Ứng dụng BSS trong truyền thông không dây

Hệ thống truyền thông hợp tác được nghiên cứu trong vài năm gần đây có thể khai thác được tính phân tập không gian ngay khi các máy thu phát chỉ có một anten, do đó có thể giảm được kích thước, độ phức tạp và chi phí cho thiết bị. Đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép người dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp (máy relay) hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác. Tùy theo cách máy relay thực hiện xử lý và chuyển tiếp tín hiệu đến máy đích mà ta có các kiểu hợp tác khác nhau, trong đó kiểu hợp tác khuếch đạichuyển tiếp (AF AmplifyandForward) được xem là đơn giản nhất vì máy relay chỉ thực hiện khuếch đại tín hiệu và sau đó truyền đến máy đích. Tùy theo hệ số khuếch đại mà kiểu AF được chia thành hai loại: AF có hệ số khuếch đại cố định và AF có hệ số khuếch đại biến thiên. Kiểu AF dùng hệ số khuếch đại biến thiên cho hiệu quả tốt hơn so với hệ số khuếch đại cố định vì nó được tính theo hệ số kênh truyền giữa máy nguồn và máy relay (kênh sr), đảm bảo tín hiệu do máy relay truyền đến máy đích có công suất ổn định và bằng với công suất tín hiệu do máy nguồn truyền 7. Trong hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output ) hợp tác, theo tài liệu 1, thông tin kênh sr cũng cần có ở máy đích để khôi phục tín hiệu. Do đó, trong các đề tài nghiên cứu hiện nay về hệ thống hợp tác thường sử dụng cách ước lượng thông tin kênh sr trực tiếp ở máy đích dựa vào chuỗi huấn luyện do máy nguồn gởi 1,2. Cách này có ưu điểm là máy nguồn không cần phải gởi chuỗi huấn luyện cho máy relay, tránh được lỗi lượng tử khi chuyển thông tin kênh từ máy relay đến máy đích, tiết kiệm được băng thông và công suất truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khi thông tin kênh sr được ước lượng ở máy đích thì máy relay chỉ sử dụng hệ số khuếch đại cố định được tính theo trị thống kê của kênh truyền nên làm giảm hiệu quả hệ thống so với sử dụng hệ số biến thiên. Do đó đề tài này hướng đến thực hiện ước lượng mù ma trận kênh truyền sr ở máy relay mà không cần sử dụng chuỗi huấn luyện, thông tin kênh sau ước lượng được sử dụng để tính hệ số khuếch đại biến thiên.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 6

1.1 Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập 6

1.1.1 Kênh truyền dẫn fading 6

1.1.2 Các kỹ thuật phân tập 10

1.2 Các kỹ thuật kết hợp phân tập 11

1.2.1 Phương pháp EGC (Equal Gain Combining) 13

1.2.2 Phương pháp MRC (Maximal Ratio Combining) 14

1.3 Kỹ thuật mã hóa không-thời gian 16

1.3.1 Mã hóa không-thời gian (Space-Time Coding) 17

1.3.2 Bộ giải mã ML (Maximum Likelihood) 21

1.4 Hệ thống MIMO 22

1.5 Tóm tắt chương 1 24

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 25

2.1 Kỹ thuật truyền thông hợp tác 25

2.1.1 Kiểu hợp tác AF (Amplify-and-Forward) 27

2.1.2 Kiểu hợp tác DF (Decode-and-Forward) 34

2.1.3 Một số kiểu hợp tác khác 39

2.2 Hệ thống MIMO hợp tác 40

2.2.1 Không có kết hợp tín hiệu 42

2.2.2 Có kết hợp tín hiệu 45

2.3 Ước lượng kênh trong hệ thống truyền thông hợp tác 49

2.4 Tóm tắt chương 2 53

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT PHÂN TÁCH NGUỒN MÙ 54

3.1 Vấn đề phân tách nguồn mù 54

3.2 Phân tích thành phần độc lập (ICA) 56

3.2.1 Nguyên lý ước lượng trong ICA 57

3.2.2 Tiền xử lý tín hiệu 59

3.2.3 Thuật toán FastICA 60

3.2.4 Tính không xác định của ICA 66

3.3 Thuật toán BSS khác 67

3.3.1 Thuật toán JADE 67

3.3.2 Phân tích thành phần thưa (SCA) 69

3.4 Tóm tắt chương 3 71

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BSS TRONG HỆ THỐNG MIMO HỢP TÁC 72

4.1 Ước lượng kênh trong hệ thống MIMO hợp tác 72

4.2 Uớc lượng mù kênh truyền ở máy relay 74

4.3 Kết quả mô phỏng 76

4.3.1 Thông số mô phỏng 76

4.3.2 Có kênh truyền trực tiếp 77

4.3.3 Không có kênh trực tiếp 84

4.4 Tóm tắt chương 4 88

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

Ước lượng mù ma trận kênh truyền là một ứng dụng của kỹ thuật phân tách nguồn

mù (BSS - Blind Source Separation) Mục tiêu chính của đề tài là áp dụng kỹ thuậtBSS ở máy relay trong mạng MIMO hợp tác để ước lượng ma trận kênh s-r màkhông cần dùng chuỗi huấn luyện Khi đó máy relay dùng hệ số khuếch đại biếnthiên được tính theo hệ số kênh truyền ước lượng nên cho hiệu quả tốt hơn so vớidùng hệ số khuếch đại cố định Luận văn được trình bày theo 4 chương như sau:

- Chương 1 trình bày về hiện tượng fading trong truyền thông không dây vàcác kỹ thuật phân tập giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading Kỹ thuật mãhóa STBC (Space-Time Block Code ) và hệ thống MIMO cũng được trìnhbày để có khái niệm cơ bản trong hệ thống MIMO hợp tác

- Chương 2 trình bày cơ bản về truyền thông không dây hợp tác với hai kiểuhợp tác phổ biến là AF và DF (Decode-and-Forward) Chương này cũngtrình bày cách tính hệ số khuếch đại tối ưu trong hệ thống MIMO hợp táckiểu AF và vấn đề ước lượng kênh hợp tác ở máy đích dựa trên chuỗi huấnluyện kênh

- Chương 3 là nội dung cơ bản của kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS) Nộidung chính của chương là ước lượng mù các tín hiệu thực và tín hiệu phứcbằng kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (ICA - Independent ComponentAnalysis) và thuật toán JADE

- Chương 4 là thực hiện ứng dụng kỹ thuật BSS để ước lượng mù kênh truyền

ở máy relay trong hệ thống MIMO hợp tác Hai thuật toán ước lượng được

sử dụng là FastICA và JADE Phần cuối của chương trình bày kết quả môphỏng trên máy tính hiệu quả của hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹthuật BSS

Kết quả của đề tài thể hiện hiệu suất hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ thuậtBSS ở máy relay Khi đó máy relay có thể ước lượng được ma trận kênh s-r màkhông cần dùng chuỗi huấn luyện kênh, nên hệ số khuếch đại biến thiên được dùngthay cho hệ số cố định để cải thiện hiệu suất cho hệ thống, nâng cao hiệu quả sửdụng băng thông nên đặc biệt hữu ích trong các mạng truyền tin băng hẹp trong

thực tế Vì còn nhiều hạn chế nên đề tài không tránh được sự thiếu sót, tác giả mongnhận được ý kiến đánh giá, góp ý để hoàn thiện đề tài tốt hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về truyền thông không dây và kỹ thuậtphân tập không gian trong hệ thống có nhiều anten thu phát Phần 1 của chương tómtắt về kênh fading đa đường và các kỹ thuật phân tập Nội dung của phần 2 và phần

3 là các kỹ thuật kết hợp phân tập và kỹ thuật mã hóa được dùng trong phân tậpkhông gian khi máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten thu phát sóng Cuối cùng

là tóm tắt về hệ thống MIMO khi máy thu và máy phát đều có nhiều anten

1.1.1 Kênh truyền dẫn fading

Trong các hệ thống truyền thông không dây, tín hiệu được lan truyền trong khônggian gần mặt đất và tầng khí quyển nên bị ảnh hưởng bởi các vật thể xung quanhtrong môi trường lan truyền Tín hiệu có thể lan truyền từ máy phát đến máy thutheo nhiều đường khác nhau nên gây ra các thay đổi về pha, biên độ, góc đến của tínhiệu ở máy thu, hiện tượng này được gọi là fading đa đường Đây chính là nguyênnhân gây suy giảm đáng kể chất lượng thông tin nhận ở máy thu Kênh truyềnfading được phân loại thành các kiểu khác nhau: fading chậm và fading nhanh,fading phẳng và fading lựa chọn tần số

Nếu xét về mặt thời gian, kênh truyền fading được gọi là kênh fading chậm nếuthời gian của một symbol tín hiệu truyền nhỏ hơn thời gian ổn định (coherent time)của kênh truyền, ngược lại, kênh được gọi là kênh fading nhanh Trong kênh truyềnfading chậm, kênh truyền ảnh hưởng giống nhau đến một số symbol nên sinh ra lỗicụm, trong khi đó kênh fading nhanh sẽ ảnh hưởng khác nhau đến các symbol khácnhau Xét về mặt tần số, nếu băng thông của tín hiệu truyền nhỏ hơn băng thông ổnđịnh (coherent bandwidth) của kênh truyền thì kênh được gọi là kênh fading phẳng(flat-fading) và hệ thống còn được gọi là hệ thống băng hẹp, trong đó các thànhphần phổ của tín hiệu bị ảnh hưởng như nhau trên kênh truyền Ngược lại, trong hệthống băng rộng, băng thông tín hiệu truyền lớn hơn băng thông ổn định của kênh

truyền thì kênh được gọi là kênh fading lựa chọn tần số (frequency selective fading)[23]

Trong các hệ thống truyền thông thực tế, tín hiệu của người dùng được máy phátchuyển đổi lên một tần số sóng mang cho trước để truyền trên kênh vô tuyến vàmáy thu sẽ chuyển tín hiệu về lại dạng băng tần gốc (baseband) Việc chuyển đổitần số của tín hiệu không ảnh hưởng đến quá trình xử lý tín hiệu băng gốc ở máyphát và máy thu nên để đơn giản, các tín hiệu được biểu diễn ở dạng băng gốc Môhình băng gốc thời gian rời rạc (discrete-time baseband equivalent model) biểu diễntín hiệu băng gốc ở dạng các mẫu rời rạc theo thời gian Giả sử kênh truyền làflatfading, x n[ ] là tín hiệu truyền thứ n, h n[ ] là hệ số kênh khi truyền x n[ ], hệ

thống bị ảnh hưởng bởi nhiễu AWGN (Additive White Gaussian Noise) w[n] có trị

trung bình bằng 0 và phương sai σw2 Công thức toán học biểu diễn tín hiệu thuđược y n[ ] qua kênh truyền flat-fading được biểu diễn như sau [5]:

trong đó P là công suất máy phát Vì kênh truyền biến đổi ngẫu nhiên nên các hệ sốkênh truyền h n[ ] cũng là một biến ngẫu nhiên, có phân bố theo nhiều mô hìnhkhác nhau Trong môi trường truyền dẫn đa đường không có đường truyền thẳng(LOS), kênh fading đa đường có thể xem là tập hợp của các đường NLOS độc lập.Theo định lý giới hạn trung tâm, hệ số kênh fading là số ngẫu nhiên phức có phầnthực và ảo là biến ngẫu nhiên Gaussian có trị trung bình bằng 0, phương sai ηh Biên độ của kênh là h n( ) có phân bố Rayleigh và pha φ( )n =∠h n( ) phân bố điều

trên (0, 2π)

Kênh truyền trong trường hợp này còn gọi là kênh Rayleigh fading Trong trườnghợp kênh truyền giữa máy phát và máy thu có đường truyền thẳng thì được gọi làkênh Rician fading

1.1.1.2 Dung lượng kênh fading

Kênh truyền dẫn là phương tiện mang thông tin từ máy phát đến máy thu nên khảnăng mang thông tin của nó là một yếu tố cơ bản quan trọng Dung lượng kênh làmột đại lượng thể hiện khả năng mang tin của kênh truyền dẫn, được định nghĩa làtốc độ truyền tin giữa máy phát và máy thu lớn nhất mà vẫn đảm bảo xác suất tínhiệu thu bị lỗi ở mức nhỏ tùy ý Một hệ thống truyền thông có dung lượng kênhcàng lớn thì tốc độ truyền tin càng cao, lượng thông tin được truyền càng nhiều hơntrong một đơn vị thời gian

Chất lượng kênh truyền thay đổi ngẫu nhiên nên dung lượng kênh cũng là một biếnngẫu nhiên Ta xét kênh truyền flat-fading, tín hiệu thu có mô hình toán học nhưCông thức (1.1) được viết lại một cách tổng quát như sau:

y = Phx + w (1.2) trong đó x là tín hiệu ngõ vào kênh truyền có giới hạn công suất E x[| | ]2 ≤ 1, P làcông suất của máy phát Giả sử máy thu phát biết đầy đủ thông tin trạng thái kênhtruyền (CSI - Channel Sate Information), tức là biết các hệ số kênh truyền h, dunglượng kênh được tính là [5]:

C= E h 2 

log 1 SNR2( +h2)

Ta dễ dàng thấy được dung lượng kênh tỉ lệ thuận với tỉ số công suất tín hiệu so vớinhiễu (SNR - Signal-to-Noise Ratio) Tín hiệu thu có công suất càng lớn so vớinhiễu, hay nói cách khác hệ thống truyền thông được khử nhiễu tốt, dung lượngkênh sẽ càng lớn

Ngoài đại lượng dung lượng kênh truyền, đại lượng dung lượng outage cũng là mộtđại lượng phổ biến đánh giá hiệu quả của hệ thống truyền tin với kênh truyềnfading Outage là hiện tượng dữ liệu không thể khôi phục thành công ở máy thu.Dung lượng outage được xác định theo xác suất xảy ra hiện tượng outage Nếu tốc

độ truyền tin của hệ thống có kênh truyền flat-fading là R thì hiện tượng outage xảy

ra khi R lớn hơn dung lượng kênh truyền:

1.1.2 Các kỹ thuật phân tập

Hiện tượng fading ảnh hưởng mạnh đến chất lượng truyền tin trong hệ thống nên

để hạn chế ảnh hưởng của nó, phương pháp đơn giản nhất là tăng thêm một lượngcông suất phát, còn gọi là khoảng dự trữ fading, để bù lại sự suy giảm của tín hiệu.Một phương pháp phổ biến khác là sử dụng kỹ thuật phân tập Kỹ thuật phân tậptăng hiệu quả truyền tin cho hệ thống bằng cách truyền độc lập nhiều bản sao củatín hiệu trên kênh truyền đa đường, khi đó xác suất xảy ra tất cả các bản sao tín hiệutruyền bị suy giảm mạnh do fading được giảm đáng kể nên hiệu quả khôi phục tínhiệu sẽ cao hơn Việc truyền nhiều bản sao tín hiệu có thể được thực hiện trongmiền thời gian, tần số hoặc không gian

Phân tập thời gian: tín hiệu được truyền lặp lại trong các khe thời gian cách nhaumột khoảng dài hơn độ thời gian ổn định của kênh Kỹ thuật mã hóa kênh kết hợpvới đan xen là một phương pháp phân tập thời gian Phân tập thời gian có hiệu quảvới kênh fading nhanh như trong môi trường có tính di động cao giữa các máy thuphát vì khi đó, thời gian ổn định của kênh là rất nhỏ Trong trường hợp kênh fadingchậm thì phân tập thời gian ít hiệu quả hơn vì độ trễ (khoảng cách) giữa các lầntruyền sẽ lớn

Phân tập tần số: cùng một tín hiệu được truyền trên các sóng mang có tần số khácnhau và cách nhau một khoảng lớn hơn khoảng băng thông ổn định của kênh để cáckênh là độc lập Rõ ràng kỹ thuật này làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông trong

hệ thống

Phân tập không gian: được sử dụng khi máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten,nên còn được gọi là phân tập anten, khi đó tín hiệu và bản sao của nó được truyềntrên các anten khác nhau Các anten được đặt cách nhau một khoảng cách đủ xa tùytheo bước sóng (λ) của sóng mang và môi trường truyền dẫn Trong môi trường cónhiều tán xạ gần mặt đất, khoảng cách anten trong máy di động thường là λ/2 đến λ

và trong trạm cố định (base station) là khoảng 10λ

Phân tập hợp tác: đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phépngười dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp hỗ trợ truyền tín hiệu đếnngười khác Máy chuyển tiếp (máy relay) cùng với máy nguồn hợp tác truyền tínhiệu đến máy đích, tạo nên một mảng anten ảo mặc dù mỗi máy chỉ có một anten.Mảng anten ảo này tương tự như mảng anten vật lý, có thể giảm ảnh hưởng của hiệntượng fading vì cho phép máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu từ các đườngkhác nhau tương tự như khi máy có nhiều anten

Kỹ thuật phân tập không gian là kỹ thuật được dùng phổ biến trong các hệ thốngtruyền thông hiện nay, với sự phát triển của công nghệ linh kiện điện tử nên có thểtích hợp nhiều hơn một anten vào thiết bị cầm tay Nếu máy thu có nhiều anten thìtại một thời điểm máy thu sẽ thu được nhiều bản tín hiệu khác nhau ở các antenkhác nhau, các tín hiệu này có thể được kết hợp với nhau trước khi được đưa vào bộtách tín hiệu để cải thiện chất lượng khôi phục tín hiệu gốc Đây là một kỹ thuậtnhằm khai thác tính đa đường của kênh vô tuyến ở máy thu, còn gọi là khai tháctính phân tập thu

Ta xét phương pháp kết hợp tín hiệu thông qua hệ thống SIMO (Single - InputMultiple - Output ) tổng quát như Hình 1.1, trong đó máy thu có N r anten và sửdụng phương pháp kết hợp để kết hợp các bản tín hiệu thu ở các anten thành tín hiệutổng hợp sử dụng cho việc khôi phục dữ liệu Giả sử kênh truyền dẫn vô tuyến làkênh flat-fading và tín hiệu được đồng bộ chính xác, nhiễu liên ký tự (ISI -Intersymbol Interference) được loại bỏ bởi các bộ cân bằng Tín hiệu truyền là cácsymbol ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu với x[n] là symbol được truyền trong lần

truyền thứ n, có năng lượng đơn vị E x n{| [ ]|2} =1 Tín hiệu nhận được ở anten thứ

k của máy thu là:

trong đó P là công suất phát tại anten, h k = h e k jφk là hệ số kênh truyền giữa anten

phát và anten thu thứ k, w n k [ ]∼CN(0,σk2) là nhiễu AWGN ở anten thu thứ k TừCông thức (1.8), ta có tỉ số SNR của tín hiệu ở anten thu thứ k là:

N

z n[ ] = ∑r αk y k [ ]n (1.10)

k=1

trong đó các trọng số αk được xác định tùy theo phương pháp kết hợp tín hiệu được

sử dụng ở máy thu Các phương pháp kết hợp phổ biến nhất là SC (SelectionCombining), EGC (Equal-Gain Combining ) và MRC (Maximal Ratio Combining)

có độ phức tạp tính toán và hiệu quả khác nhau Trong đó SC là phương pháp đơngiản nhất, nó chỉ lựa chọn tín hiệu có tỉ số SNR cao nhất từ các tín hiệu thu được và

bỏ qua các tín hiệu còn lại Phương pháp EGC và MRC có hiệu quả cao hơn so vớiphương pháp SC nhưng cũng có tính phức tạp hơn Hai phương pháp này lựa chọn

hệ số αk có cùng mục đích là bù lại sự sai pha tín hiệu do ảnh hưởng của kênh truyền và cho ra tín hiệu tổng hợp có tỉ số SNR tốt nhất

1.2.1 Phương pháp EGC (Equal Gain Combining)

Phương pháp EGC sẽ nhân tín hiệu nhận được ở anten thứ k với một số phức αk để

bù lại sự sai pha của tín hiệu:

a k = e− φk , k =1,2, , N r (1.11) Các hệ số αk có pha khác nhau, nhưng có cùng độ lớn và không phụ thuộc vào giátrị SNR của tín hiệu ở mỗi anten, do đó giảm được tính phức tạp cho hệ thống Tínhiệu tổng hợp ở ngõ ra của bộ kết hợp EGC là:

 k=1  k=1Xác xuất xảy ra hiện tượng outage, là xác xuất tỉ số SNR nhỏ hơn một giá trịngưỡng nào đó, tức Pr(γEGC <γ0 ), của hệ thống SIMO dùng EGC được cho ở Hình1.2 với γ0 =1 Ta thấy rằng tốc độ giảm của xác suất outage tỉ lệ thuận với số anten

ở máy thu Vì máy thu có nhiều anten sẽ thu được nhiều bản sao của tín hiệu, xácsuất thu được bản sao có chất lượng tốt sẽ cao hơn, cho ra tín hiệu kết hợp có tỉ lệSNR cao nên chất lượng hệ thống sẽ tốt hơn Phương pháp EGC nhân các tín hiệunhận được với hệ số có cùng độ lớn, xem chất lượng các tín hiệu thu được là nhưnhau nên không thể giảm ảnh hưởng của nhiễu trong tín hiệu thu được Nhược điểmnày được khắc phục trong phương pháp MRC

1.2.2 Phương pháp MRC (Maximal Ratio Combining)

Trong phương pháp MRC, các hệ số αk được chọn theo liên hợp phức của

hệ số kênh truyền và tỉ số SNR của anten thu thứ k:

αk = h k* /σk2 = h e k − jφk /σk2 (1.14)

k

∑

Hình 1.2: Xác suất outage của hệ thống SIMO dùng EGC [5]

Các hệ số αk có độ lớn khác nhau tùy theo anten, có thể bù sự sai pha cho tín hiệuthu ở anten tương ứng và và có xét đến nhiễu ở anten đó Những tín hiệu thu ở anten

có nhiễu lớn, hay có tỉ số SNR thấp sẽ được nhân với hệ số có độ lớn nhỏ và ngượclại nên phương pháp MRC có thể cực đại tỉ số SNR của tín hiệu ngõ ra và tối thiểuđược xác suất xảy ra hiện tượng outage cho hệ thống Tín hiệu ở ngõ ra của bộ kếthợp MRC:

MRC tùy theo số anten ở máy thu Cũng như phương pháp EGC, nếu số anten thucàng nhiều, ta thu được nhiều tín hiệu hơn, kết quả là tỉ số SNR của tín hiệu sau kếthợp cao hơn, ước lượng tín hiệu gốc chính xác hơn Xác suất outage suy giảm mạnhkhi số anten càng lớn vì máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu hơn So vớiphương pháp EGC, phương pháp MRC cho kết quả tốt hơn 1-2 dB vì MRC có xétđến chất lượng của tín hiệu thu ở mỗi anten qua tỉ số SNR của mỗi tín hiệu Tín hiệuthu nào có chất lượng tốt hơn được nhân với trọng số cao hơn, do đó tăng tỉ số SNR

ở ngõ ra của MRC Phương pháp MRC được xem là phương pháp có tỉ số SNR caonhất trong số các phương pháp kết hợp tuyến tính

Hình 1.3: Xác suất outage của hệ thống SIMO dùng MRC [5]

Các phương pháp kết hợp trên cũng có thể được dùng khi máy thu chỉ có một antennhưng máy phát có nhiều anten, khi đó máy thu cũng thu được nhiều tín hiệu từmáy phát và kết hợp chúng lại trước khi đưa vào bộ tách tín hiệu

Khi máy phát có nhiều anten thì tín hiệu được phân bố truyền trên tất cả anten đểkhai thác tính phân tập không gian ở máy phát Trước khi được truyền, tín hiệu

được tiền xử lý bởi các kỹ thuật khác nhau tùy theo trạng thái thông tin kênh truyềnCSI ở máy phát Phương pháp tạo búp sóng truyền (Transmit Beamforming) đượcdùng khi máy phát biết đầy đủ thông tin CSI, khi đó tín hiệu phát được nhân vớitrọng số bù cho các ảnh hưởng của kênh truyền và làm cực đại tỉ số SNR ở tín hiệuthu Tuy nhiên, trong thực tế máy phát khó biết được thông tin kênh truyền tức thời

vì kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi theo thời gian Nếu máy phát chỉ biết mộtphần thông tin CSI, ví dụ như chỉ biết biên độ mà không biết pha kênh truyền, thì cóthể áp dụng kỹ thuật lựa chọn anten (Antenna Selection) để chọn các anten có kênhtruyền tốt nhất để truyền phát tín hiệu nhằm tăng khả năng chống nhiễu, tăng hiệuquả khôi phục tín hiệu ở máy thu Phương pháp mã hóa không-thời gian (STC -Space-Time Coding) được dùng khi máy phát không biết thông tin về CSI, là trườnghợp phổ biến nhất trong hệ thống truyền thông không dây thực tế Khi đó, tín hiệucần truyền được mã hóa trong cả miền không gian và thời gian, nên tín hiệu đượctruyền trên nhiều anten qua các lần truyền khác nhau [5],[12]

1.3.1 Mã hóa không-thời gian (Space-Time Coding)

Phương pháp mã hóa không-thời gian thực hiện mã hóa tín hiệu trong cả miềnkhông gian và thời gian, kết quả là nó tạo ra bản sao của một tín hiệu Mỗi tín hiệu

và bản sao của nó được truyền trên các anten khác nhau trong các lần truyền khácnhau Mục đích của mã hóa STC là cực đại độ lợi phân tập và giảm ảnh hưởng củafading và nhiễu trong kênh truyền MIMO Mã hóa STC có hai kiểu thường đượcnghiên cứu và sử dụng là mã hóa khối không-thời gian (STBC - Space-Time BlockCode) và mã hóa lưới không-thời gian (STTC - Space-Time Trellis Code)

Kiểu mã hóa STTC là một dạng của kiểu mã hóa lưới (mã chập) cho độ lợi phân tậpbằng số anten phát và độ lợi mã hóa phụ thuộc vào số trạng thái của lưới Tuy nhiên,

mã STTC yêu cầu máy thu có bộ giải mã Viterbi có độ phức tạp lớn để khôi phụctính hiệu gốc nên không phổ biến trong các thiết bị cầm tay đơn giản Kiểu mãSTBC cho độ lợi phân tập bằng với STTC nhưng có độ lợi mã hóa thấp hơn, ưu

điểm là bộ giải mã đơn giản hơn so với STTC và có thể thực hiện bằng xử lý tuyếntính [12]

Hệ thống dùng mã hóa STC được mô tả như Hình 1.4, dữ liệu truyền được điều chế

M mức thành chuỗi các tín hiệu symbol Giả sử máy phát có Nt anten, khối mã hóaSTC dùng k symbol để mã hóa thành Nt chuỗi tín hiệu có chiều dài T tạo thành một

ma trận từ mã S kích thước N t xT như Công thức (1.17) Các chuỗi tín hiệu, tức cácdòng của ma trận S, được truyền song song đến máy thu và cần T lần truyền để

truyền hết cả chuỗi tín hiệu Do đó, tốc độ mã hóa của STC là R = k T/ , tức là k

symbol được truyền trong T lần truyền Nếu R = 1 ta gọi bộ mã hóa có tốc độ tối đa(full rate)

 s1[ ]1

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống dùng mã hóa không-thời gian

Thông thường, để giảm tính phức tạp cho bộ giải mã và khai thác đầy đủ tính phântập của kênh truyền MIMO, các ma trận S được thiết kế theo kiểu trực giao, tạo nênkiểu mã hóa STC trực giao, tức là:

trong đó α là hằng số, I Nt là ma trận đơn vị và khi đó máy phát sử dụng từ mã trựcgiao như trên sẽ có độ lợi phân tập tối đa (full diversity gain) bằng Nt

Mã hóa Alamouti là một kiểu của mã hóa STBC trực giao (OSTBC - OrthogonalSpace-Time Block Code) được dùng khi máy phát có 2 anten Ma trận từ mã S của

mã hóa Alamouti dùng k = Nt = 2 symbol x[n] liên tiếp để mã hóa STBC tạo nên 1

Kiểu mã hóa Alamouti được cho ở Công thức (1.19) là ma trận từ mã tối ưu duynhất trong trường hợp máy phát có 2 anten Ma trận từ mã OSTBC được thiết kế tối

ưu khi thỏa mãn khai thác tối đa độ phân tập và tối thiểu số lần truyền T cần đểtruyền hết từ mã Công thức (1.20) là một kiểu mã hóa OSTBC khi máy phát có 3anten, đạt độ phân tập bằng 3 và tốc độ mã hóa R = 3/4

với x i là các symbol phức sau điều chế, S1(x1) = x1 và n = 1,2,3,…Phương pháp

thiết kế ma trận mã hóa OSTBC như trên có tốc độ mã hóa là R =(n+1) / 2n Ví

dụ với n = 1, tức máy phát có 2 anten thì ma trận từ Công thức (1.21) giống nhưCông thức (1.19) Khi máy phát có 4 anten, n = 2, ta có ma trận mã hóa OSTBCđược thiết kế từ Công thức (1.21) sẽ là:

x1 −x2* −x3* 0 

S x x x4 ( 1,2, 3 ) =xx32x01* x01* −xx2*3*  (1.22)

Từ Công thức (1.23) ta thấy mã hóa gần trực giao S4 có k = 4 symbol được truyền

và cần T = 4 lần truyền nên tốc độ mã hóa đạt được là R = 1, lớn hơn so với tốc độ

mã hóa trong Công thức (1.22) Theo tài liệu [9] thì kiểu mã hóa STBC gần trực

giao cho ta hiệu quả tốt khi truyền tín hiệu với tốc độ cao nhưng có tỉ số SNR thấp,

và ngược lại, kiểu mã hóa STBC trực giao có hiệu quả khi tín hiệu có SNR caonhưng được truyền với tốc độ thấp

1.3.2 Bộ giải mã ML (Maximum Likelihood)

Mã hóa STBC thường được giải mã bởi bộ giải mã ML, đây là một bộ giải mã có

độ tính toán phức tạp phụ thuộc vào số điểm trong sơ đồ chòm sao (constellation)của phương pháp điều chế tín hiệu được dùng Giả sử kênh truyền vô tuyến là kênhflat-fading, có nhiễu AWGN w n[ ]∼CN(0,σ2 ) , tín hiệu thu được tại một anten cho

ở Công thức (1.8) được viết tổng quát như sau:

y = Phs + w (1.24) Các tín hiệu thu được kết hợp thành tín hiệu z trước khi được giải mã Giả sử máythu biết được các hệ số kênh truyền, bộ giải mã ML sẽ khôi phục tín hiệu dựa vàochòm sao của điều chế M mức sao cho tối thiểu xác suất lỗi [23]:

min P e ≜ Pr(s ≠ sˆ) (1.25)

trong đó sˆ là tín hiệu được khôi phục Công thức (1.25) tương đương với cực đại

xác suất ước lượng đúng tín hiệu truyền khi máy thu biết hệ số kênh truyền:

max Pr(s = s z hˆ |

(1.26)

Tín hiệu cần ước lượng là các symbol trong chòm sao X của kiểu điều chế được

dùng Giả sử máy thu biết được kiểu điều chế tín hiệu, tín hiệu ước lượng sˆ từ

Công thức (1.26) là một điểm trong X sao cho:

2 sˆ = argmin z − Phx (1.27)

x∈Χ

trong đó X là chòm sao của kiểu điều chế M mức được dùng Nhược điểm củaphương pháp giải mã ML là số phép tính tăng theo hàm mũ của mức điều chế Chất

lượng của tín hiệu khôi phục phụ thuộc vào độ chính xác của kênh truyền được ướclượng ở máy thu

MIMO là hệ thống có nhiều anten thu phát sóng ở cả máy phát và máy thu nhưHình 1.5, do đó có thể sử dụng cả phương pháp tiền mã hóa cho máy phát vàphương pháp kết hợp tín hiệu cho máy thu để tăng hiệu quả truyền tin Kênh truyềndẫn trong hệ thống này còn được gọi là kênh truyền MIMO, có dung lượng kênhphụ thuộc trạng thái thông tin kênh truyền được biết ở máy phát Trong phần này taxem xét về dung lượng của kênh MIMO khi máy phát không biết thông tin CSI và

sử dụng kỹ thuật mã hóa STBC như trên

Giả sử các kênh truyền trong hệ thống MIMO cũng là kênh flat-fading và nhiễuAWGN Vì máy phát không biết được CSI nên công suất phát P của nó được chiađiều cho Nt anten Mô hình tín hiệu thu phát được viết tổng quát như sau:

trong đó ma trận H kích thước Nr x Nt là ma trận kênh truyền MIMO, s là tín hiệu

truyền có hiệp phương sai R s = E ss H 

 và w là nhiễu AWGN Giả sử máy thukhông biết CSI, ma trận Rs có dạng R s = (1/ N I t ) N t , khi đó dung lượng ergodic củakênh MIMO là [5]:

t

P N

Như vậy, khi máy phát không có thông tin kênh truyền thì dung lượng ergodic của

hệ thống MIMO tăng tuyến tính với min(N N t , r ) Hình 1.6 so sánh về dung lượngergodic của các hệ thống SISO, MISO, SIMO và MIMO khi chỉ có máy thu biếtthông tin CSI Kênh truyền SISO cho dung lượng kênh thấp nhất so với các hệthống khác do không khai thác được tính phân tập như ở hệ thống có nhiều anten.Dung lượng của kênh MIMO cao nhất và tăng lên khi tăng số anten thu phát sóng

So sánh dung lượng kênh giữa SIMO và SISO, giữa MISO và SISO, ta thấy khikhông có thông tin CSI ở máy phát thì tăng số anten ở máy thu sẽ cho hiệu quả caohơn tăng anten ở máy phát vì máy thu có thể biết CSI bởi thực hiện ước lượng kênhtruyền nên khai thác tốt hơn tính phân tập không gian so với máy phát

Hình 1.6: Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO [5]

Chương này đã tóm tắt về kênh truyền dẫn vô tuyến và kỹ thuật phân tập khônggian khi máy thu phát có nhiều anten Phương pháp tiền mã hóa STC và hệ thốngMIMO cải thiện được chất lượng tín hiệu thu và tăng dung lượng kênh truyền ngay

cả khi không có thông tin kênh truyền ở máy phát Để đơn giản bộ giải mã, kiểu mãhóa STBC trực giao được sử dụng thay cho STTC, mà cũng cho ta cùng độ lợi phântập nhưng tốc độ mã hóa không được tối đa Để đạt tốc độ cao hơn, kiểu mã hóaSTBC gần trực giao được sử dụng Các tín hiệu thu được ở máy thu được kết hợptuyến tính bằng một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu như MRC, EGC Nếu xét về tínhhiệu quả, kỹ thuật MRC cho ta tín hiệu có tỉ số SNR lớn nhất trong số các kiểu kếthợp tuyến tính Kỹ thuật MRC được thực hiện bằng cách nhân mỗi tín hiệu thuđược với một hệ số để bù lại sai pha và phụ thuộc vào tỉ số SNR của tín hiệu, nếutín hiệu có SNR cao thì được nhân với hệ số lớn hơn và ngược lại Tuy nhiên, kỹthuật MRC yêu cầu tính toán phức tạp nên phương pháp EGC được sử dụng trongtrường hợp ưu tiên tính đơn giản cho hệ thống

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật cho phép các người dùng có thể truyền giúpbản tin của người khác đến máy đích, như vậy có thể mở rộng khoảng cách truyềntin hoặc tăng hiệu quả truyền tin trong hệ thống Chương này trình bày tổng quan vềkhái niệm và các kỹ thuật cơ bản trong hệ thống truyền thông hợp tác Phần 1 củachương trình bày hai kiểu hợp tác cơ bản và phổ biển là hợp tác kiểu khuếchđạichuyển tiếp (AF - Amplify-and-Forward) và hợp tác kiểu giải mã-chuyển tiếp(DF - Decode-and-Forward), với các máy thu phát chỉ có một anten Vấn đề phân

bố công suất giữa máy nguồn và máy relay cũng được xem xét cho mỗi kiểu hợptác Chất lượng của hệ thống hợp tác được đánh giá qua tỉ số SNR của tín hiệu thu ởmáy đích và dung lượng kênh trong hệ thống Phần 2 của chương trình bày về hệthống MIMO hợp tác kiểu AF khi các máy thu phát có nhiều anten Phần cuối là vấn

đề ước lượng kênh truyền trong mạng hợp tác khi có sử dụng chuỗi huấn luyệnkênh

Kỹ thuật truyền thông MIMO có nhiều ưu điểm được sử dụng rộng rãi trong hệthống truyền thông hiện nay nhờ khai thác tốt tính phân tập không gian nhưng yêucầu các máy thu phát phải có nhiều anten Trong thực tế, vì những hạn chế của kíchthước, năng lượng và chi phí của thiết bị vô tuyến, đặc biệt là thiết bị cầm tay diđộng, nên việc đặt nhiều anten vào thiết bị là không tối ưu Ngoài ra, truyền sóng vôtuyến có đặc tính tự nhiên là phát quảng bá (broadcast), khi máy nguồn (source)phát tín hiệu cần truyền đến máy đích (destination) thì một thiết bị thứ 3 nào đótrong không gian lan truyền tín hiệu vẫn nhận được tín hiệu do máy đích phát ra vàxem nó là can nhiễu Nếu máy thứ 3 có thể thực hiện một vài xử lý tín hiệu đối vớitín hiệu thu được và phát chuyển tiếp đến máy đích giúp máy đích có thể nhận đượcmột phiên bản khác của tín hiệu được truyền, khi đó máy thứ 3 được gọi là máychuyển tiếp (relay) như trong Hình 2.1 Hệ thống truyền thông có phương thức hợptác truyền tín hiệu giữa các máy như trên còn gọi là truyền thông hợp tác

Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông hợp tác Trong mạng hợp tác, máy relay có thể phát lại một bản sao tín hiệu được truyền bởimáy nguồn nên tạo ra một mảng anten ảo Tương tự như mảng anten vật lý, mảnganten ảo cũng có thể chống lại hiện tượng fading đa đường vì máy đích cũng thuđược nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu được truyền ở máy nguồn như trong hệthống phân tập không gian, do đó có thể tăng chất lượng hệ thống truyền thông Trong phần này, ta phân tích hiệu quả hợp tác qua thông số SNR tín hiệu thu ở máyđích và dung lượng kênh của hệ thống hợp tác kiểu AF, DF Hệ thống có một máynguồn, một máy relay và một máy đích, mỗi máy chỉ có một anten được minh họanhư trong Hình 2.2, trong đó P P s, rlà công suất phát tương ứng của máy nguồn vàmáy relay Kênh truyền giữa các máy là kênh fading có nhiễu AWGN nên mô hìnhtín hiệu thu phát như Công thức (1.2) của chương 1 Quá trình truyền hợp tác đượcthực hiện qua hai pha trực giao, mỗi pha có thể sử dụng khe thời gian khác nhautrong TDMA hoặc dùng các kênh tần số khác nhau trong FDMA để tránh can nhiễugiữa 2 pha

Hình 2.2: Hệ thống hợp tác có một máy relay Pha 1: máy nguồn phát tín hiệu đến máy đích, vì tính chất phát quảng bá nên máyrelay cũng thu được tín hiệu này Tín hiệu thu được ở 2 máy lần lượt là :

y sd = P h x s sd + w sd (2.1) y sr = P h x s sr + w sr (2.2)

Pha 2 : máy relay thực hiện xử lý tín hiệu cho tín hiệu y sr thu được từ máy nguồntrong pha 1, sau đó giúp máy nguồn chuyển tiếp đến máy đích Tín hiệu thu được ởmáy đích trong pha 2 :

y rd = P h Q y r rd( sr) + wrd (2.3) trong đó Q y( sr ) là tín hiệu y sr được xử lý ở máy relay phụ thuộc vào kiểu hợp tácđược sử dụng Các hệ số h sd , h sr và h rd lần lượt là hệ số kênh truyền giữa máy nguồn-máy đích (kênh s-d), máy nguồn-máy relay (kênh s-r) và máy relay-máy đích (kênhr-d), có dạng là các biến phức ngẫu nhiên Gaussian có trung bình bằng 0 và phươngsai η η ηsd2 , sr , rd2 Các nhiễu w sd ,w sr ,w rd là các biến phức ngẫu nhiên Gaussian cótrung bình bằng 0 và phương sai σ σ σsd2 , sr , rd2 , giả sử

σ σ σsd2 = sr2 = rd2 = N0

2.1.1 Kiểu hợp tác AF (Amplify-and-Forward)

Đây là kiểu hợp tác trong đó máy relay thực hiện khuếch đại tín hiệu thu từ máy nguồn và chuyển tiếp tín hiệu sau khuếch đại đến máy đích, như trong Hình

2.3 Có thể xem kiểu hợp tác AF là kiểu đơn giản nhất vì việc xử lý tín hiệu thu được ở máy relay không cần phải thực hiện việc giải mã hay giải điều chế tín hiệu, máy relay không cần biết tín hiệu thu từ máy nguồn là gì, định dạng như thế nào màviệc xử lý tín hiệu chỉ là khuếch đại tín hiệu thu được để bù lại sự suy giảm tín hiệu

do kênh truyền giữa máy nguồn và máy relay gây ra Vấn đề là máy relay phải tính toán hệ số khuếch đại sao cho tín hiệu được nó truyền đến máy đích có công suất ổnđịnh và bằng với công suất của tín hiệu phát từ máy nguồn, để khôi phục chính xác tín hiệu ở máy đích

Tín hiệu truyền từ máy nguồn đến máy relay bị suy hao do kênh truyền fading gây

ra Máy relay thực hiện khuếch đại tín hiệu để bù lại mức suy hao đó Hệ số khuếchđại F được tính bởi [5]:

h sr , giá trị F được tính dựa trên trị thống kê của h sr :

Hình 2.3: Kiểu hợp tác AF

F = 1 (2.5)

P s srη2 +N0Trong trường hợp này, F được cố định trong suốt quá trình truyền tất cả các symboltín hiệu, gọi là hệ số khuếch đại cố định So với trường hợp dùng hệ số khuếch đạitức thời, trường hợp hệ số khuếch đại cố định cho hiệu quả thấp hơn nhưng giảmđược yêu cầu tính toán cho máy relay vì không cần phải ước lượng kênh

Trong trường hợp máy relay dùng hệ số F tức thời, vì được khuếch đại bởi hệ số Fnên tín hiệu phát bởi máy relay có công suất ổn định trong suốt quá trình truyền hợptác Nếu P s = P r thì công suất của tín hiệu phát ở máy relay bằng với công suất củatín hiệu được phát bởi máy nguồn Khi đó tín hiệu máy đích nhận được trong pha 2

do máy relay truyền đến:

y rd =h y rd sr + w rd′

Một nhược điểm của kiểu hợp tác AF là khi khuếch đại tín hiệu y sr cũng khuếch đại

cả nhiễu trong nó và nhiễu này cũng được truyền tới máy đích Do đó, nhiễu trongtín hiệu máy đích nhận từ máy relay chính là:

2 0

N0′ =  P h s sr 2 + N0 +1N0 (2.8) Như vậy máy đích thu được 2phiên bản tín hiệu từ máy nguồn và máy relay truyền đến trong 2 khe thời gian khácnhau Máy đích có thể sử dụng một bản tín hiệu để khôi phục tín hiệu gốc nhưngnhư vậy không khai thác được tính phân tập trong hệ thống Thay vào đó, máy đíchdùng một kỹ thuật kết hợp tín hiệu để kết hợp 2 phiên bản tín hiệu trên trước khiđưa vào bộ tách tín hiệu để tăng cường chất lượng khôi phục tín hiệu Phương phápkết hợp MRC được dùng vì nó cho tín hiệu tổng hợp có tỉ số SNR lớn nhất trongcác phương pháp kết hợp tuyến tính

Giả sử máy đích biết được các hệ số kênh truyền h sr , h sd và h rd bằng cách ước lượngkênh truyền Bộ kết hợp MRC kết hợp tuyến tính tín hiệu thu từ máy nguồn và máyrelay nên theo Công thức (1.15), tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp MRC là:

y d = a y 1 sd + a y 2 rd trong đó a a1, 2 được chọn sao cho cực đại tỉ số SNR của tín hiệu yd:

r

rd sr

2 γ γsr + rd +1với γsr = P h s sr 2 / N0,γrd = P h r rd 2 / N0 Dung lượng kênh của hệ thống truyền thông hợp tác kiểu AF là một hàm của các hệ số kênh truyền:

C AF MRC() = log 12 ( +γAF MRC( ) ) (2.14)

Có phép chia 2 vì một nữa băng thông trong hệ thống phải được dành cho kênhtruyền giữa máy relay và máy đích Xác suất hiện tượng outage của hệ thống là [5]:

Pout R( )= Pr(C AF MRC() < R)

1  22R −122R −1 22R −1 (2.15)

= 2 γsd  γsr + γrd 

với γsr = P sηsr / N0,γsd = P sηsd2 / N0,γrd = P rηrd2 / N0 Vì xác suất outage giảm với tỉ

lệ ( )γ −2 nên kiểu hợp tác AF có độ lợi phân tập bằng 2

Trong trường hợp máy nguồn và relay có các thông tin kênh truyền, công suất phátđược tính tối ưu để cực đại tốc độ truyền tin trong hệ thống Giả sử tổng công suấtphát của máy nguồn và relay được giới hạn bởi P s + P r ≤ 2P, khi đó Ps, Pr

2121

sr

sr

sr rd rd

2

2 2 2

21

h h P h

2P P, r = 0 Trường hợp không có CSI ở máy nguồn và máy relay thì công suấtphát thường được gán bằng nhau cho cả hai máy

Kiểu hợp tác AF có ưu điểm là đơn giản trong xử lý tín hiệu thu ở máy relay, nhưngmột nhược điểm là hiệu quả băng thông thấp Vì máy relay luôn chuyển tiếp tín hiệuđến máy đích nên băng thông của hệ thống được chia ra cho máy nguồn và máyrelay, do đó hiệu quả băng thông kênh truyền trong hệ thống hợp tác kiểu AF này bịgiảm đi, làm giảm tốc độ chung của hệ thống như thể hiện trong Công thức (2.14)

Rõ ràng khi kênh truyền giữa máy nguồn và máy đích đủ tốt để máy đích khôi phụcđúng dữ liệu từ bản tín hiệu nhận được ở pha 1, khi đó bản tín hiệu nhận được từmáy relay trong pha 2 là không cần thiết Để khắc phục nhược điểm này, kiểu hợptác AF cải tiến (Incremental AF) chỉ thực hiện pha 2 khi nhận được thông tin quakênh hồi tiếp từ máy đích rằng không thể giải mã đúng bản tin trong pha 1, do đóbăng thông ít bị lãng phí [9]

Hình 2.4 cho ta biểu đồ so sánh giá trị xác suất outage theo tỉ số SNR của hệ thốnghợp tác có một máy nguồn, một máy relay và một máy đích, dùng kiểu hợp tác AF

cơ bản, kiểu AF cải tiến và không có truyền hợp tác Các máy thu phát đơn anten,máy relay cách đều máy nguồn và máy đích (đây được xem là vị trí tối ưu của máyrelay trong hệ thống) Trong các kiểu hợp tác, máy relay và máy đích được giả sử làbiết thông tin trạng thái kênh truyền CSI, công suất được phân bố tối ưu (OPA) như

Công thức (2.17) và (2.18) Tuy các kiểu hợp tác AF cơ bản và cải tiến điều có cùng

độ phân tập (bằng 2) nhưng kiểu AF cải tiến cho ta kết quả tốt hơn

Hình 2.4: So sánh xác suất outage của các kiểu hợp tác AF [5]

khoảng 3dB do hiệu quả sử dụng băng thông cao hơn Nếu kênh truyền giữa máynguồn và máy đích tốt thì trong kiểu AF cải tiến, toàn bộ băng thông kênh truyềnđược dùng để truyền tin trong pha 1 và không phải dành băng thông cho pha 2,trong khi đó kiểu AF cơ bản vẫn chia băng thông cho máy relay nên giảm hiệu quả

sử dụng băng thông Trong hệ thống hợp tác có nhiều máy relay, mã hóa STBCtrong hệ thống MIMO truyền thống có thể được dùng ở máy nguồn và máy relaynhưng phương pháp mã hóa sẽ được thay đổi để phù hợp với trường hợp mảnganten ảo, phân tán theo vị trí của các máy relay, được gọi là mã hóa STBC phân tán(DSTBC - Distributed Space-Time Code) [5]

Hình 2.5 là kết quả so sánh hiệu quả hệ thống hợp tác trường hợp không có kết hợptín hiệu và có kết hợp tín hiệu bởi MRC ở máy đích Máy relay cách đều máy nguồn

và máy đích, công suất được phân gán bằng nhau cho máy relay và máy nguồn

Nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu thu ở máy relay và máy đích giả sử có phương saibằng nhau Máy relay tạo nên mảng anten ảo và máy đích kết hợp tín hiệu từ pha

Hình 2.5: So sánh hiệu quả truyền hợp tác AF đơn anten khi có và

không có kết hợp tín hiệu ở máy đích

1 và pha 2 nên khai thác được tính phân tập ở máy đích, có độ phân tập bằng 2tương tự trường hợp máy đích có 2 anten trong hệ thống MIMO Kết quả là cảithiện đáng kể hiệu quả truyền tin so với trường hợp không có kết hợp

2.1.2 Kiểu hợp tác DF (Decode-and-Forward)

Trong kiểu hợp tác này, hệ thống cũng thực hiện quá trình hợp tác thông qua 2 phatruyền trực giao như Hình 2.6 Pha 1 do máy nguồn phát tín hiệu đến máy đích vàmáy relay cũng thu được tín hiệu này Trong pha 2, máy relay thực hiện xử lý tínhiệu nhận từ máy nguồn bằng cách giải mã, mã hóa lại và sau đó chuyển tiếp đếnmáy đích Giả sử kênh truyền flat-fading nên tín hiệu thu được ở máy relay và máyđích trong pha 1 giống như Công thức (2.1) và (2.2) Việc giải mã có thể bị sai vàkhi đó, tín hiệu máy relay truyền đến máy đích là vô nghĩa và ảnh hưởng mạnh đếnkết quả khôi phục tín hiệu Theo Công thức (1.6) trong chương 1, để máy relay giải

mã đúng bản tin, tốc độ truyền ở máy nguồn phải nhỏ hơn dung lượng kênh truyềngiữa máy nguồn và máy relay Nếu tốc độ truyền trung bình của cả hệ thống

Hình 2.6: Kiểu hợp tác DF

là R thì tín hiệu x cần truyền phải được mã hóa ở tốc độ 2R vì nó được truyền 2 lần,một lần ở máy nguồn và một lần ở máy relay Do đó, điều kiện để máy relay giải mãđúng tín hiệu x là:

2R≤Csr trong đó C sr là dung lượng của kênh s-r, được cho bởi:

(2.20)

C sr = log2 (1+γsr ) (2.21) với γsr = P h s sr 2 / N0 Trong phần này, giả sử điều kiện (2.20) thỏa mãn và máy relaygiải mã đúng tín hiệu, sau đó dùng bộ từ mã giống máy nguồn để mã hóa lại tín hiệunên tín hiệu phát ở máy relay là x r = x

Tín hiệu thu được ở máy đích trong pha 2:

y d = a y 1 sd + a y 2 rd (2.24) trong đó a a1, 2 được chọn: a1 = P h s sd* , a2 = P h r rd* Tỉ số SNR của tín hiệu ngõ ra

Như vậy tốc độ truyền của máy nguồn trong hệ thống hợp tác kiểu DF phải đủ nhỏ

để có thể giải mã đúng bản tin ở máy relay và ở máy đích Từ Công thức (2.21) và(2.26), ta có dung lượng kênh tối đa (hay tốc độ R) của hệ thống dùng kiểu DF là:

C DF MRC() = 1

2 min log2 (1+γsr ),log2 (1+γ γsd + rd ) (2.27)

Do đó, xác suất outage của hệ thống hợp tác kiểu DF khi gía trị SNR lớn được chobởi:

P P s , r

Phuơng trình (2.29) đạt cực đại khi P s + P r = 2P Nếu kênh s-d tốt hơn kênh r-d,tức là | h sd |2≥| h rd |2, thì không cần thiết phải có máy relay, khi đó P r = 0,P s = 2P Ngược lại, khi | h sd |2<| h rd |2 , ta có công thức tính Ps và Pr tối ưu [5]:

Từ Công thức (2.28) ta thấy xác suất outage tỉ lệ nghịch với SNR nên kiểu hợp tác

DF chỉ có độ phân tập bằng 1 vì máy relay phải giải mã đúng bản tin trước khitruyền nó đến máy đích Tuy nhiên kiểu DF có ưu điểm so với AF là nó giảm đượcảnh hưởng của nhiễu ở máy relay Tín hiệu gởi đến máy đích từ máy relay khôngcòn nhiễu của kênh truyền s-r Nhưng nếu relay giải mã sai bản tin nhận được trongpha 1, tín hiệu gởi đến máy đích trong pha 2 là vô nghĩa và bị xem như nhiễu nên taphải giới hạn tốc độ truyền để máy relay giải mã đúng bản tin Đây là một nhượcđiểm của kiểu DF này Kiểu hợp tác DF chọn lựa (Selection DF) khắc phục hiệntượng trên bằng cách máy nguồn biết được máy relay giải mã đúng bản tin haykhông Nếu relay giải mã đúng nó sẽ chuyển tiếp đến máy đích, nếu sai

Hình 2.7: So sánh xác suất outage của các kiểu hợp tác DF [5]

máy nguồn sẽ truyền lại tín hiệu cần truyền đến máy đích trong pha 2 mà không có

sự hợp tác của máy relay Kiểu hợp tác này có độ phân tập bằng 2 vì băng thôngkênh truyền không phải phân bố cho máy relay khi nó giải mã sai

Hình 2.7 cho ta biểu đồ so sánh xác suất outage theo tỉ số SNR của hệ thống cóthông số như Hình 2.4, nhưng dùng kiểu hợp tác DF thông thường, kiểu DF chọn

lựa và không có truyền hợp tác Các máy thu phát đơn anten, máy relay cách đềumáy nguồn và máy đích, là vị trí tối ưu của máy relay trong hệ thống Công suấtđược phân bố tối ưu như Công thức (2.30) Ta thấy kiểu hợp tác DF chọn lựa chokết quả tốt hơn so với kiểu DF thông thường vì nó có độ phân tập lớn hơn So vớikiểu AF như trong Hình 2.4, kiểu mã hóa DF có hiệu quả thấp hơn vì phải giới hạntốc độ để cả máy relay và máy đích giải mã đúng bản tin

số thực, số nhị phân Trong khi đó, kiểu hợp tác mã hóa là một dạng của kiểu hợptác DF, nhưng dùng kiểu mã hóa khác Vì trong kiểu DF máy relay và máy nguồn

sử dụng chung một từ mã hóa để mã hóa tín hiệu nên một từ mã được truyền 2 lần

và kết quả là hiệu quả băng thông bị giảm một nữa Để khắc phục nhược điểm này,kiểu hợp tác mã hóa sử dụng một từ mã có symbol kiểm tra chẵn lẽ được chia ra cho

cả hai pha truyền của mạng hợp tác Giả sử từ mã có chiều dài N, N1 từ mã đầu tiên

mã hóa tín hiệu cần truyền và N2 = N – N1 từ mã còn lại chứa các symbol kiểm trachẵn lẽ cho tín hiệu đã mã hóa Trong pha 1, máy nguồn truyền N1 symbol đầu tiênđến máy relay và máy đích Phần thứ hai của từ mã được truyền trong pha 2 bởimáy nguồn hoặc máy relay tùy theo kết quả giải mã của máy relay

Giả sử máy nguồn biết thông tin kênh s-r nên biết được máy relay có giải mã đúngtín hiệu hay không Nếu máy relay giải mã thành công tín hiệu nhận được từ pha 1,

nó sẽ tính N2 từ mã còn lại và truyền đến máy đích Điều kiện để máy relay giải mãđúng tín hiệu cũng tương tự như trong kiểu hợp tác DF Ngược lại, nếu máy relay

không thể giải mã tín hiệu thu trong pha 1 nên không thể tính chính xác N2 từ mãcòn lại, khi đó máy nguồn sẽ gởi N2 từ mã còn lại đến máy đích mà không cần hợptác từ máy relay Như vậy, sau 2 pha truyền máy đích thu được đầy đủ N từ mã từmáy nguồn và máy relay Vì khi máy relay giải mã sai tín hiệu sẽ không thực truyềntrong pha 2 nên kiểu hợp tác mã hóa có hiệu quả sử dụng băng thông cao hơn so vớikiểu hợp tác DF

Các phần trước cho thấy kỹ thuật hợp tác giữa các máy thu phát chỉ có một antenvẫn có thể khai thác được tính phân tập không gian ở máy đích Kỹ thuật hợp tác cóthể được áp dụng trong các hệ thống hiện có, trong đó máy relay có thể là các

Hình 2.8: Mô hình MIMO hợp tác trạm gốc (BS – Base Station) hoặc máy di động (MS – Mobile Station) có nhiềuanten thu phát sóng, tạo nên một kênh truyền MIMO giữa các máy Một máy relay

có thể phục vụ cho nhiều người dùng và mở rộng vùng phủ sóng của hệ thống Taxem xét hệ thống MIMO hợp tác có một máy nguồn, một máy relay và một máyđích, mỗi máy có nhiều anten như Hình 2.8 Nếu kiểu hợp tác là DF thì máy relaythực hiện giải mã tín hiệu từ máy nguồn và mã hóa lại, nên có thể xem kênh giữacác máy nguồn, máy relay và máy đích cũng tương tự như kênh MIMO truyềnthống, có thể sử dụng các kỹ thuật khai thác tính phân tập không gian cho từngkênh Trong phần này, ta xem xét hệ thống hợp tác kiểu AF, máy relay chỉ khuếchđại tín hiệu và chuyển tiếp nó đến máy đích mà không thực hiện giải mã hay mã hóatín hiệu, và cách thiết kế hệ số F tối ưu cho máy relay