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 CHƯƠNG TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 1.1 Kênh truyền fading kỹ thuật phân tập 1.1.1 Kênh truyền dẫn fading 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 .24 CHƯƠNG 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 hệ thống truyền thông hợp tác .49 Trang 2.4 Tóm tắt chương .53 CHƯƠNG 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 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 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 .71 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BSS TRONG HỆ THỐNG MIMO HỢP TÁC 72 4.1 Ước lượng kênh hệ thống MIMO hợp tác 72 4.2 Uớc lượng mù kênh truyền máy relay 74 4.3 Kết mô 76 4.3.1 Thông số mô 76 4.3.2 Có kênh truyền trực tiếp 77 4.3.3 Không có kênh trực tiếp 84 4.4 Tóm tắt chương .88 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .90 Trang MỞ ĐẦU Hệ thống truyền thông hợp tác nghiên cứu vài năm gần khai thác tính phân tập không gian máy thu phát có anten, giảm kích thước, độ phức tạp chi phí cho thiết bị Đây kỹ thuật truyền thông không dây, cho phép người dùng hoạt động trạm chuyển tiếp (máy relay) hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác Tùy theo cách máy relay thực xử lý chuyển tiếp tín hiệu đến máy đích mà ta có kiểu hợp tác khác nhau, kiểu hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp (AF Amplify-and-Forward) xem đơn giản máy relay thực khuếch đại tín hiệu sau truyền đến máy đích Tùy theo hệ số khuếch đại mà kiểu AF chia thành hai loại: AF có hệ số khuếch đại cố định AF có hệ số khuếch đại biến thiên Kiểu AF dùng hệ số khuếch đại biến thiên cho hiệu tốt so với hệ số khuếch đại cố định tính theo hệ số kênh truyền máy nguồn máy relay (kênh s-r), đảm bảo tín hiệu máy relay truyền đến máy đích có công suất ổn định với công suất tín hiệu máy nguồn truyền [7] Trong hệ thống MIMO (Multiple - Input Multiple - Output ) hợp tác, theo tài liệu [1], thông tin kênh s-r cần có máy đích để khôi phục tín hiệu Do đó, đề tài nghiên cứu hệ thống hợp tác thường sử dụng cách ước lượng thông tin kênh s-r trực tiếp máy đích dựa vào chuỗi huấn luyện máy nguồn gởi [1],[2] Cách có ưu điểm máy nguồn không cần phải gởi chuỗi huấn luyện cho máy relay, tránh lỗi lượng tử chuyển thông tin kênh từ máy relay đến máy đích, tiết kiệm băng thông công suất truyền tín hiệu Tuy nhiên, thông tin kênh s-r ước lượng máy đích máy relay sử dụng hệ số khuếch đại cố định tính theo trị thống kê kênh truyền nên làm giảm hiệu hệ thống so với sử dụng hệ số biến thiên Do đề tài hướng đến thực ước lượng mù ma trận kênh truyền s-r máy relay mà không cần sử dụng chuỗi huấn luyện, thông tin kênh sau ước lượng sử dụng để tính hệ số khuếch đại biến thiên Trang Ước lượng mù ma trận kênh truyền ứng dụng kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS - Blind Source Separation) Mục tiêu đề tài áp dụng kỹ thuật BSS máy relay mạng MIMO hợp tác để ước lượng ma trận kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện Khi máy relay dùng hệ số khuếch đại biến thiên tính theo hệ số kênh truyền ước lượng nên cho hiệu tốt so với dùng hệ số khuếch đại cố định Luận văn trình bày theo chương sau: - Chương trình bày tượng fading truyền thông không dây kỹ thuật phân tập giảm ảnh hưởng tượng fading Kỹ thuật mã hóa STBC (Space-Time Block Code ) hệ thống MIMO trình bày để có khái niệm hệ thống MIMO hợp tác - Chương trình bày truyền thông không dây hợp tác với hai kiểu hợp tác phổ biến AF DF (Decode-and-Forward) Chương trình bày cách tính hệ số khuếch đại tối ưu hệ thống MIMO hợp tác kiểu AF vấn đề ước lượng kênh hợp tác máy đích dựa chuỗi huấn luyện kênh - Chương nội dung kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS) Nội dung chương ước lượng mù tín hiệu thực tín hiệu phức kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (ICA - Independent Component Analysis) thuật toán JADE - Chương thực ứng dụng kỹ thuật BSS để ước lượng mù kênh truyền máy relay hệ thống MIMO hợp tác Hai thuật toán ước lượng sử dụng FastICA JADE Phần cuối chương trình bày kết mô máy tính hiệu hệ thống MIMO hợp tác sử dụng kỹ thuật BSS Kết đề tài thể hiệu suất hệ thống MIMO hợp tác sử dụng kỹ thuật BSS máy relay Khi máy relay ước lượng ma trận kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện kênh, nên hệ số khuếch đại biến thiên dùng thay cho hệ số cố định để cải thiện hiệu suất cho hệ thống, nâng cao hiệu sử dụng băng thông nên đặc biệt hữu ích mạng truyền tin băng hẹp Trang thực tế Vì nhiều hạn chế nên đề tài không tránh thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến đánh giá, góp ý để hoàn thiện đề tài tốt Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chương trình bày lý thuyết truyền thông không dây kỹ thuật phân tập không gian hệ thống có nhiều anten thu phát Phần chương tóm tắt kênh fading đa đường kỹ thuật phân tập Nội dung phần phần kỹ thuật kết hợp phân tập kỹ thuật mã hóa dùng phân tập không gian máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten thu phát sóng Cuối tóm tắt hệ thống MIMO máy thu máy phát có nhiều anten 1.1 Kênh truyền fading kỹ thuật phân tập 1.1.1 Kênh truyền dẫn fading Trong hệ thống truyền thông không dây, tín hiệu lan truyền không gian gần mặt đất tầng khí nên bị ảnh hưởng vật thể xung quanh môi trường lan truyền Tín hiệu lan truyền từ máy phát đến máy thu theo nhiều đường khác nên gây thay đổi pha, biên độ, góc đến tín hiệu máy thu, tượng gọi fading đa đường Đây nguyên nhân gây suy giảm đáng kể chất lượng thông tin nhận máy thu Kênh truyền fading phân loại thành kiểu khác nhau: fading chậm fading nhanh, fading phẳng fading lựa chọn tần số Nếu xét mặt thời gian, kênh truyền fading gọi kênh fading chậm thời gian symbol tín hiệu truyền nhỏ thời gian ổn định (coherent time) kênh truyền, ngược lại, kênh gọi kênh fading nhanh Trong kênh truyền fading chậm, kênh truyền ảnh hưởng giống đến số symbol nên sinh lỗi cụm, kênh fading nhanh ảnh hưởng khác đến symbol khác Xét mặt tần số, băng thông tín hiệu truyền nhỏ băng thông ổn định (coherent bandwidth) kênh truyền kênh gọi kênh fading phẳng (flat-fading) hệ thống gọi hệ thống băng hẹp, thành phần phổ tín hiệu bị ảnh hưởng kênh truyền Ngược lại, hệ thống băng rộng, băng thông tín hiệu truyền lớn băng thông ổn định kênh Trang truyền kênh gọi kênh fading lựa chọn tần số (frequency selective fading) [23] 1.1.1.1 Mô hình toán học Trong hệ thống truyền thông thực tế, tín hiệu người dùng máy phát chuyển đổi lên tần số sóng mang cho trước để truyền kênh vô tuyến máy thu chuyển tín hiệu lại dạng băng tần gốc (baseband) Việc chuyển đổi tần số tín hiệu không ảnh hưởng đến trình xử lý tín hiệu băng gốc máy phát máy thu nên để đơn giản, tín hiệu biểu diễn dạng băng gốc Mô hình băng gốc thời gian rời rạc (discrete-time baseband equivalent model) biểu diễn tín hiệu băng gốc dạng mẫu rời rạc theo thời gian Giả sử kênh truyền flatfading, x n[ ] tín hiệu truyền thứ n, h n[ ] hệ số kênh truyền x n[ ], hệ thống bị ảnh hưởng nhiễu AWGN (Additive White Gaussian Noise) w[n] có trị trung bình phương sai σw2 Công thức toán học biểu diễn tín hiệu thu y n[ ] qua kênh truyền flat-fading biểu diễn sau [5]: y n[ ]= Ph n x n[ ] [ ]+ w n[ ] (1.1) P công suất máy phát Vì kênh truyền biến đổi ngẫu nhiên nên hệ số kênh truyền h n[ ] biến ngẫu nhiên, có phân bố theo nhiều mô hình khác Trong môi trường truyền dẫn đa đường đường truyền thẳng (LOS), kênh fading đa đường xem tập hợp đường NLOS độc lập Theo định lý giới hạn trung tâm, hệ số kênh fading số ngẫu nhiên phức có phần thực ảo biến ngẫu nhiên Gaussian có trị trung bình 0, phương sai ηh2 Biên độ kênh h n( ) có phân bố Rayleigh pha φ( )n =∠h n( ) phân bố điều (0, 2π) Kênh truyền trường hợp gọi kênh Rayleigh fading Trong trường hợp kênh truyền máy phát máy thu có đường truyền thẳng gọi kênh Rician fading Trang 1.1.1.2 Dung lượng kênh fading Kênh truyền dẫn phương tiện mang thông tin từ máy phát đến máy thu nên khả mang thông tin yếu tố quan trọng Dung lượng kênh đại lượng thể khả mang tin kênh truyền dẫn, định nghĩa tốc độ truyền tin máy phát máy thu lớn mà đảm bảo xác suất tín hiệu thu bị lỗi mức nhỏ tùy ý Một hệ thống truyền thông có dung lượng kênh lớn tốc độ truyền tin cao, lượng thông tin truyền nhiều đơn vị thời gian Chất lượng kênh truyền thay đổi ngẫu nhiên nên dung lượng kênh biến ngẫu nhiên Ta xét kênh truyền flat-fading, tín hiệu thu có mô hình toán học Công thức (1.1) viết lại cách tổng quát sau: y = Phx + w (1.2) x tín hiệu ngõ vào kênh truyền có giới hạn công suất E x[| | ]2 ≤ 1, P công suất máy phát Giả sử máy thu phát biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền (CSI - Channel Sate Information), tức biết hệ số kênh truyền h, dung lượng kênh tính [5]: P h 2 + C = log2 1 2 σw ( (1.3) ) = log2 1+SNR h Nếu kênh truyền biến thiên theo trình ngẫu nhiên ergodic, máy phát CSI, dung lượng kênh truyền tính theo trị trung bình, gọi dung lượng ergodic: ( C= Eh log SNR2 ) +h2 (1.4) Trang Ta dễ dàng thấy dung lượng kênh tỉ lệ thuận với tỉ số công suất tín hiệu so với nhiễu (SNR - Signal-to-Noise Ratio) Tín hiệu thu có công suất lớn so với nhiễu, hay nói cách khác hệ thống truyền thông khử nhiễu tốt, dung lượng kênh lớn Ngoài đại lượng dung lượng kênh truyền, đại lượng dung lượng outage đại lượng phổ biến đánh giá hiệu hệ thống truyền tin với kênh truyền fading Outage tượng liệu khôi phục thành công máy thu Dung lượng outage xác định theo xác suất xảy tượng outage Nếu tốc độ truyền tin hệ thống có kênh truyền flat-fading R tượng outage xảy R lớn dung lượng kênh truyền: log (12 +SNR h ) < R (1.5) Do đó, xác suất xảy tượng outage : Pout R( ) = Pr log ( (1+SNR h ) < R) 2 (1.6) ( ) = Pr SNR h < 2R −1 Với kênh truyền Rayleigh fading, đường bao hệ số kênh truyền có phân bố Rayleigh nên xác suất outage [5]: − Pout R( ) 1= −exp 2R −1 SNRηh2 (1.7) Như vậy, để đảm bảo tín hiệu khôi phục máy thu ta phải truyền tín hiệu với tốc độ thỏa mãn tượng outage không xảy ra, độ truyền hệ thống không lớn dung lượng kênh truyền Trang 10 1.1.2 Các kỹ thuật phân tập Hiện tượng fading ảnh hưởng mạnh đến chất lượng truyền tin hệ thống nên để hạn chế ảnh hưởng nó, phương pháp đơn giản tăng thêm lượng công suất phát, gọi khoảng dự trữ fading, để bù lại suy giảm tín hiệu Một phương pháp phổ biến khác sử dụng kỹ thuật phân tập Kỹ thuật phân tập tăng hiệu truyền tin cho hệ thống cách truyền độc lập nhiều tín hiệu kênh truyền đa đường, xác suất xảy tất tín hiệu truyền bị suy giảm mạnh fading giảm đáng kể nên hiệu khôi phục tín hiệu cao Việc truyền nhiều tín hiệu thực miền thời gian, tần số không gian Phân tập thời gian: tín hiệu truyền lặp lại khe thời gian cách khoảng dài độ thời gian ổn định kênh Kỹ thuật mã hóa kênh kết hợp với đan xen phương pháp phân tập thời gian Phân tập thời gian có hiệu với kênh fading nhanh môi trường có tính di động cao máy thu phát đó, thời gian ổn định kênh nhỏ Trong trường hợp kênh fading chậm phân tập thời gian hiệu độ trễ (khoảng cách) lần truyền lớn Phân tập tần số: tín hiệu truyền sóng mang có tần số khác cách khoảng lớn khoảng băng thông ổn định kênh để kênh độc lập Rõ ràng kỹ thuật làm giảm hiệu sử dụng băng thông hệ thống Phân tập không gian: sử dụng máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten, nên gọi phân tập anten, tín hiệu truyền anten khác Các anten đặt cách khoảng cách đủ xa tùy theo bước sóng (λ) sóng mang môi trường truyền dẫn Trong môi trường có nhiều tán xạ gần mặt đất, khoảng cách anten máy di động thường λ/2 đến λ trạm cố định (base station) khoảng 10λ Trang 77 vào tỉ số SNR Máy đích có thông tin kênh truyền, tín hiệu đồng hoàn toàn nhiễu ISI khử kỹ thuật cân Chương trình mô thực phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp Monte-Carlo với 1000 vòng lặp để tính trung bình BER NMSE (Normalized Mean Square Error) cho giá trị SNR Kết thể biểu đồ BER theo tỉ số SNR tín hiệu tỉ lệ lỗi NMSE độ lớn ma trận kênh ước lượng Hˆ ma trận kênh thực tế H 4.3.2 Có kênh truyền trực tiếp Tín hiệu máy đích thu từ kênh trực tiếp (kênh máy nguồn máy đích) dùng để kết hợp tuyến tính với tín hiệu thu từ kênh hợp tác Công thức (2.9), tín hiệu sau kết hợp dùng để ước lượng tín hiệu gốc Hình 4.1 4.2 kết mô BER NMSE tín hiệu điều chế QPSK có độ dài N = 512, thuật toán FastICA dựa hàm logarithm G y( ) = log(a + y) máy relay cách máy nguồn máy đích, tức dsd =1,dsr = drd = 0.5 Kết cho thấy hệ thống sử dụng BCE để ước lượng kênh s-r cho hiệu tương đương với hiệu thông tin kênh s-r biết xác máy relay, tốt khoảng 1-2dB so với trường hợp dùng hệ số khuếch đại F cố định Theo Hình 4.2 ta thấy tỉ số SNR lớn khoảng 24dB NMSE thay đổi không đáng kể, tức nhiễu không ảnh hưởng đáng kể đến kết ước lượng thuật toán Bảng 4.1 giá trị BER theo tỉ số SNR, cho thấy sai số giá trị F tính theo CSI thực tế CSI ước lượng mù nhỏ vấn đề biên độ ICA giải Khi hệ số F tức thời tính theo hệ số kênh ước lượng máy relay trì công suất tín hiệu phát máy relay ổn định với công suất tín hiệu từ máy nguồn, hệ số F cố định đảm bảo công suất trung bình trì công suất tức thời bị biến thiên theo thay đổi kênh truyền, ảnh hưởng đến kết khôi phục tín hiệu máy đích Trang 78 Hình 4.1: BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK N=512 Hình 4.2: NMSE hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK N=512 Trang 79 Bảng 4.1: Giá trị BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK N=512 SNR(dB) 10 12 14 16 18 20 Perfect 0.1796 0.1106 0.0597 0.0281 0.0114 0.0041 0.0012 0.0003 0.0001 0 CSI Statistical 0.1889 0.1205 0.0683 0.0344 0.0153 0.0064 0.0024 0.0008 0.0003 0.0001 CSI ICAbased 0.1837 0.1114 0.0596 0.0281 0.0114 0.0041 0.0012 0.0003 0.0001 0 CSI Hình 4.3 thực có thông số giống Hình 4.1 sử dụng điều chế BPSK Kết cho thấy sử dụng BCE để ước lượng kênh truyền s-r cho hiệu tốt so với dùng thông tin thống kê, tương tự dùng điều chế QPSK Khi dùng thuật toán FastICA hàm bình phương G y( )= y2 / 2, thông số giống Hình 4.1 để ước lượng kênh, kết Hình 4.4 cho thấy ước lượng tốt thời gian tính so với FastICA dùng hàm logarithm Hình 4.3: BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế BPSK N=512 Trang 80 Hình 4.4: BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm bình phương, điều chế QPSK N=512 Ảnh hưởng chiều dài tín hiệu Vì thuật toán BSS sử dụng tính thống kê tín hiệu nên chiều dài tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ước lượng Nếu chuỗi tín hiệu thu có nhiều mẫu phép đo trị trung bình xác Hình 4.5 biểu diễn ảnh hưởng chiều dài tín hiệu đến hiệu suất hệ thống MIMO hợp tác dùng BCE máy relay, có kết hợp tín hiệu thu từ pha máy đích Thuật toán FastICA dùng hàm logarithm sử dụng để ước lượng mù kênh s-r máy relay, tín hiệu điều chế QPSK máy relay cách máy nguồn máy đích Kết cho thấy trường hợp N=512 cho hiệu BER tốt chênh lệch không đáng kể so với giá trị khác Hình 4.6 cho ta tỉ số NMSE theo giá trị N, trường hợp N=512 cho ta hiệu tốt so với trị lại Với N=10, tỉ số NMSE dao động khoảng 0.1 chứng tỏ sai số uớc lượng kênh truyền lớn Khi tăng chiều dài lên N=100 N=512 ước lượng kênh xác So với tường hợp N=100, NMSE N=512 tốt hẳn từ bảng 4.2 cho thấy N lớn giá trị 100 BER không cải thiện nhiều có kết hợp tín hiệu máy đích, chất lượng khôi Trang 81 phục tín hiệu cải thiện nhờ tín hiệu thu từ máy nguồn pha Do đó, trường hợp máy đích có dùng tín hiệu thu từ kênh trực tiếp, chiều dài N khoảng 100 chọn mà đảm bảo chất lượng để giảm khối lượng tính toán cho thuật toán Nếu chiều dài N 10 không đủ để đạt tỉ số BER tốt Bảng 4.2: Giá trị BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N SNR(dB) 10 12 14 16 18 20 N=10 0.1344 0.1004 0.0644 0.0338 0.0252 0.0166 0.0160 0.0104 0.0150 0.0080 0.0114 N=100 0.0810 0.0423 0.0196 0.0074 0.0026 0.0012 0.0004 0.0003 0.0002 0 N=256 0.0810 0.0418 0.0194 0.0084 0.0031 0.0011 0.0003 0.0001 0 N=512 0.0776 0.0393 0.0170 0.0067 0.0022 0.0008 0.0003 0.0001 0 Hình 4.5: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N Trang 82 Hình 4.6: So sánh NMSE hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N Hình 4.7: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng thuật toán JADE, điều chế QPSK theo giá trị N Trang 83 Hình 4.7 kết sử dụng thuật toán JADE, thông số tương tự Hình 4.5 Kết cho thấy chiều dài tăng cho tỉ số BER tốt thuật toán JADE ước lượng nhanh so với thuật toán FastICA Ảnh hưởng sai số ước lượng kênh máy đích Trong phần mô trên, ta giả sử máy đích có thông tin xác kênh truyền Trong thực tế, trình ước lượng kênh có lỗi định, lỗi ảnh hưởng đến chất lượng khôi phục tín hiệu Lỗi ước lượng cho [8]: e = H − Hˆ (4.5) ˆ đóH ma trận kênh thực tế, H ma trận kênh ước lượng e ma trận lỗi có phân bố e ~ CN (0,σe2) với ee2 = E h[| | ]2 − E h[| | ]2 ˆ Hình 4.8: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK, N=512 theo lỗi ước lượng máy đích Trang 84 Hình 4.8 biểu diễn BER hệ thống thông tin kênh máy đích bị lỗi tương ướng với σe2 = 0.001, 0.01, 0.1 Ở máy relay sử dụng thuật toán FastICA với N=512, thông số khác giống thực Hình 4.1 Khi phương sai lỗi nhỏ, tức thông tin kênh ước lượng xác hiệu hệ thống cao Kết cho thấy phương sai lỗi 0.1 chất lượng hệ thống giảm khoảng 3dB so với trường hợp thông tin kênh ước lượng xác (σe2 = ) 4.3.3 Không có kênh trực tiếp Máy đích không sử dụng tín hiệu thu trực tiếp từ máy nguồn pha mà sử dụng tín hiệu Yrd thu từ kênh hợp tác pha để khôi phục tín hiệu Trong thực tế, máy đích thu tín hiệu Y sd từ kênh trực tiếp với máy nguồn định có sử dụng để khôi phục tín hiệu gốc hay không phụ thuộc vào chất lượng (tỉ số SNR) tín hiệu Ysd Ngưỡng định (threshold) dựa vào điều kiện xác suất xảy tượng outage kênh trực tiếp Hiệu hệ thống MIMO hợp tác AF trường hợp có dùng tín hiệu trực tiếp so sánh Hình 2.10, máy relay giả sử biết đầy đủ thông tin kênh s-r, kết có kết hợp tín hiệu cho hiệu tốt khoảng 34dB Trong phần này, ta khảo sát hiệu hệ thống MIMO hợp tác AF dùng kỹ thuật BSS máy relay để ước lượng mù kênh truyền s-r Việc ước lượng kênh s-r máy relay kỹ thuật BSS tương tự trường hợp có kết hợp tín hiệu thu trực tiếp hiệu BER hệ thống khác có tín hiệu máy đích thu pha dùng để khôi phục tín hiệu Hình 4.9 thể kết mô BER hệ thống MIMO hợp tác dùng tín hiệu thu từ kênh trực tiếp máy đích, tín hiệu điều chế QPSK, có độ dài N = 512, sử dụng thuật toán FastICA dựa hàm logarithm máy relay cách máy nguồn máy đích, tức dsr = drd = 0.5 Kết cho thấy hiệu sử dụng BCE máy relay gần với trường hợp máy relay biết xác Trang 85 Hình 4.9: BER hệ thống MIMO hợp tác AF kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK N=512 Hình 4.10: BER hệ thống MIMO hợp tác AF kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế BPSK N=512 Trang 86 thông tin kênh s-r Vì máy relay sử dụng hệ số khuếch đại biến thiên nên cho hiệu tốt khoảng 2-3dB so với trường hợp dùng hệ số cố định Hình 4.10 kết BER hệ thống dùng điều chế BPSK, thông số khác giống Hình 4.9 Kết cho thấy máy relay ước lượng mù ma trận kênh s-r để tính hệ số khuếch đại cho hiệu tốt khoảng 2dB so với dùng hệ số cố định So với hệ thống dùng QPSK, BPSK cho tốc độ liệu nhỏ ½ nên xác suất xảy tượng outage thấp Tuy nhiên, kỹ thuật BSS ước lượng dựa vào tính thống kê tín hiệu, tính phức tạp BSS không phụ thuộc vào cách điều chế tín hiệu máy phát Hay nói cách khác, phương pháp điều chế không ảnh hưởng đến thuật toán ước lượng mù, hệ thống dùng QPSK cho ta hiệu băng thông so với BPSK Từ Hình 4.9 4.10 so với trường hợp có dùng tín hiệu thu từ kênh trực tiếp máy đích, không sử dụng tín hiệu thu trực tiếp hệ thống không khai thác độ lợi phân tập từ mảng anten ảo máy nguồn máy đích Kết tốc độ giảm tỉ số BER trường hợp kết hợp chậm so với có kết hợp tín hiệu Ảnh hưởng chiều dài tín hiệu Tương tự trường hợp có kênh trực tiếp, chiều dài tín hiệu ảnh hưởng đến chất lượng kỹ thuật ước lượng mù kênh truyền s-r máy relay Hình 4.11 thể ảnh hưởng chiều dài N đến tỉ số BER hệ thống dùng FastICA hàm logarithm Theo đó, tín hiệu có chiều dài N=512 cho hiệu BER tốt khoảng 2-3dB so với trường hợp N=100, không cải thiện nhiều so với trường hợp N=256 Trường hợp kỹ thuật BSS dùng thuật toán JADE biểu diễn Hình 4.12 Kết cho thấy hiệu hệ thống tăng tăng N Khi N=512 hiệu BER cải thiện khoảng 2-3dB so với N=100 Khi N=10 hiệu BER thấp hai trường hợp, không đảm bảo chất lượng khôi phục tín hiệu hệ thống Trang 87 Hình 4.11: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF kênh trực tiếp, dùng FasICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N Hình 4.12: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF kênh trực tiếp, dùng thuật toán JADE, điều chế QPSK theo giá trị N Trang 88 Ảnh hưởng sai số ước lượng kênh máy đích Tương tự trường hợp có kết hợp tín hiệu, ta xét ảnh hưởng lỗi ước lượng kênh máy đích đến chất lượng hệ thống kết hợp tín hiệu Kết thể Hình 4.13, cho thấy sai số ước lượng kênh máy đích ảnh hưởng mạnh đến hiệu hệ thống Khi sai số có phương sai 0.1 chất lượng hệ thống giảm 6dB so với trường hợp máy đích ước lượng xác thông tin kênh truyền (σe2 = ) Hình 4.13: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF kênh trực tiếp, dùng FasICA hàm log, điều chế QPSK, N=512 theo lỗi ước lượng máy đích 4.4 Tóm tắt chương Chương trình bày vấn đề ước lượng kênh hệ thống MIMO hợp tác AF Kênh s-d r-d ước lượng máy đích phương pháp truyền thống Với kênh s-r, có cách ước lượng: ước lượng trực tiếp máy đích Trang 89 ước lượng máy relay chuyển tới máy đích dạng lượng tử hóa Nếu kênh s-r ước lượng máy relay, hệ số khuếch đại tính theo hệ số kênh truyền nên cho hiệu cao so với hệ số khuếch đại cố định Nhưng máy nguồn phải gởi chuỗi huấn luyện cho máy relay, sau ước lượng máy relay gởi thông tin kênh s-r cho máy đích nên yêu cầu nhiều băng thông, công suất truyền bị ảnh hưởng lỗi lượng tử thông tin kênh Do đó, phương pháp ước lượng kênh s-r trực tiếp máy đích thường sử dụng Trong trường hợp này, ta sử dụng kỹ thuật BSS máy relay để ước lượng thông tin kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện sử dụng hệ số khuếch đại biến thiên Phần chương trình bày hai thuật toán dùng để ước lượng mù kênh truyền sr máy relay thuật toán FastICA thuật toán JADE Kết mô cho thấy hệ thống sử dụng kỹ thuật BSS máy relay cho hiệu gần với hiệu máy relay biết xác thông tin kênh truyền, tốt so với trường hợp dùng hệ số khuếch đại cố định Tuy nhiên, máy relay phải thực thêm việc tính toán cho ước lượng ma trận kênh nên phức tạp tiêu hao lượng hơn, vấn đề không gây ảnh hưởng nhiều trường hợp máy relay trạm cố định phục vụ hợp tác cho nhiều người dùng Trang 90 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận đề tài Đề tài trình bày lý thuyết kỹ thuật truyền thông không dây hợp tác, kỹ thuật tách nguồn mù (BSS) thực ứng dụng kỹ thuật BSS để ước lượng mù kênh truyền máy relay Hiện nay, kỹ thuật hợp tác phát triển hướng đến thành chuẩn vô tuyến IEEE 802.16j LTE-Advanced Trong IEEE 802.16j, kỹ thuật hợp tác dùng để tăng dung lượng kênh vùng biên cell mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống Chuẩn LTE-Advanced định nghĩa 3GPP dùng kỹ thuật hợp tác để mở rộng vùng phủ sóng tốc độ cao, tăng dung lượng kênh cho vùng biên cell hệ thống Cũng hệ thống truyền thông khác, hiệu hệ thống MIMO hợp tác phụ thuộc vào chất lượng thông tin kênh truyền có máy đích thực khôi phục tín hiệu gốc, thông tin kênh cần có máy relay để thực xử lý tín hiệu trước chuyển tiếp đến máy đích Phương pháp ước lượng kênh chủ yếu dùng dựa vào chuỗi huấn luyện kênh máy phát gởi đến máy thu Bên cạnh đó, kỹ thuật ước lượng mù kênh truyền nghiên cứu nhiều năm qua, nhiều thử thách thách ứng dụng thực tế vấn đề tính phức tạp tính toán, tốc độ xử lý thuật toán tách nguồn mù Đề tài thực ứng dụng kỹ thuật tách nguồn mù (BSS) để ước lượng mù kênh truyền cho máy relay hệ thống MIMO hợp tác kiểu AF, tín hiệu mã hóa STBC hệ thống MIMO truyền thống Hai thuật toán sử dụng FastICA JADE Kết cho thấy hệ thống có hiệu tốt so với trường hợp ước lượng kênh, tăng hiệu sử dụng băng thông so với ước lượng kênh dùng chuỗi huấn luyện Để tăng hiệu truyền tin cho hệ thống, máy relay trang bị ước lượng kênh nên trở nên phức tạp hơn, điều dễ dàng chấp nhận hệ thống viễn thông với thiết bị trang bị nhiều anten Trang 91 vi xử lý mạnh mẽ Máy relay trạm BS đơn giản thực chuyển tiếp, phục vụ cho nhiều máy khác hệ thống Đề tài đạt mục tiêu đề ứng dụng kỹ thuật BSS hệ thống MIMO hợp tác, vài hạn chế hệ thống có anten nên có mã hóa Alamouti sử dụng, chưa thực ước lượng kênh máy đích giới hạn hệ thống hợp tác AF có máy relay Hướng phát triển Hệ thống truyền thông hợp tác vấn đề nghiên cứu nhiều khả dùng chuẩn truyền thông vô tuyến hệ nên có nhiều hướng phát triển cho đề tài Hướng phát triển tốt đề tài thực ước lượng mù kênh truyền máy relay máy đích hệ thống hợp tác kiểu AF DF, tăng hiệu sử dụng băng thông kênh truyền hệ thống Đề tài phát triển theo hướng cải tiến thuận toán ước lượng mù để có tốc độ tính toán nhanh, đơn giản, dễ áp dụng thực tế Một hướng phát triển khác thực ước lượng kênh mù hệ thống MIMO hợp tác có nhiều máy relay sử dụng mã hóa DSTC, dung lượng kênh tăng lên số anten mảng anten ảo nhiều ... ý để hoàn thiện đề tài tốt Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chương trình bày lý thuyết truyền thông không dây kỹ thuật phân tập không gian hệ thống có nhiều anten thu phát Phần chương... truyền dẫn fading Trong hệ thống truyền thông không dây, tín hiệu lan truyền không gian gần mặt đất tầng khí nên bị ảnh hưởng vật thể xung quanh môi trường lan truyền Tín hiệu lan truyền từ máy phát... biến hệ thống truyền thông không dây thực tế Khi đó, tín hiệu cần truyền mã hóa miền không gian thời gian, nên tín hiệu truyền nhiều anten qua lần truyền khác [5],[12] 1.3.1 Mã hóa không- thời gian