ĐỒ án tốt NGHIỆP đại học NGHIÊN cứu kỹ THUẬT tối ưu hóa MẠNG CHUYỂN TIẾP MIMO năm 2014

Một trong các giải pháp then chốt nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn cao đã được xác định rõ là truyền dẫn trên kênh đa đầu vào-đa đầu ra MIMO Multiple Input-Multiple Output và truyền thông

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG

KHÓA: 8

HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA

MẠNG CHUYỂN TIẾP MIMO

NĂM 2014

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG

KHÓA: 8

HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 5252020109

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA

MẠNGCHUYỂN TIẾP MIMO

Cán bộ hướng dẫn PGS TS Trần Xuân Nam

NĂM 2014

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA: VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ

Phê chuẩn

Ngày tháng năm 2014

CHỦ NHIỆM KHOA

Độ mật:

Số:

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

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

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu mạng chuyển tiếp MIMO

2 Các số liệu ban đầu: ………

……….……

……….…………

………

3 Nội dung bản thuyết minh:

Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác MIMO

Chương 2: Tối ưu mạng hợp tác MIMO

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

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

………

………

………

………

5 Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Trần Xuân Nam, Thượng tá, Phó chủ nhiệm khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Ngày giao: 14/01/2014

Chủ nhiệm bộ môn

Ngày hoàn thành: 20/04/2014

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn

Thượng tá, PGS-TS Trần Xuân Nam

Học viên thực hiện

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

MỤC LỤC

MỤC LỤC…… ……… i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH SÁCH HÌNH VẼ …….iv

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

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

1.1 Truyền thông hợp tác… 2

1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác 2

1.1.3 Ứng dụng của truyền thông hợp tác 4

1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO 4

1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến 4

1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu 7

1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO 11

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

1.4 Tóm tắt chương 16

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

2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng 17

2.1.1 Mô hình tín hiệu 17

2.1.2 Công thức bài toán 18

2.1.3 Tối ưu ( W U F , , ) cho bài toán P1 19

2.1.4 Tối ưu ( W U F , , )cho bài toán P2 24

2.1.5 Mở rộng đối với các kiến trúc không tuyến tính 25

2.1.6 Mở rộng đối với các kênh pha-đinh chọn lọc tần số 27

2.2 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều đa chặng 28

2.3 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặngđa chuyển tiếpsong song 30

2.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng cóliên kết Nguồn-Đích 31

2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng 32

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

3.1 Đặt vấn đề 35

3.2 Mô hình hệ thống đề xuất 36

3.3 Kết quả mô phỏng 40

3.3.1 Mô hình mô phỏng 40

3.3.2 Phân tích kết quả 41

3.4 Tóm tắt chương 43

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

MIMO Multiple Input-Multiple Output Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra

MISO Multiple Input – Single Output Nhiều đầu vào - một đầu ra

MRC Maximal Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ tối đa

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

nhỏ nhất

MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

SDM Spatial Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không

gian

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

DANH SÁCH HÌNH VẼ

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống MIMO tuyến tính một chiều hai chặng 17

Hình 2.2: Sơ đồ khối tương đương của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng khi không có đường trực tiếp 21

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

Hình 2.4: Công suất tiêu thụ khi Đích sử dụng máy thu tuyến tính hoặc DFE 25

Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO một chiều đa chặng 28

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống MIMO một chiều hai chặng đa nút chuyển tiếp 31

Hình 2.7: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO tuyến tính hai chiều hai chặng 33

Hình 3.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính 36

Hình 3.2:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu chuẩn ZF và MMSE của QPSK với N s = N r = N d = 4 41 Hình 3.3:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với N s = N r = N d = 4 42 Hình 3.4: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo hai tiêu chuẩn ZF và MMSE của QPSK với N s = N r = N d = 4 42 Hình 3.5: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo hai tiêu chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với N s = N r = N d = 4 43

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Chữ thường,

in nghiêng

Chữ thường, in

Chữ hoa, in

t r( ) · Phép toán lấy vết của ma trận tr( H )

2

2

2

W

@ Phép toán định nghĩa H srd @H rd F H r sr

K

H

() ×H Phép toán lấy chuyển vị Hermitian H

H

()

log × Lô ga rít tự nhiên log 8 ( )

{ }

1, 2, , K

n diag a

n

=

=

A

Ma trận đường chéo kích thước

K ´ K với các phần tử trên đường chéo an

{ 1, 2, 3}

diag

F

£

Tập ma trận kích thước M ´ N với các giá trị phức

2 2 ´

Î

i,j

é ù

ê ú X Phần tử thứ i j, của ma trận X é ù ê ú E m m, ; m = 1, 2, , M

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin, tốc

độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu của người dùng về các dịch

vụ vô tuyến tăng rất nhanh Kết quả dẫn đến những bức bách về nhu cầu mở rộng vùng phủ, nâng cao chất lượngvà đặc biệt là gia tăng tốc độ truy nhập

Các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới như các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation), các hệ thống phát triển dài hạn tiên tiến LTE (Long-Term Evolution), cáchệ thống truy nhập vô tuyến băng rộngWiMAX

(Worldwide Interoperability via Microwave Access), hay mạng cục bộ vô tuyến Wi-Fi (Wireless Fidelity) đã cho phép người dùng có thể đạt được tốc độ truy nhập hàng trăm Mbps

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

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

Từ ý nghĩa khoa học và thực tiễn trên em nhận thấy, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các giải pháp tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác có vai trò hết sức quan trọng Vì vậy, trong đồ án này em xin tập trung nghiên cứu những khái niệm và các kỹ thuật tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác Nội dung đồ án của em gồm:

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

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

Chương 3:Phân tích bài toán đồng thời tối ưu Nguồn-Đích cho một hệ thống MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính, mô phỏng lại một số kết quả đã được

nghiên cứu, mở rộng khảo sát cho trường hợp 8-PSK và trường hợp có đường liên kết trực tiếp

Trong quá trình biên soạn, đồ án không tránh khỏi có những sai sót, em mong được sự góp ý của các Thày giáo và các bạn đọc nói chung Em xin gửi lời cảm ơn tới Thày giáo hướng dẫn PGS-TS Trần Xuân Nam, các Thày giáo nghiên cứu sinh và các Thày giáo trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thông tin vì đã giúp đỡ em rất nhiều trong định hướng cũng như thực hiện nội dung đồ án tốt nghiệp đại học Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thày giáo trong Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân

sự và gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên em hoàn thành đồ án này

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO

1.1 Truyền thông hợp tác

1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác

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

Theo số chặng chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn chặng (single hop)

và hệ thống truyền thông hợp tác đa chặng (multiple hop) Theo số nút chuyển tiếp có

hệ thống truyền thông hợp tác đơn nút và hệ thống truyền thông hợp tác đa nút Hình 1.1 là một mô hình hệ thống truyền thông hợp tác đa nút[45]

sr

H

K

sr

H

sd H

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

1.1.2 Các giao thức truyền thông hợp tác

Một khía cạnh quan trọng của quá trình truyền thông hợp tác là kênh chuyển tiếp xử lý tín hiệu nhận được từ nút Nguồn Phương thức xử lý khác nhau dẫn đến giao thức truyền thông hợp tác cũng khác nhau Tổng quát, các giao thức truyền thông hợp tác có thể được phân loại thành các giao thức chuyển tiếp cố định và các giao thức chuyển tiếp thích nghi Trong chuyển tiếp cố định, các nguồn kênh được phân chia giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp theo một giao thức cố định Quá trình xử lý tại nút Chuyển tiếp không theo giao thức đã sử dụng Trong giao thức chuyển tiếp khuếch đại-chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) cố định, nút Chuyển tiếp nhận bản tin sau đó khuếch đại và phát bản tin đó tới nút Đích Một khả năng khác của quá trình xử lý tại nút Chuyển tiếp là giải mã tín hiệu nhận được, mã hóa lại và sau đó phát tới máy thu Loại chuyển tiếp này gọi là giao thức chuyển tiếp giải mã-chuyển tiếp ((DF: Detect-and-Forward) cố định

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

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

1.1.3Ứng dụng của truyền thông hợp tác

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

và làm giảm đáng kể can nhiễu đến hệ thống

Các công nghệ truyền dẫn hợp tác và chuyển tiếp đã dần dần được đưa vào các chuẩn mạng khác nhau, để phát triển hệ thống thông tin di động đáp ứng các nhu cầu

về chất lượng, độ tin cậy, tốc độ dữ liệu, các yêu cầu về dịch vụ Các công nghệ này

đã được đưa vào trong các chuẩn IEEE 802.16j và LTE cải tiến (Long Term

Evolution-Advanced) Truyền thông hợp tác cũng được ứng dụng trong hệ thống vô tuyến nhận thức và các mạng cảm biến

1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO

1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

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

số, pha-đinh nhanh và pha-đinh chậm Với các mô hình kênh khác nhau như: kênh pha-đinh Rayleigh, kênh pha-đinh Rice, kênh pha-đinh Nakagami Các hệ thống thông tin khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng của các hiện tượng pha-đinh khác nhau [25] , vì vậy, biện pháp khắc phục ảnh hưởng của các loại pha-đinh cũng khác nhau

Để hạn chếảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông, trong thông tin vô tuyến sử dụng một số biện pháp kỹ thuật như: phương pháp bù pha-đinh, kỹ thuật phân tập, kỹ thuật san bằng, trong đó các phương pháp phân tập được sử dụng khá phổ biến[1] ,[25]

Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của mộtsố đường truyền có các tham số thống

kê độc lập, nhưng truyền tải cùng mộtthông tin giống nhau Bản chất của phương pháp phân tập là tín hiệu đượctruyền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinhkhác nhau Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu được vớichất lượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu Do đó, nếu kết hợpcác tín hiệu này một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được một tín hiệutổng hợp chịu ảnh hưởng của pha-đinh ít hơn Kết quả này đồng nghĩa vớiviệc tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy cao hơn

Theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụngtrong thông tin vô tuyến có thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập phân cực và phân tập không gian[1]

 Phân tập thời gian

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

sự phân tập về thời gian