượng hệ thống MIMO-SDM-PNC 52

2.5.1 Mô hình mô phỏng 52

2.5.2 Lựa chọn ngưỡng tối ưu cho phương pháp quyết định kết hợp chọn lọc 53

2.5.3 Đánh giá phẩm chất BER 54

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM-PNC 57

3.1 Kiến trúc bộ tách sóng mức đỉnh 57

3.2 Xây dựng kiến trúc kiểu pipeline và timing 59

3.3 Kiến trúc bộ tách sóng mức chi tiết 62

3.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả 66

7 Lê Doãn Thiện

3.4.1 Mô hình mô phỏng 66

3.4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 68

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 75

8 Lê Doãn Thiện

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

3GPP Third Generation Partnership

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

FPGA Field Programmable Gate

Array

Mảng cổng lập trình được dạng trường HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tin tốc độ cao

LLR Log Likelihood Ratio Tỉ số hợp lệ theo hàm logarith

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc di động

MAP Maximum A posteriori

Probability

Xác xuất hậu nghiệm cực đại

MIMO Multiple Input Multiple

Output

Nhiều đầu vào - nhiều đầu ra

Detector

Bộ tách tín hiệu hợp lẽ tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình tối thiểu MRT Maximal Ratio Transmission Phát tỉ lệ cực đại

MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

PNC Physical layer Network

Coding

Mã hóa mạng vật lý

9 Lê Doãn Thiện

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase-Shift

Keying

Điều chế khóa dịch pha cầu phương

RLS Recursive Least Square Bình phương nhỏ nhất quy hồi

SDM Spatial Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào - nhiều đầu ra

SINR Signal to Interference plus

Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng với nhiễu

SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SISO Single Input Single Output Một đầu vào - một đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian

STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian

Decomposition

Bình phương tối thiểu tuyến tính

TWRC Two-Way Relay Channel Kênh chuyển tiếp hai chiều

VANET Vehicle Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc giao thông

V-BLAST Vertical Bell Labs Layered

for Microwave Access

Tương thích toàn cầu qua truy nhập

vi-ba

10 Lê Doãn Thiện

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu đồng pha 40

Bảng 1.2 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu vuông pha 41

Bảng 3.1 Độ dài dữ liệu của các đầu vào và đầu ra 68

Bảng 3.2 Kết quả tổng hợp các thiết kế của bộ tách sóng ZF trên FPGA 70

Bảng 3.3 Kết quả tổng hợp các thiết kế của bộ tách sóng MMSE trên FPGA 70

11 Lê Doãn Thiện

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO 19

Hình 1.2 Sơ đồ phân kênh theo không gian 22

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti 23

Hình 1.4 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM 24

Hình 1.5 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM 25

Hình 1.6 Kỹ thuật chuyển tiếp 30

Hình 1.7 Vai trò của trạm chuyển tiếp 31

Hình 1.8 Chuyển tiếp loại 1 và loại 2 32

Hình 1.9 Mô hình chuyển tiếp một chiều 33

Hình 1.10 Mô hình chuyển tiếp hai chiều 34

Hình 1.11 Sơ đồ không mã hóa mạng 36

Hình 1.12 Sơ đồ hóa mạng NC 38

Hình 1.13 Sơ đồ hóa mạng lớp vật lý PNC 38

Hình 1.14 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất 42

Hình 1.15 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai 43

Hình 1.16 So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh [12] 44

Hình 2.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC 45

Hình 2.2 Giá trị ngưỡng tối ưu cho trường hợp tách ZF trong hệ thống MIMO-SDM-PNC [12] 53

Hình 2.3 Giá trị ngưỡng tối ưu cho trường hợp tách MMSE trong hệ thống MIMO-SDM-PNC [12] 54

Hình 2.4 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách ZF [12] 55

Hình 2.5 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách MMSE [12] 55

12 Lê Doãn Thiện

Hình 3.1 Kiến trúc mức đỉnh của bộ tách sóng ZF 57

Hình 3.2 Kiến trúc mức đỉnh của bộ tách sóng MMSE 58

Hình 3.3 Kiến trúc của khối G_ZF 58

Hình 3.4 Kiến trúc của khối G_MMSE 59

Hình 3.5 Thiết kế pipeline của bộ tách sóng ZF 60

Hình 3.6 Thiết kế pipeline của bộ tách sóng MMSE 60

Hình 3.7 Sơ đồ timing của bộ tách sóng ZF 61

Hình 3.8 Sơ đồ timing của bộ tách sóng MMSE 61

Hình 3.9 Sơ đồ khối TRAN 62

Hình 3.10 Sơ đồ khối MUL REAL 62

Hình 3.11 Sơ đồ khối MUL 63

Hình 3.12 Sơ đồ khối SIGMA 63

Hình 3.13 Sơ đồ khối ADD 64

Hình 3.14 Sơ đồ khối INV 64

Hình 3.15 Sơ đồ khối COMP MUL 65

Hình 3.16 Sơ đồ khối COMP DIV 65

Hình 3.17 Quy trình kiểm tra 67

Hình 3.18 Tín hiệu thu đƣợc trên Modelsim của bộ tách sóng ZF 68

Hình 3.19 Tín hiệu thu đƣợc trên Modelsim của bộ tách sóng MMSE 69

13 Lê Doãn Thiện

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến đang đứng trước những thách thức to lớn cả về cải tiến giải pháp cũng như cải tiến công nghệ nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao và khắt khe hơn của người sử dụng, chẳng hạn: mở rộng phạm vi vùng phủ; gia tăng tốc độ truy cập; nâng cao phẩm chất và độ tin cậy của hệ thống; sử dụng hiệu quả năng lượng cũng như phổ tần; và đặc biệt là giảm thiểu độ phức tạp trong tính toán, xử lý Để đáp ứng được những yêu cầu đó thì mạng thông tin vô tuyến đang phát triển không ngừng,cùng với đó thu hút sự đầu tư của các nhà mạng và cung cấp dịch vụ đã tạo ra những tiến bộ vượt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc

độ truy cập của người dùng Tốc độ truyền dẫn của mạng thông tin có những bước phát triển nhanh chóng như mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi với chuẩn IEEE 802.11.ac lên tới 6.77Gbps, mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng WiMAX với chuẩn IEEE 802.16m với tốc độ 1Gbps, hoặc mạng thông tin di động 4G- LTE Advanced có thể lên tới 3.9Gbps và tương lai là mạng thế hệ thứ 5 đã mang lại cuộc cách mạng làm thay đổi căn bản tốc độ truyền tải dữ liệu, giúp phát triển các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác và trải nghiệm người dùng tốt hơn

Để đáp ứng được các hệ thống yêu cầu tốc độ cao như vậy, thì hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1] sử dụng đa ăng-ten đầu ra và đầu vào ra đời, nó tăng dung lượng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín hiệu trên nhiều đường khác nhau MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G), [2] Để nâng cao hiệu suất và hiệu quả trải phổ, thì nhiều kỹ thuật khác nhau đã được kết hợp với MIMO Trong đó phải kể đến như: kỹ thuật mã khối không gian thời gian (STBC) [3] giúp đem lại độ lợi phân tập nhằm cải thiện phẩm chất tỉ lệ lỗi bit; kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) [4] giúp đem lại độ lợi ghép kênh, cho phép tăng tốc độ truyền dẫn tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng nhằm tăng độ lợi phân tập

14 Lê Doãn Thiện

Để đảm bảo chất lượng truyền dẫn và mở rộng vùng phủ, thì kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến được sử dụng rộng rãi Các ví dụ điển hình của kỹ thuật này được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến viba mặt đất, các đường truyền thông tin

vệ tinh, và ngày nay là các hệ thống thông tin di động và thông tin vô tuyến ad-hoc Trong hệ thống mạng thế hệ thứ 4 hiện nay (LTE-Advanced), thì nút chuyển tiếp (relay node) thường hoạt động theo phương thức khuếch đại – chuyển tiếp (Amplify-and-Forward ở lớp vật lý) hoặc giải mã – chuyển tiếp (Decode-and-Forward ở lớp liên kết dữ liệu) Kỹ thuật chuyển tiếp chia đường truyền trực tiếp thành hai hoặc nhiều đoạn truyền tín hiệu có chất lượng cao, hình thành lên một đường truyền truyền dẫn đa chặng giữa trạm gốc và người sử dụng đầu cuối, giúp khắc phục được những hạn chế

về vùng phủ và tốc độ truyền dữ liệu thấp do bị che chắn hoặc bị mất mát tín hiệu

Các tín hiệu được phát đi thường được mã hóa tại nguồn hoặc được mã hóa trên kênh truyền Nhưng hiện nay, người ta áp dụng một phương pháp để tăng thông lượng truyền dữ liệu trong mạng rất hiệu quả đó là kỹ thuật mã hóa mạng (Network coding) [5] Với kỹ thuật này, các gói tín sẽ được xử lý và kết hợp tuyến tính từ các nguồn khác nhau tại nút chuyển tiếp Việc ứng dụng kỹ thuật mã hóa này giúp giảm số pha thời gian truyền dữ liệu cần thiết so với phương pháp lưu trữ và chuyển tiếp theo kiểu cũ Từ đó làm tăng thông lượng của hệ thống, đồng thời cũng giúp giảm độ phức tạp tính toán, tăng tính bảo mật của thông tin Và khi thực hiện mã hóa mạng ở lớp vật

lý cho mạng vô tuyến ad-hoc còn giúp giảm pha thời gian truyền dữ liệu hơn nữa, người ta gọi đó là kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding) [6]

Chính vì vậy mà việc kết hợp hệ thống MIMO với các kỹ thuật truyền dẫn, mã hóa và kết nối mạng vào các hệ thống truyền thông vô tuyến như mạng ad-hoc, mạng

tế bào di động, là xu thế tất yếu của sự phát triển khoa học công nghệ Để bắt kịp xu hướng đó, thì việc nghiên cứu hệ thống truyền dẫn MIMO-SDM sử dụng PNC trên kênh chuyển tiếp hai chiều [7] là một hướng nghiên cứu hấp dẫn và mang lại hiệu quả cao trong tương lai Nhưng hiện nay, việc nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn này mới chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng trên máy tính mà chưa có nghiên cứu khoa học

15 Lê Doãn Thiện

nào được triển khai trên phần cứng nhằm đánh giá hiệu năng sử dụng của hệ thống trước khi đưa vào ứng dụng thực tế

Với những lý do nêu trên, tôi đã lựa chọn đề tài Luận văn tốt nghiệp là: “Thiết

kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC ”

2 Lịch sử nghiên cứu

Hệ thống MIMO được biết đến như là một trong những cách hiệu quả nhất để tăng dung lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin vô tuyến [1], [8] Có rất nhiều bài báo khoa học, công trình nghiên cứu về cách cải tiến hệ thống này, trong đó có một kỹ thuật rất nối tiếng là hệ thống không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST: Vertical Bell Labs Layered Space Time) [4] Hệ thống MIMO-SDM này sử dụng ghép kênh phân chia theo không gian tại máy phát và sử dụng bộ tách sóng tuyến tính nhằm loại bỏ sự can thiệp nhiễu tại máy thu, từ đó giúp

hệ thống đạt được độ lợi ghép kênh nhằm tăng hiệu quả trải phổ

Ahlswede và đồng nghiệp đã giới thiệu kỹ thuật mã hóa mạng (NC) [5] trong năm 2000 vào hệ thống truyền dẫn Với kỹ thuật này, các nút mạng trung gian thay vì chỉ lưu trữ và chuyển tiếp dữ liệu theo phương pháp truyền thống, mà nó sẽ có chức năng tổ hợp các gói tin các gói tin từ đầu vào thành các gói tin ở đầu ra như các điểm phát Lúc này, hệ thống truyền dẫn với các nút mạng được coi là mạng phát đa điểm với thông lượng cao hơn so với hệ thống truyền dẫn truyền thống Như vậy, NC giúp

tổ hợp thông tin tại các nút mạng, tạo ra các gói tin mới, định tuyến lại đường truyền

và được coi là một hình thức truyền thông hợp tác tại các nút mạng Sau đó vào năm

2003, Li và các đồng nghiệp đã giới thiệu mã mạng tuyến tính (Linear Network Coding) [18] mở rộng nghiên cứu về NC, đã cho thấy các mạng phát đa điểm chỉ cần

sử dụng mã tuyến tính là có thể đạt được thông lượng yêu cầu trong khi giảm độ phức tạp của tính toán, giúp kỹ thuật này có thể triển khai vào thực tế

Từ công trình nghiên cứu NC của Ahlswede và đồng nghiệp, đã tạo tiền đề cho Zhang và các đồng nghiệp của mình nghiên cứu về mã hóa mạng lớp vật lý (Physical layer Network Coding) [6] cho mạng vô tuyến ad-hoc vào năm 2006 Các nhà nghiên

có ý tưởng chính là tạo ra các thiết bị tương tự như NC nhưng tại lớp vật lý đối với

16 Lê Doãn Thiện

việc thu và giải điều chế các tín hiệu dạng sóng thay cho các bit số Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế và giải điều chế, các thành phần tín hiệu được ánh xạ thành các bit dữ liệu Từ đó PNC cho phép tăng thông lượng của hệ thống lên 100% so với mạng truyền thống và 50% so với mạng NC thông thường PNC cho phép sử dụng hầu hết các lý thuyết và các kỹ thuật đang được áp dụng cho NC được điều chỉnh để

áp dụng với chính nó Điểm khác biệt giữa PNC và NC chính là việc mã hóa thông tin sau khi thu được chúng từ các đầu vào Khi có nhiều sóng điện từ trong cùng một không gian vật lý thì chúng sẽ được cộng dồn với nhau, thông thường thì việc trộn lẫn các sóng điện từ này được coi là một hiện tượng gây nhiễu, nhưng đồng thời nó cũng được coi là một dạng mã hóa mạng vô tuyến [6] PNC coi tính chất xếp chồng của tín hiệu như một phép mã hóa tự nhiên, và nó lợi dụng mã hóa mạng tự nhiên ở dạng can nhiễu vô tuyến thành có ích để dử dụng

Sau những thành công của việc giới thiệu PNC, Zhang và các đồng sự tiếp tục

áp dụng PNC vào trong các hệ thống MIMO [9] để cải thiện thông lượng, hiệu quả sử dụng phổ và giảm độ phức tạp tính toán Hệ thống MIMO-PNC này trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng tách tín hiệu tuyến tính tại các nút trung gian để thu được tín hiệu tốt với độ phức tạp thấp Trong nghiên cứu này, các nút chuyển tiếp tạo

ra các thành phần tổng và hiệu của hai đầu vào từ hai nút đích, sau đó mã hóa chúng thành các gói mã hóa mạng để chuyển tiếp Trong [10] Chung và các cộng sự đề xuất

sử dụng bộ tách tín hiệu tuyến tính cưỡng bức về không (ZF) và sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE) cho tín hiệu điều chế biên độ cầu phương QAM Gần đây, Zhang và cộng sự tiếp tục mở rộng nghiên cứu MIMO-PNC với bộ tách tín hiệu không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST) tại nút chuyển tiếp [11] Nghiên cứu này đề xuất hai bộ tách sóng tuyến tính dựa trên phương pháp sử dụng tỷ lệ log-likelihood và kết hợp chọn lọc Tất cả các hệ thống đề xuất này chỉ xem xét trường hợp các nút nguồn chỉ sử dụng một ăng-ten và do đó không đạt được độ lợi ghép kênh

Chính những điều trên, Hiệp và các cộng sự đã đề xuất ứng dụng kỹ thuật PNC trong các hệ thống MIMO-SDM cho kênh chuyền chuyển tiếp hai chiều [7], [12] mà ở

đó, tất cả các nút nguồn đều có hai ăng-ten, trong khi nút chuyển tiếp có bốn ăng-ten

17 Lê Doãn Thiện

Các nút nguồn sử dụng MIMO-SDM để trao đổi dữ liệu của chúng thông qua nút chuyển tiếp MIMO-SDM cho phép truyền hai luồng dữ liệu song song, nên hệ thống này đạt được độ lợi ghép kênh gấp đôi so với các hệ thống trong [9], [10], [11] Hệ thống thực hiện tách các ký hiệu mã hóa mạng nhờ sử dụng bộ tách sóng tuyến tính kết hợp với luật quyết định dựa trên hàm log (Log-Likelihood Ratio) và kết hợp chọn lọc được đề xuất trong [11] được mở rộng để đối phó với nhiễu đồng kênh (CCI) giữa hai luồng dữ liệu phát Hệ thống MIMO-SDM-PNC này có cùng độ phân tập với MIMO-PNC trong [9] nhưng lại đạt được gấp đôi độ lợi ghép kênh

Cho tới tận bây giờ, có rất nhiều bài báo khoa học nghiên cứu thiết kế và thực hiện các bộ tách sóng cho hệ thống MIMO trên FPGA [13], [14], [15], nhưng vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào xem xét và đánh giá thiết kế bộ tách sóng cho hệ thống MIMO-SDM-PNC dựa trên thiết kế phần cứng, mà trong khi đó, đây là bước rất quan trọng trước khi tiến hành sản xuất mạch tích hợp

- Đánh giá hiệu quả thiết kế thông qua tài nguyên tiêu thụ, thông lượng và tốc độ của hệ thống

4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài nghiên cứu là:

- Kênh vô tuyến chuyển tiếp hai chiều

- Kỹ thuật truyền thông MIMO-SDM

- Kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý PNC

- Bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE và thiết kế thực hiện trên FPGA

18 Lê Doãn Thiện

5 Các đóng góp của luận văn

Luận văn đã đạt được các kết quả nghiên cứu và đóng góp đề xuất mới và thực hiện thiết kế hai bộ tách sóng tại nút đích cho truyền thông MIMO-SDM trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC trên FPGA có độ phức tạp thấp và khả năng ứng dụng thực tiễn Đề xuất mới này có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng cho việc sản xuất mạch tích hợp sau này

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn là sử dụng ngôn ngữ Verilog

để thiết kế kiến trúc hai bộ tách sóng trên Xilinx Virtex7-XC7VX690T FPGA Xây dựng mô hình kiểm tra kết quả tính toán trên FPGA bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để tạo các giá trị đầu vào ngẫu nhiên và so sánh kết quả tính toán đầu ra Đánh giá hiệu quả thiết kế thông qua tài nguyên tiêu thụ, thông lượng và tốc độ của hệ thống bằng phần mềm ISE của Xilinx

19 Lê Doãn Thiện

Chương I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO 1.1 Mô hình hệ thống MIMO

Trong thông tin vô tuyến, hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1]

là một phương pháp tăng dung lượng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín hiệu trên nhiều đường khác nhau, bằng cách sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten đầu ra (hình 1.1) [16] MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G), và đây là một ứng cử viên sáng giá cho thế hệ mạng viến thông tiếp theo (5G)

Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO

MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten ở máy phát và máy thu như ở hình 1.1 Chuỗi tín hiệu phát { sn} được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng các ăng-ten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE: SpaceTime Encoder) Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian-thời gian được phát đi nhờ N anten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với M ăng-ten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra,

và vì vậy, được gọi là kênh MIMO M x N Để tránh ảnh hưởng giữa các ăng-ten phát hoặc giữa các ăng-ten thu với nhau thì khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử ăng-ten ít nhất là một nửa bước sóng

20 Lê Doãn Thiện

Ở đây, mỗi ăng-ten thu nhận được không chỉ các tín hiệu trực tiếp dành cho nó,

nhưng cũng nhận được tín hiệu từ các đường truyền khác Như vậy, đáp ứng kênh

được thể hiện như một ma trận H Đường truyền trực tiếp hình thành giữa ăng-ten thứ

nhất ở máy phát và ăng-ten thứ nhất tại máy thu được đại diện bởi đáp ứng kênh h11,

tươngtự với các đường truyền khác Như vậy, ma trận kênh truyền có kích thước M x

]; * +

1.1.1 Dung lượng kênh MIMO

Dung lượng kênh truyền được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa với một

xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Đối với kênh truyền không sử dụng phân tập, có độ

lợi h, chịu ảnh hưởng của tạp âm cộng trắng Gauss thì dung lượng kênh truyền có thể

được tính theo công thức Shannon như sau [17]:

| | [ ] trong đó, W là băng tần của kênh truyền tính bằng Hz và | | chính là tỉ số tín

hiệu trên tạp âm (SNR) tại đầu vào máy thu Từ công thức (1.2) chúng ta thấy rằng

với một kênh vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không

gian (SISO: Single Input Single Output) thì dung lượng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở

đầu vào máy thu theo luật logarith Vì vậy, muốn tăng dung lượng kênh truyền thì chỉ

có cách tăng công suất phát Tuy nhiên, do mối quan hệ logarith nên dung lượng kênh

truyền SISO tăng rất chậm

MIMO được đề xuất để khắc phục hạn chế về dung lượng kênh truyền của các

hệ thống SISO Với N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, trong môi trường pha-đinh

21 Lê Doãn Thiện

Rayleigh giàu tán xạ và biến đổi chậm, kênh MIMO N x M như ở hình 1.1, cho phép đạt được dung lượng kênh truyền:

,

( )

Xem xét công thức (1.3), chúng ta thấy rằng dung lượng của kênh MIMO tăng tuyến tính theo số ăng-ten phát hoặc thu và có thể đạt đến r = min(M,N) lần dung lượng của một kênh truyền SISO

1.1.2 Các phương pháp truyền dẫn MIMO

Kết quả nghiên cứu về dung lượng kênh truyền MIMO đã thúc đẩy một làn sóng nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn nhằm đạt được dung lượng lý thuyết mong muốn Tiếp theo công trình chung với Gans, Foschini [16] đề xuất một hệ thống truyền dẫn theo lớp kết hợp với mã hóa nhằm đạt được dung lượng kênh truyền mong muốn như kết quả ở công thức (1.3) Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Foschini [16] cho thấy dung lượng kênh truyền MIMO ở (1.3) thực tế chỉ là một đường giới hạn trên có thể đạt được nhờ kết hợp các phương pháp mã hóa và thuật toán có độ phức tạp hay giữ chậm không có giới hạn Vì vậy, để có được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các công trình nghiên cứu về MIMO

đã tập trung vào việc đề xuất các phương pháp truyền dẫn thỏa mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thành hai nhóm sau:

- Ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing): Phương pháp này tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng cách truyền đồng thời một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các ăng-ten phát và sử dụng các máy thu có độ phức tạp thấp để duy trì tỉ số lỗi bít cho phép

- Mã hóa không gian thời gian (STC: Space-Time Coding): Khác với phương pháp ghép kênh theo không gian, mã không gian-thời gian kết hợp việc mã hóa giữa các luồng tín hiệu để tối đa hóa độ tăng ích phân tập (diversity gain) nhằm giảm thiểu tỉ số lỗi bít (BER)

22 Lê Doãn Thiện

1.1.3 Ghép kênh chia theo không gian

Hình 1.2 Sơ đồ phân kênh theo không gian

Nguyên lý của phương pháp phân kênh theo không gian rất đơn giản [16]: ở máy phát (Tx), luồng tín hiệu phát được chia nhỏ (DEMUX) thành N luồng nhỏ sn(t)

và truyền đồng thời qua N ăng-ten phát Tại máy thu, các luồng tín hiệu sẽ được tách riêng ra rồi ghép lại (MUX) với nhau Phương pháp phân kênh theo không gian này được mô tả ở hình 1.2 Do tín hiệu phát từ ăng-ten khác nhau nên việc tách tín hiệu của mỗi luồng phát ở máy thu sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh từ các luồng còn lại Vì vậy, máy thu cần sử dụng một bộ tách tín hiệu tốt có khả năng cung cấp tỉ số lỗi bít (BER) thấp, đồng thời lại không yêu cầu quá cao về độ phức tạp tính toán Do máy phát sử dụng ở phương pháp phân kênh theo không gian này chỉ đơn thuần là một

bộ phân kênh, các nghiên cứu về MIMO-SDM đều tập trung vào việc thiết kế bộ tách tín hiệu ở máy thu

1.1.4 Mã hóa Không gian – Thời gian

Mã hóa không gian-thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tập phát Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan trong

cả hai miền không gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu ở máy thu nhằm đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa Mã không gian-thời gian có thể được phân loại thành hai loại: mã khối không gian-thời gian (STBC: Space-Time Block Code) và mã lưới không gian-thời gian (STTC: Space-Time Trellis Code) Mã STBC có ưu điểm thiết kế và giải mã đơn giản Tuy

23 Lê Doãn Thiện

nhiên, mã STBC lại chỉ cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cung cấp độ lợi mã hóa Ngược lại, mã STTC cho phép thu được cả độ lợi phân tập và mã hóa, nhưng việc thiết kế và giải mã lại phức tạp Trong các sơ đồ mã hóa không gian-thời gian thì phương pháp STBC do Alamouti đề xuất năm 1998 được đánh giá là phương pháp hiệu quả nhất [17] Phương pháp của Alamouti sử dụng phương pháp mã hóa và giải

mã đơn giản, tuy nhiên lại cho phép đạt được đầy đủ cả tốc độ mã và độ phân tập cho các bộ tín hiệu phức

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti

Hình 1.3 mô tả cấu hình một hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti

sử dụng hai ăng-ten phát và hai ăng-ten thu Số lượng ăng-ten phát bị giới hạn bằng N

= 2 trong khi số ăng-ten phát M có thể tăng lên bất kỳ để thu được độ lợi phân tập tốt hơn Nguyên lý, mã hóa của Alamouti như sau: tại thời điểm k , ăng-ten phát thứ nhất phát đi sk trong khi ăng-ten phát thứ hai phát đi sk+1, với dấu * biểu diễn phép toán lấy liên hợp phức Tại thời điểm tiếp theo, ăng-ten phát thứ nhất phát đi –s*k+1, trong khi anten phát thứ hai phát đi s*k Do tín hiệu phát đi từ hai ăng-ten phát trực giao với nhau nên việc giải mã được đơn giản hóa nhờ sử dụng các bộ kết hợp (combiner) tuyến tính kết hợp với tách tín hiệu hợp lẽ tối đa (MLD: Maximum Likelihood Detector)

24 Lê Doãn Thiện

1.2 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính

Dựa theo tính chất tuyến tính của phương pháp tách tín hiệu, các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM được phân loại thành hai nhóm lớn là các bộ tách tín hiệu tuyến tính và các bộ tách tín hiệu phi tuyến (hình 1.4) [16]:

Các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM

Tách tín hiệu tuyến tính MMSE, ZF

Tách tín hiệu phi tuyến ML, SD, QRD

Tách tín hiệu kết hợp SIC, PIC, ML-MMSE

Hình 1.4 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM

Các bộ tách tín hiệu tuyến tính tiêu biểu bao gồm: Bộ tách tín hiệu ZF Forcing: cưỡng bức bằng không) và bộ tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean-Square Error: sai số bình phương tối thiểu) Ưu điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính này

(Zero-là có độ phức tạp tính toán thấp và dễ thực hiện nhờ thuật toán thích nghi phổ biến như LMS (Least Mean Square: bình phương trung bình nhỏ nhất), RLS (Recursive Least Square: bình phương nhỏ nhất qui hồi),… Nhược điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính này là phẩm chất tách tín hiệu (tỉ số lỗi bít) đạt được tương đối thấp, đặc biệt là khi sử dụng số lượng ăng-ten phát lớn Gần đây, nhờ việc áp dụng với thuật toán lattice-reduction các bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE có thể đạt được tỉ

số lỗi bít (BER) gần tối tưu, trong khi độ phức tạp tính toán hầu như không đổi

Ngược lại với các bộ tách tín hiệu tuyến tính thì các bộ tách tín hiệu phi tuyến

có ưu điểm là có phẩm chất BER tốt hơn, nhưng lại phải chịu nhược điểm về độ phức tạp tính toán lớn Trong các bộ tách tín hiệu phi tuyến, bộ tách tín hiệu ML (Maximum Likelihood: hợp lệ cực đại) là bộ tách tín hiệu tối ưu, tức là có phẩm chất BER tốt

25 Lê Doãn Thiện

nhất tuy nhiên, độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu ML lại lớn nhất (biến thiên theo hàm mũ), vì vậy, bộ tách tín hiệu này rất ít khi được sử dụng trong thực tế Gần đây, các nhà nghiên cứu đã đề xuất áp dụng thuật toán giải mã cầu (sphere decoding) vào bộ tách tín hiệu ML nhằm giảm độ phức tạp tính toán của nó đến mức có thể áp dụng được trong thực tế Các bộ tách tín hiệu sử dụng thuật toán giải mã cầu, gọi tắt là các bộ tách tín hiệu SD, hiện tại đang là các bộ tách tín hiệu được đánh giá là có triển vọng nhất do chúng có phẩm chất như bộ tách tín hiệu tối ưu ML trong khi lại có độ phức tạp tính toán biến thiên theo đa thức

Xét một cách tổng quát thì vào thời điểm mà yêu cầu về độ tính toán thấp vẫn

là quan trọng như hiện nay thì các bộ tách tín hiệu tuyến tính có ưu điểm hơn và thường được áp dụng trong thực tế nhiều hơn Chính vì vậy, mà trong luận văn này, tôi chỉ tập trung nghiên cứu vào các bộ tách tín hiệu tuyến tính

Phần lõi của một bộ tách tín hiệu tuyến tính là bộ kết hợp tuyến tính biểu diễn

bởi ma trận trọng số (weight matrix) W (hình 1.5) Dựa trên ma trận trọng số này,

vé-tơ tín hiệu ước lượng được ̂ là kết quả của phép kết hợp (nhân) tuyến tính giữa véc-vé-tơ

tín hiệu thu y và ma trận trọng số W:

̂

Hình 1.5 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM

Các giá trị ước lượng được ̂ này sau đó sẽ được đưa qua một bộ quyết định để lựa chọn đầu ra cho bộ tách tín hiệu:

26 Lê Doãn Thiện

̅ { ̂} { } trong đó, {•} biểu diễn toán tử quyết định hay lượng tử hóa Trong trường hợp tín hiệu phát được điều chế bằng phương pháp BPSK thì toán tử quyết định tương đương với phép lấy dấu phần thực của ̂, tức là:

̅ { { ̂}} trong đó sign{•} và {•} biểu diễn tương ứng các toán tử lấy dấu và lấy phần thực

của một số phức Tùy thuộc vào phương pháp tìm ma trận trọng số W chúng ta có các

bộ tách tín hiệu tương ứng ZF và MMSE

1.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF

Bộ tách tín hiệu ZF còn có tên gọi là bộ tách tín hiệu LS (Least Square: bình phương nhỏ nhất) [16] Bản chất của bộ tách tín hiệu LS là giả sử tạp âm bằng không rồi sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tim các tín hiệu phát sn Việc này tương đương với giải một hệ M phương trình với N ẩn số

Ma trận trọng số: Hàm chi phí (cost function) để tìm s được định nghĩ như

(công thức 1.7) sau:

̂

̂ {‖ ̂‖ } trong đó, || || biểu diễn phép toán lấy chuẩn (norm) của véc-tơ hay ma trận

Sau quá trình biển đổi theo [16], thì chúng ta có thể tìm được (công thức 1.8):

̂

Do là một ma trận đơn vị với N hàng N cột nên chúng ta thấy ngay rằng bộ tách tín hiệu ZF đã tách riêng ra từng tín hiệu phát và loại bỏ hoàn toàn nhiễu của tín hiệu từ các ăng-ten khác Hay nói cách khác, can nhiễu từ các ăng-ten bên cạnh đã bị cưỡng bức bằng không (triệt tiêu) Vì vậy ngoài tên gọi LS, bộ tách sóng này còn có tên gọi ZF, hay cưỡng bức bằng không

Và ma trận trọng số cho bộ tách tín hiệu ZF như (công thức 1.9) sau:

27 Lê Doãn Thiện

Do giá trị W chỉ phụ thuộc vào ma trận kênh truyền H nên máy thu chỉ cần ước lượng ma trận kênh truyền H và sử dụng nó để tách các tín hiệu phát ở phía thu

Mặc dù bộ tách tín hiệu ZF chỉ áp dụng được cho các kênh truyền có số hàng

M lớn số cột N, trong một số trường hợp chúng ta vẫn mong muốn sử dụng một bộ tách tín hiệu tương tự cho kênh truyền N>M Trong trường hợp đó, chúng ta phải sử dụng phương pháp SVD kết hợp với số nhân Lagrange, chúng ta có thể tìm được ̂ ở dạng tương tự:

̂

Và chúng ta tìm được ma trận trọng số cho trường hợp này là:

Sai số bình phương trung bình (MSE): Phương pháp thông thường để tính

MSE là tính ma trận tương quan sai số (error covariance matrix) để tìm ra các giá trị gắn với việc tách các ký hiệu phát trên đường chéo chính

Theo [16], giá trị MSE trung bình của phương pháp ZF là:

̅̅̅̅̅̅ { ̂} { }

Để ý rằng phần lớn độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu tập trung vào phép lấy nghịch đảo ma trận ( hoặc Vì vậy, độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu ZF tỉ lệ với hàm bậc ba của min(M,N), tức là,

[ ]

Ưu điểm nổi bật của bộ tách tín hiệu ZF hay LS là đơn giản và có yêu cầu độ

phức tạp tính toán thấp Tuy nhiên, sai số giữa s và ̂ phụ thuộc vào công suất tạp âm

và sẽ có giá trị lớn nếu các giá trị riêng của ma trận có giá trị nhỏ Điều này

28 Lê Doãn Thiện

chứng tỏ rằng bộ tách tín hiệu ZF chịu ảnh hưởng của hiệu ứng khuếch đại tạp âm (noise amplification) Vì vậy, nó thường thích hợp với các kênh truyền có tỉ số SNR cao

1.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE

Khác với bộ tách tín hiệu ZF, ngoài đặc tính thống kê của tín hiệu từ các ten phát, bộ tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean Square Error: sai số bình phương trung bình tối thiểu) còn xem xét đến cả đặc tính tạp âm tại các nhánh ăng-ten thu Do

ăng-đó, bộ tách tín hiệu MMSE khắc phục được nhược điểm khuếch đại tạp âm của bộ tách tín hiệu ZF

Ma trận trọng số: Hàm chi phí để tìm ma trận trọng số của bộ tách tín hiệu MMSE được định nghĩa như sau:

{‖ ‖ }

tức là chúng ta cần tìm ma trận trọng số W để tối giản hóa giá trị trung bình sai số bình phương giữa các véc-tơ phát Và theo [16], chúng ta tìm được ma trận trọng số:

trong đó, là SNR trên mỗi ăng-ten thu

Sai số bình phương trung bình (MSE): Theo [16], chúng ta có giá trị trung

bình tối thiểu của phương pháp MMSE là:

̅̅̅̅̅̅ { }

Biểu diễn phương pháp MMSE đồng dạng với ZF: Phương pháp biểu diễn

MMSE đồng dạng với ZF được Hassibi đưa ra Sử dụng phép các phép biến đổi toán

học ma trận trọng số W ở (1.14), ta có:

29 Lê Doãn Thiện

Bộ tách tín hiệu MMSE có ưu điểm là đơn giản và dễ triển khai trong thực tế nhờ các thuật toán thích nghi như LMS, RLS,… Như đã đề cập ở phần trên, do bộ tách tín hiệu MMSE có tính đến đặc tính của tạp âm nên khắc phục được nhược điểm khuếch đại tạp âm của bộ tách tín hiệu ZF Vì vậy, phẩm chất BER hay SINR của bộ tách tín hiệu MMSE thường tốt hơn của bộ tách tín hiệu ZF Ngoài ra, cũng giống như

bộ tách tín hiệu ZF, bộ tách tín hiệu MMSE có độ phức tạp tính toán thấp Do phần lớn độ tính toán đều tập trung vào phép tính đảo ma trận ở công thức (1.14) nên bậc phức tạp của bộ tách tín hiệu là O (

1.3 Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến

Theo [12], nguyên lý cơ bản của kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến là sử dụng các trạm chuyển tiếp hay còn gọi là phát lặp để chuyển tiếp thông tin nhận được từ một chặng đến chặng tiếp theo nhằm mở rộng cự ly truyền dẫn Các ví dụ điển hình về chuyển tiếp vô tuyến có thể thấy được ở các đường truyền vi ba của thông tin vô tuyến mặt đất hoặc các đường truyền thông tin vệ tinh, trong đó các bộ phát đáp đóng vai trò trạm chuyển tiếp Các đường truyền này đều có chung một đặc điểm là các trạm đầu cuối và chuyển tiếp đều cố định và các trạm chuyển tiếp đều được thiết kế để phục vụ chuyên dụng cho chuyển tiếp vô tuyến

Mặc dù đã được sử dụng từ khá lâu trên các hệ thống vi ba hay vệ tinh nói trên, nhưng chỉ đến khoảng hơn chục năm gần đây chuyển tiếp vô tuyến mới được bắt đầu

30 Lê Doãn Thiện

đề cập đến trong các ứng dụng thông tin vô tuyến di động và thông tin vô tuyến hoc Lý do có thể thấy được đó là do ràng buộc về khả năng sử dụng Tuy nhiên, với

ad-sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử thì việc sử dụng các trạm đầu cuối như một trạm chuyển tiếp không còn khó khăn về mặt kỹ thuật mà chỉ là vấn đề thủ tục và nhận thức của người dùng Việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến cho các hệ thống thông tin di động và vô tuyến ad-hoc vì vậy sẽ chỉ còn là vấn đề thời gian Do tính chất thời sự của ứng dụng cho các hệ thống này nên trong các phần tiếp theo của luận văn sẽ chỉ tập trung vào kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến cho các hệ thống di động

tế bào và vô tuyến ad-hoc

Một ví dụ điển hình về việc sử dụng chuyển tiếp vô tuyến trong mạng thông tin

di động là sử dụng các trạm chuyển tiếp (RS: Relay Station) như một thiết bị để truyền

dữ liệu giữa trạm gốc BS và thiết bị người dùng (UE/MS): User Equipment/Mobile Station) Hình 1.6 mô tả một mô hình mạng chuyển tiếp đơn giản với các nút đầu cuối

là trạm BS và MS, và một trạm chuyển tiếp (Relay) trung gian, trong đó các nút đầu cuối trao đổi dữ liệu thông qua trạm chuyển tiếp Như vậy, đường truyền vô tuyến sẽ

có hai chặng truyền dẫn Chặng từ trạm gốc đến chuyển tiếp thường được gọi là tuyến chuyển tiếp (Relay link) và chặng từ trạm chuyển tiếp đến UE thường được gọi là tuyến truy cập (Access link) [12]

Hình 1.6 Kỹ thuật chuyển tiếp

31 Lê Doãn Thiện

Hình 1.7 minh họa vai trò của trạm chuyển tiếp trong việc tăng cường thông lượng và mở rộng vùng phủ Hai trạm chuyển tiếp RS1 (Relay Station) và RS2 trong phạm vi vùng phủ sóng của trạm gốc (BS) phục vụ các trạm di động (MS) nhằm mục đích tăng cường thông lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng Ở trường hợp thứ nhất, trạm MS1 có thể truyền dữ liệu đến RS1 với tốc độ cao hơn tốc độ mà MS1 truyền trực tiếp với BS Trong trường hợp thứ hai, trạm MS2 nằm ngoài vùng phủ sóng của

BS và không thể liên lạc trực tiếp với BS, vì vậy, RS2 hỗ trợ chuyển tiếp lưu lượng truy cập từ BS đến MS2, và ngược lại [12]

Hình 1.7 Vai trò của trạm chuyển tiếp

Việc giới thiệu kỹ thuật chuyển tiếp đã chia đường truyền trực tiếp thành hai hoặc nhiều đoạn có chất lượng cao, hình thành một tuyến truyền dẫn đa chặng giữa trạm gốc và người sử dụng đầu cuối, khắc phục được những hạn chế về vùng phủ sóng

và tốc độ dữ liệu thấp do bị che chắn và tổn thất tín hiệu Trạm chuyển tiếp nhận và chuyển tiếp dữ liệu đến chặng kế tiếp cho đến khi dòng dữ liệu đến đích

1.3.1 Phân loại các trạm chuyển tiếp

Có hai loại chuyển tiếp được định nghĩa trong LTE-Advanced của 3GPP là chuyển tiếp loại 1 và loại 2 (hình 1.8) Trong WiMAX, hai loại này được gọi tương ứng là chuyển tiếp không trong suốt và chuyển tiếp trong suốt

32 Lê Doãn Thiện

Trạm chuyển tiếp loại 1 sẽ hỗ trợ một MS ở xa truy cập đến BS Lúc này, MS nằm cách xa các BS và ngoài phạm vi phủ sóng của BS Như vậy, chuyển tiếp loại 1 được trang bị khả năng phát ra các thông điệp kiểm soát tế bào và có chỉ số nhận dạng

tế bào riêng biệt Do đó mục tiêu chính của chuyển tiếp loại 1 là để mở rộng vùng phủ sóng [12]

Hình 1.8 Chuyển tiếp loại 1 và loại 2

Trạm chuyển tiếp loại 2 chịu trách nhiệm hỗ trợ MS trong vùng phủ sóng của

BS mặc dù MS này có thể liên lạc trực tiếp với các BS Chuyển tiếp loại này không có chỉ số nhận dạng tế bào và thông tin kiểm soát tế bào, mà được chia sẻ với BS Việc triển khai các trạm chuyển tiếp loại 2 sẽ cải thiện chất lượng dịch vụ và dung lượng đường truyển Chất lượng hệ thống được cải thiện nhờ phân tập đa đường và độ lợi truyền dẫn cho các MS nội bộ [12]

1.3.2 Phân loại các kỹ thuật chuyển tiếp

Các kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến có thể chia thành 3 loại, bao gồm: chuyển tiếp một chiều, chuyển tiếp hai chiều và chuyển tiếp chia sẻ [12]

33 Lê Doãn Thiện

a Chuyển tiếp một chiều

Chuyển tiếp một chiều là phương thức truyền dữ liệu lần lượt từ hai nút đầu cuối (BS hay eNodeB và MS/UE) như minh họa trên hình 1.9 Việc truyền dữ liệu được chia thành 4 khe thời gian như sau:

- Trên đường xuống (downlink): Khe thời gian thứ nhất, eNodeB truyền đến RN (Relay node); khe thời gian thứ hai, RN chuyển tiếp tín hiệu tới UE

- Trên đường lên (uplink): Khe thời gian thứ ba, UE truyền đến RN; khe thời gian thứ tư, RN chuyển tiếp tín hiệu của UE đến eNodeB

Hình 1.9 Mô hình chuyển tiếp một chiều

Mặc dù thông tin giữa eNdoeB và UE là thông tin hai chiều, nhưng do quá trình truyền dữ liệu được thực hiện lần lượt nên kỹ thuật chuyển tiếp dữ liệu này chỉ được gọi là chuyển tiếp một chiều

34 Lê Doãn Thiện

b Chuyển tiếp hai chiều

Hình 1.10 Mô hình chuyển tiếp hai chiều

Chuyển tiếp hai chiều là phương thức truyền dữ liệu đồng thời từ nguồn đến đích cho thông tin hai chiều Mô hình chuyển tiếp hai chiều cho phép truyền dữ liệu đồng thời trên cả đường lên và đường xuống Trong trường hợp này, mô hình chuyển tiếp hai chiều chỉ cần hai pha truyền dẫn như minh họa trên hình 1.10 [12]

Trong pha thứ nhất, cả eNdoeB và UE (cả hai nút nguồn) đều truyền dữ liệu của chúng tới RN Trong pha thứ hai, sau khi xử lý tín hiệu thì RN chuyển tiếp tín hiệu đã được mã hóa cho cả eNodeB và UE (cả hai nút đích) Như vậy, số pha truyền

sẽ giảm một nửa so với chuyển tiếp một chiều Do số pha truyền dẫn giảm đi một nửa

so với chuyển tiếp một chiều nên thông lượng của mạng sẽ được cải thiện đáng kể Trường hợp lý tưởng, thông lượng có thể được kỳ vọng tăng gấp đôi

Với mục đích nâng cao thông lượng mạng, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu vào kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều trong thông tin vô tuyến

35 Lê Doãn Thiện

c Chuyển tiếp chia sẻ

Chuyển tiếp chia sẻ là loại chuyển tiếp phụ thuộc vào nhiều trạm gốc (các trạm gốc chia sẻ nút chuyển tiếp) Ý tưởng của loại chuyển tiếp này là đặt một chuyển tiếp

đa ăng-ten tại các giao điểm của hai hoặc nhiều tế bào Trạm chuyển tiếp thực hiện giả

mã các tín hiệu từ các trạm gốc bằng cách sử dụng kỹ thuật tách tín hiệu đa ăng-ten để loại bỏ nhiễu và truyền đến các nguời sử dụng bằng phương thức MIMO [12]

1.3.3 Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến

Trong mạng thông tin di động, chuyển tiếp có thể được sử dụng thông qua một

cơ sở hạ tầng chuyển tiếp tạo thuận lợi cho việc liên lạc giữa một BS và một MS Chuyển tiếp vô tuyến cũng đang được kỳ vọng sẽ được ứng dụng cho truyền thông giữa chính các thiết bị MS với nhau ở chế độ ad-hoc

Ngoài ra, chuyển tiếp vô tuyến cũng được đề xuất ứng dụng cho các mạng hoc vô tuyến như mạng kết nối các máy tính laptop, thiết bị smartphone với nhau mà không sử dụng cơ sở hạ tầng mạng (MANET: Mobile Ad-hoc Network), mạng kết nối các phương tiện giao thông (VANET: Vehicle Ad-hoc Network) Trong quân sự, sự ra đời của mô hình tác chiến lấy mạng làm trung tâm (network-centric warface) đã dấn đến việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến cho mạng ad-hoc quân sự kết nối các lực lượng với nhau Một ví dụ khác là mạng cảm biến vô tuyến (wireless sensor network), trong đó một số nút cảm biến đóng vai trò là trạm chuyển tiếp để các trạm khác kết nối với trạm điều khiển

ad-1.4 Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

Khái niệm PNC (Physical layer Network Coding) được trình bày một cách đơn giản nhất đối với kênh chuyển tiếp hai chiều TWRC (Two Way Relay Channel) Kênh TWRC là một mạng tuyến tính ba nút bao gồm có hai nút đầu cuối N1 và N2, và một nút chuyển tiếp R Hai nút đầu cuối trao đổi thông tin cho nhau qua nút chuyển tiếp và không có đường truyền trực tiếp giữa hai nút đầu cuối Một ví dụ đơn giản cho kênh TWRC là hệ thống thông tin vệ tinh trong đó các đầu cuối là các trạm mặt đất còn nút chuyển tiếp là vệ tinh

36 Lê Doãn Thiện

Để dễ dàng trong thiết kế kỹ thuật, chế độ bán song công thường được thực hiện trong các hệ thống thông tin vô tuyến Với chế độ bán song công, một nút không thể phát và thu ở cùng một thời điểm Trong chế độ bán song công, nút chuyển tiếp R không thể thu tín hiệu từ các nút đầu cuối và phát tín hiệu đến chúng ta tại cùng một thời điểm Điều này có nghĩa rằng để gửi một gói dữ liệu từ N1 đến N2 (và tương tự từ

N2 đến N1) phải sử dụng ít nhất hai khe thời gian Do vậy, thông lượng hoán đổi gói tốt nhất có thể là hai gói cho bốn khe thời gian Điều này có nghĩa tốc độ là ½ gói trên một khe thời gian trên một hướng [12]

1.4.1 Sơ đồ không sử dụng mã hóa mạng

Khi không sử dụng mã hóa mạng và để loại bỏ xuyên nhiễu, hệ thống chuyển tiếp hai chiều cần đến bốn khe thời gian để hoán đổi hai gói dữ liệu Điều này được

mô tả trên hình 1.11 Trao đổi dữ liệu trên sơ đồ giống như thao tác lưu trữ và chuyển tiếp (DF) trong mạng chuyển mạch gói thông thường Sơ đồ này còn được gọi là sơ đồ chuyển tiếp truyền thống Trong khe thời gian thứ nhất, N1 phát một gói tin S1 tới nút chuyển tiếp R; trong khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp R thực hiện chuyển tiếp S1tới N2; trong khe thời gian thứ ba, N2 phát một gói tin S2 tới nút chuyển tiếp R; trong khe thời gian thứ tư, nút chuyển tiếp R chuyển tiếp gói tin S2 tới N1 [12]

Hình 1.11 Sơ đồ không mã hóa mạng

1.4.2 Sơ đồ mã hóa mạng NC

Hệ thống sử dụng mã hóa mạng NC cho phép giảm được số khe thời gian xuống còn ba khe thời gian Với việc giảm được số khe thời gian từ bốn xuống ba, NC cho phép cải thiện 33% thông lượng so với sơ đồ không mã hóa mạng truyền thống (Traditional Scheme) Sơ đồ NC được mô tả trên hình 1.12 Trong khe thời gian thứ

37 Lê Doãn Thiện

nhất , N1 phát S1 đến nút chuyển tiếp R; trong khe thời gian thứ hai, N2 phát S2 đến nút chuyển tiếp R Sau khi nhận được S1 và S2, nút chuyển tiếp R thực hiện một gói mã hóa mạng SR như sau [12]:

Trong đó, ký hiệu là phép XOR từng symbol của S1 và S2 Ví dụ, nếu:

S1 = {a1[1] + jb1[ ] 1[M] + jb1[M]},

S2 = {a2[1] + jb2[ ] 2[M] + jb2[M]},

{ [ ] [ ] [ ] [ ] ,… ,

[ ] [ ] [ ] [ ] } trong đó, M là số symbol trong một gói

Trong khe thời gian thứ ba, nút chuyển tiếp R phát quảng bá SR tới tất cả hai nút đầu cuối N1 và N2 Khi N1 nhận được SR, nó sẽ giải ra S2 từ SR nhờ vào gói dữ liệu

S1 của nó như sau:

Bằng cách tương tự, N2 cũng giải ra S1 từ Cũng giống như sơ đồ không mã hóa mạng TS, sơ đồ mã hóa mạng NC cũng cố gắng để tránh việc N1 và N2phát dữ liệu ở cùng một khe thời gian Có nghĩa là mỗi nút phát dữ liệu của nó ở các khe thời gian khác nhau Việc mã hóa mạng được thực hiện ở nút chuyển tiếp R sau khi nút chuyển tiếp R đã nhận được đủ S1 và S2 từ N1 và N2 trong hai khe thời gian khác nhau [12]

38 Lê Doãn Thiện

Hình 1.12 Sơ đồ hóa mạng NC

1.4.3 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý

Mã hóa mạng lớp vật lý PNC cho phép giảm số khe thời gian cần thiết hơn nữa

so với mã hóa mạng NC còn hai khe thời gian Sử dụng phương pháp này, các nút đầu cuối N1 và N2 sẽ truyền đồng thời trên cùng một khe thời gian thứ nhất tới nút chuyển tiếp R và lợi dụng đặc tính mã hóa mạng tự nhiên trong môi trường vô tuyến khi các sóng điện từ chồng lấn lên nhau Ở pha thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp mã hóa tín hiệu cần truyền cho N1 và N2 , và truyền đồng thời tới cả hai nút N1 và N2 Bằng cách này PNC có thể cải thiện thông lượng lên đến 100% so với sơ đồ chuyển tiếp truyền thống không mã hóa mạng và 50% so với sơ đồ mã hóa mạng NC Ý tưởng về PNC được mô tả trong hình 1.13 [12]

Hình 1.13 Sơ đồ hóa mạng lớp vật lý PNC

Trong khe thời gian thứ nhất, N1 và N2 phát đồng thời các gói dữ liệu tương ứng S1 và S2 tới nút chuyển tiếp R Do xếp chồng của các sóng điện từ trong môi trường vô tuyến của các symbol S1 và S2, nút chuyển tiếp R thực hiện việc mã hóa

39 Lê Doãn Thiện

Sau đó, nút chuyển tiếp R sẽ phát quảng bá SR tới N1 và N2 trong khe thời gian thứ hai

Trong sơ đồ PNC, quá trình nút chuyển tiếp R thực hiện mã hóa

từ các sóng điện từ bị xếp chồng được gói là “phép ánh xạ PNC” Một cách tổng quát, “phép ánh xạ PNC” có nghĩa là ánh xạ các dòng điện từ bị xếp chồng có tạp âm thành một số gói mã hóa mạng để nút chuyển tiếp R thực hiện việc chuyển tiếp Phép ánh xạ PNC có thể tạo ra một gói ở dạng tổng mô-đun 2 Tất cả các phép ánh xạ PNC đều có yêu cầu thực hiện sao cho các nút N1 và N2 phải có khả năng giải ra thông tin của nút khác dựa trên gói tin đầu ra của nút chuyển tiếp và thông tin của bản thân nút đó Trong lý thuyết thông tin, phương pháp ước lượng tín hiệu này được gọi là phương pháp ước lượng tín hiệu sử dụng thông tin tại chỗ Mục tiếp theo

sẽ trình bày nguyên lý PNC sử dụng phép ánh xạ XOR đơn giản [12]

1.4.4 Nguyên lý PNC dựa trên phép XOR

Trong trường hợp phép mã hóa mạng sử dụng toán tử cộng mô-đun 2 XOR đơn giản ta có Giả thiết trường hợp sử dụng điều chế khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying) được sử dụng cho các tín hiệu phát

Để đơn giản, chúng ta giả sử rằng có sự đồng bộ về pha sóng mang cũng như sự đồng

bộ ở mức symbol và điều khiển công suất được sử dụng để các gói tin từ các nút đầu cuối đến nút chuyển tiếp R với biên độ và pha giống nhau Để mô tả cho đơn giản, tạp

âm được bỏ qua trong trường hợp này Ký hiệu chữ viết hoa biểu thị một gói và chữ viết thường biểu thị symbol trong một gói Ví dụ, S1 là một gói, và s1 là một symbol trong gói [12]

Giả sử rằng các nút đầu cuối N1 và N2 điều chế các symbol của nó trên sóng mang với tần số góc , tức là nút N1 gửi đi { }, với √ Tín hiệu băng thông thu được bởi nút chuyển tiếp R trong một chu kỳ symbol là:

[ ] [ ] =

40 Lê Doãn Thiện

trong đó, { } là tín hiệu băng thông được phát bởi nút Nl, { } và

{ } là các bit thông tin đã được điều chế QPSK tương ứng Chú ý rằng đối

với QPSK, al = 1 tương ứng với bit 0, al = -1 tương ứng với bit 1 trong thành phần

đồng pha (in-phase); tương tự đối với bl trong thành phần tín hiệu vuông pha

riêng biệt từ (1.22) Điều này bởi vì (1.22) là một hệ hai phương trình với bốn ẩn a1,

a2, b1, b2 Tuy nhiên, trong PNC nút chuyển tiếp R không cần giải ra bốn giá trị riêng

biệt a1, a2, b1, b2 mà nó chỉ cần tính toán để đưa ra hai giá trị là và để

Symbol tổ hợp tại nút chuyển tiếp R

Ánh xạ thành symbol của nút chuyển tiếp R