Kỹ thuật mã trước đường xuống trong hệ thống MIMO kích thước lớn : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 02 03

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THẬT KỸ THUẬT MÃ TRƢỚC ĐƢỜNG XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MIMO KÍCH THƢỚC LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THẬT KỸ THUẬT MÃ TRƢỚC ĐƢỜNG XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MIMO KÍCH THƢỚC LỚN Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS TRỊNH ANH VŨ HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô môn Thông Tin Vơ Tuyến góp ý để em hoàn thành bài luận văn tố t nghiê ̣p Cảm ơn thầy cô khoa Điê ̣n Tử – Viễn Thông đã da ̣y dỗ và truyề n đa ̣t kiế n thức cho em Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến PSG.TS Trịnh Anh Vũ tận tâm hướng dẫn em suố t thời gian làm luâ ̣n văn , thầ y đã trực tiế p dìu dắt và chỉ bảo những kiến thức về chuyên môn , những chỉ dẫn khoa ho ̣c quý báu góp phầ n không nhỏ vào thành công của luận văn Xin ghi nhâ ̣n nhữn g góp ý và nhâ ̣n xét thẳ ng thắ n của các học viên cao ho ̣c K19 đã giúp bài luâ ̣n văn hoàn thiện Có được sự thành công ngày hôm không thể thiế u sự quan tâm và giúp đỡ của gia đin ̀ h , bạn bè và đồ ng nghiê ̣p đã ta ̣o điề u kiê ̣n để em có thể tiế p tu ̣c học tập và nghiên cứu Mô ̣t lầ n nữa em xin chân thành cảm ơn đế n quý thầ y cô trường , khoa đã ta ̣o mo ̣i điề u kiê ̣n giúp đỡ em hoàn thành khóa ho ̣c Cảm ơn gia đình bạn bè bên cạnh cổ vũ động viên để em có được kế t quả ngày hôm Xin chân thành cảm ơn ! LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan kết nghiên cứu đưa luận án này dựa kết thu được trình nghiên cứu của riêng tôi, không chép kết nghiên cứu nào của tác giả khác Nội dung của luận án có tham khảo và sử dụng số thơng tin, tài liệu từ nguồn sách, tạp chí, bài báo khoa học đươ ̣c liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Hà nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Thâ ̣t MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt .4 Danh mu ̣c hình vẽ MỞ ĐẦU Chương I Tổng quan kỹ thuật đa truy cập 1.1 Kỹ thuật đa truy cập theo tần số, thời gian và mã code 1.2 Đa truy cập theo không gian mô hình phân tán .14 1.3 Hệ thống MIMO kích thước lớn 17 Chương II Kỹ thuật mã trước đường xuống MIMO kích thước lớn 21 2.1 Ma trận nghịch đảo và ma trận giả nghịch đảo 22 2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu 25 2.2.1 Kỹ thuật tách tín hiệu ZF ( Zero- Forcing) 26 2.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu MF (Matched filter) 29 2.3 Đường xuống và đường lên MIMO kích thước lớn 33 Chương III Mô và so sánh 41 3.1 Sơ đồ mô .41 3.2 Chương triǹ h mô 42 3.3 Kế t quả mô phỏng .43 Kết luận 46 Tài liệu tham khảo 47 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt Tỉ số giữa bit lỗi số bit phát Điều chế pha nhị phân Nhiễu đồng kênh Đa truy cập theo mã Trải phổ theo dãy trực tiếp Phân chia tần số song công Đa truy cập theo tần số Trải phổ theo nhảy tần Trung bình bình phương nhỏ Bình phương nhỏ Bộ lọc phù hợp nhiều đầu vào và nhiều đâu Khả tối đa Trung bình bình phương lỗi nhỏ Trạm di động Trung bình bình phương lỗi Gần tối ưu BER BPSK CCI CDMA DS FDD FDMA FH LMS LS MF MIMO ML MMSE MS MSE NOP Bit error rate Binary phase shift keying Co-channel interference Code division multiple access Direct sequency Frequency division duplex Frequency division multiple access Frequency hopping Least mean square Least square Matched Filter multiple input multiple output Maximum likelihood Minimum mean square error Mobile station Mean square error Near optimal Orthogonal Frequency division OFDM multiple Orthogonal Frequency division OFDMA multiple access PIC Parallel Interference cancellation QPSK Quadature phase shift keying Rx Receiver SDM Spatial division multiple SDMA SIC SIR SNR SS STE TDD TDMA TH Tx ZF Đa truy cập phân tần trực giao Đa truy cập phân tần trực giao Triệt nhiễu song song Điều chế pha trực giao Máy thu sóng Kênh theo khơng gian Đa truy cập phân chia theo không gian Triệt nhiễu nối tiếp Tỉ số tín hiệu nhiễu Tỉ số cường độ tín hiệu so với nhiễu Độ rộng băng tần Mã hóa không gian thời gian Phân chia thời gian song công Đa truy cập theo thời gian Trải phổ theo nhảy thời gian Máy phát sóng Cưỡng bức khơng Space division multiple access Successive Interference cancellation Signal to interference radio Signal to noise radio Spread spectrum Space Time Encoder Time division duplex Time division multiple access Time hopping Tranmitter Zero – Forcing DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH NỘI DUNG Hình 1.1 Hình1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân câ ̣n Phân bố tầ n số và phương pháp FDMA/FDD Phân bố tầ n số và phương pháp FDMA/TDD Nguyên lý TDMA Các phương pháp đa truy cập Sơ đồ khố i của ̣ thố ng thông tin số điể n hin ̀ h với trải phở Vùng phủ sóng của trạm gốc vô tuyến tổ ong Mô hiǹ h kênh MIMO Mô hình truyề n nhâ ̣n anten tra ̣m sở và thuê bao Mô hiǹ h MIMO tâ ̣p hơ ̣p lớn Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Trạm sở truyền QAM qua ma trận mã trước đến thiết bị đầ u cuố i Thông lươ ̣ng có ích tố i ưu Sơ đồ mô phỏng Hê ̣ thố ng 4x16 Hê ̣ thố ng 4x24 Hê ̣ thố ng 4x32 Hê ̣ thố ng 4x64 MỞ ĐẦU Các thế ̣ thông tin di động từ 1-2-3G phát triển kỹ thuật xử lý và khai thác sử dụng tối đa miền thời gian và tần số Đến hệ 4G sử dụng kỹ thuật nhiều anten không gian được triển khai, nhiên chưa hiệu Việc khai thác sử dụng triệt để miền không gian cho hệ thống nhiều người dùng giai đoạn nghiên cứu cho thế ̣ 5G với mục tiêu phát triển là xây dựng ̣ thớ ng MIMO kích thước lớn Hê ̣ thớ ng này đem lại nhiều lợi ích kinh tế triển khai hệ thống cải thiện tố c đô ̣ truyề n tin đồng thời cho nhiều người dùng MIMO kích thước lớn là hướng nghi ên cứu rô ̣ng đó nghiên cứu r ất nhiề u vấ n đề các kỹ thuâ ̣t tách sóng đường lên , mã trước đường xuố ng, cách tính tốn số anten trạm sở và phương pháp truyền ti n hiê ̣u quả…Luâ ̣n văn này giới thiê ̣u về kỹ thuâ ̣t mã trước đường xuống ̣ thớ ng MIMO kích thước lớn Luận văn tìm hiểu thuật toán Zero-Forcing, Matched filter là cơng cụ hữu ích việc phân tích dữ liệu giúp truyền tin hiệu Trong cho nhìn tởng quan sự khác biệt giữa truyền tin truyền thống với truyền tin theo MIMO kích thước lớn Cơng cụ mơ phỏng Matlab được sử dụng để mô trình truyền tin sử dụng thuật toán đưa ra, từ đó đưa đánh giá và nhận xét tương ứng Đây chỉ là sự tìm hiểu bước đầ u công nghệ được nghiên cứu phát triển cho hệ thông tin di động thứ Chƣơng I Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập MIMO kích thước lớn có sự khác biệt với điện thoại tế bào truyền thống kỹ thuật đa truy nhập Phần này nêu lại kỹ thuật đa truy cập cổ điển để so sánh với hệ thống MIMO kích thước lớn, song khơng đề cập đến vấn đề xảy tranh chấp giữa những người dùng mà chỉ để cập cách thức phân chia tài nguyên cho nhiều người dùng chung 1.1 Kỹ thuật đa truy cập theo tần số, thời gian mã code (FDMA, TDMA, CDMA) 1.1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA) Trong phương pháp này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B MHz được chia thành n băng tần con, băng tần được ấn định cho kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz ( hình 1.1) Các máy vô tuyến đầu cuối truy nhập được cấp phát kênh Phương pháp này cần đảm bảo khoảng bảo vệ giữa kênh kề phòng ngừa sự không hoàn thiện của lọc và dao động Máy thu đường xuống đường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần sốđược phân Hình 1.1 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân câ ̣n Để đảm bảo thơng tin song cơng tín hiệu phát thu của máy thuê bao phải được phát hai tần số khác hay tần số khoảng thời gian phát thu khác Phương pháp thứ được gọi là phép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) phương pháp thứ hai được gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex) Phương pháp thứ được mô tả (hình 1.2) Trong phương pháp này băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai nửa : nửa thấp ( Lower Half Band) và nửa cao ( Upper Half Band) Trong nửa băng tần người ta bố trí tần số cho kênh ( xem hình 1.2a) Trong (hình 1.2a) cặp tần số nửa băng thấp và nửa băng cao có chỉ số được gọi là cặp tần số thu phát hay song công, tần số được sử dụng cho máy thu của kênh, khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát hay song công Khoảng cách gần giữa hai tần số nửa băng được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận ( Δx), khoảng cách này phải được chọn đủ lớn để tỷ số tín hiệu tạp âm cho trước( SNR: Signal to Noise Radio) hai kênh cạnh tranh gây nhiễu cho Như kênh song công bao gồm cặp tần số : tần số băng tần thấp và băng tần cao để đảm bảo trạn thu phát song công Thông thường đường phát từ trạm gốc ( hay phát đáp) xuống trạm đầu cuối ( thu trạm cuối ) được gọi là đường xuống, đường phát từ trạm đầu cuối đến trạm gối ( hay trạm phát đáp) gọi là đường lên Khoảng cách giữa hai tần số đường xuống và đường lên là Δy hình vẽ Trong thông tin di động tần số đường xuống cao tần số đường lên để suy hao đường lên thấp đường xuống công suất phát từ máy cầm tay lớn Trong thông tin vệ tinh thì tùy thuộc vào hệ thống , tần số đường xuống thấp cao tần số đường lên, chẳng hạn chế độ sử dụng trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn người ta thường sử dụng tần số đường lên cao đường xuống 2.3 Bài toán đƣờng lênvà đƣờng xuống MIMO kích thƣớc lớn (đơn tế bào) Giả sử hệ thống có M anten trạm sở (BS), K anten ứng với K máy (MS) của người dùng di động Ma trận kênh xi là H(KxM), được coi là phẳng và phụ thuộc tần số (dùng kỹ thuật OFDM đạt được điều này kênh sóng mang con), tổng công suất phát là cố định và không phụ thuộc số anten BS, số ρf là tỷ số cơng suất tín hiệu tạp âm và giao thoa (SINR) nhận được tại MS Ta có biểu diễn kênh xuôi (thu tại anten k của người dùng di động) 𝑀 𝑥𝑓𝑘 = 𝑝 ℎ𝑘𝑚 𝑠𝑓𝑚 + 𝑤𝑓𝑘 , 𝑘 = 1, … , 𝐾 𝑚 =1 𝑀 𝐸 𝑠𝑓𝑚 =𝐼 𝑚 =1 Qui trình liên lạc hệ Massive MIMO có những bước sau: Hình 2.1 Trạm sở truyền QAM qua ma trận mã trước đến thiết bị đầu cuối a) Pha ước lượng kênh dùng Pilot phát ngược Dãy pilot biết có thời gian τrp≥ K ký hiệu Tín hiệu pilot từ K người dùng là ma trận K x τrp có dạng 𝜏𝑟𝑝 𝜓 𝐻 ψ là ma trận unita τrpx K 33 Và ψHψ =Ik (các dãy trải là trực giao) Với ψ là ma trận đơn τrp x K và ψHψ =Ik Tức là dãy trực giao Khi tín hiệu pilot M x τrpnhận được là: 𝑌𝑟 = 𝑝𝑟 𝜏𝑟𝑝 𝐻 𝑇 𝜓 𝐻 + 𝑉𝑟 (2) Với Vr là ồn trắng Sau ước lượng kênh dùng MMSE ta có: Ĥ= 𝑝𝜏 𝜏𝑟𝑝 + 𝑝𝑡 𝜏𝑟𝑝 𝜓 𝑇 𝑌𝑟𝑇 (3) b) Pha truyền liệu kênh xuôi Trạm BS mã trước dữ liệubằng ma trận A(MxK) (tỷ lệ với nghịch đảo của kênh xuôi H) Ma trận mã trước A(MxK) ứng với ma trận sau: 𝐴= Ĥ𝐻 (ĤĤ𝐻 )−1 𝑡𝑟 ĤĤ𝐻 −1 Kênh xuôi tương đương là ma trận KxK tích của ma trận kênh và ma trận trước G≡H.A Chú ý : lim ĤĤ𝐻 ∝ 𝐼𝐾 𝑀 𝑀/𝐾→∞ nên ma trận mã trước là tỷ lệ với liên hợp chuyển vị của ước lượng kênh Đây là tính chất then chốt của hệ thống MIMO kích thước lớn mà hệ của là những lợi ích quan trọng Ta minh họa điều thơng qua ma trận M1(3,3), M2(3,10), M3(3,20), ma trận giữ nguyên số hàng K và tăng số cột M với phần tử của ma trận là ngẫu nhiên, phân bố chuẩn có trung bình zero và phương sai 34 Dùng hàm randn matlab ta có : M1(3,3) = -2.4379 0.5282 -0.0521 -0.7708 -0.6795 0.5205 1.7345 -2.2098 1.8281 (1/3)*M1*M1H= 2.0750 0.4977 -1.8303 0.4977 0.4423 0.3721 -1.8303 0.3721 3.7446 M2(3,10)= 0.6340 -0.2033 0.9957 2.0810 -0.0041 -0.6120 -0.2901 1.0654 -2.1037 0.5642 -0.1936 -0.2039 1.7577 -0.7527 -0.0756 -0.1473 -0.6414 (1/10)*M2*M2H= 0.8587 -0.2881 -0.3175 -0.2881 1.2703 -0.1075 -0.3175 -0.1075 0.0268 0.8714 -1.4102 -1.2623 -0.5828 -0.9474 -3.0257 -0.1932 -0.1861 -0.3268 0.3974 1.0444 35 0.0303 -0.6212 M3 (3,20)= 0.3134 -1.3127 0.7325 -0.1009 0.9089 0.0272 -0.0204 -0.7900 -0.1875 0.3784 -0.2716 0.3221 0.8099 -0.5507 -0.3524 2.6881 0.0093 -1.1652 -0.1810 -0.3595 -1.0320 -0.1947 -0.3186 -0.6501 1.3721 0.0569 0.6988 0.2963 0.3747 -0.1101 -0.9676 -0.5196 0.6190 -0.0580 -1.0376 0.9260 0.1873 0.8637 0.6175 0.6970 -0.0647 0.2035 0.0381 0.0923 -1.9998 0.2293 -0.5179 -2.1061 0.5528 0.7811 -0.7777 -0.0032 -0.8591 0.1809 -0.0870 0.4318 0.0537 -1.5464 -1.6085 1.4144 (1/20)*M3*M3H= 0.6105 -0.0028 0.3553 -0.0028 0.9861 0.2003 0.3553 0.2003 0.7975 Ta thấy đường chéo của tích ma trận ngẫu nhiên với liên hợp chuyển vị của chia cho M tiến đến M lớn, phần tử khác tiến đến zero Khi M/K >>1 ta có: 𝐺 = 𝐻 𝐴∞𝐻 ( 𝑝𝜏 𝜏𝑟𝑝 𝐻 + 𝜓 𝑇 𝑉𝑟𝑇 )𝐻 36 = 𝑝𝑟 𝜏𝑟𝑝 𝐻 𝐻 𝐻 + 𝐻 𝑉𝑟∗ 𝜓 ∗ Ta có: H.HHM.IK phần tử của 𝐻 𝑉𝑟∗ 𝜓 ∗ là không tương quan và có độ lệch chuẩn 𝑀 vì : 𝐺𝑀 ≫1 ∞(𝑀 𝑝𝜏 𝜏𝑟𝑝 𝐼𝐾 + 𝑀 𝑍) 𝐾 Với Z có trung bình zero, khơng tương quan, có phương sai Kết là thơng tin kênh tồi tùy ý, song dùng càng nhiều anten BS tạo nên xấp xỉ tốt cho kênh tương đương đường chéo Thêm nữa, hệ số tương đương tăng lên và nhiều MS được phục vụ Nếu kênh khơng có noise và ma trận kênh khả đảo, ta khôi phục xác dữ liệu đến người dùng A và B dùng kỹ thuật mã trước Khác với kênh xuôi, ràng buộc công suất ngược tăng theo số MS, ρr là SINR mà máy di động tạo tại anten BS Ta phân tích lợi ích hệ thống MIMO kích thước lớn sau: Với Z có trung bình zero, khơng tương quan, có phương sai Thành phần của G bao gồm tổng tích nội vecto ngẫu nhiên M thành phần Khi M lớn vô hạn chuẩn L2 của vecto này tăng tỷ lệ với M tích nội vecto không tương quan, theo giả thiết tăng tốc độ nhỏ Khi M lớn, chỉ có tích của đại lượng giống hệt lại đáng kể Tác dụng bở ích của việc sử dụng vơ hạn của anten trạm gốc là tác động của tạp âm không tương quan và phadinh nhanh được loại bỏ hoàn toàn, và việc truyền từ thiết bị đầu cuối cell đến trạm sở của chúng không gây nhiễu lên Tuy nhiên truyền từ thiết bị đầu cuối tế bào khác sử dụng dãy pilot tạo nên nhiễu lại Thêm nữa, hệ số tương đương tăng lên thì càng nhiều MS được phục vụ Để thấy được lợi ích của việc dùng nhiều anten trạm sở ta đánh giá dung tổng cộng của hệ thống sau: 37 Biên thấp dung tổng Ta rút biên thấp chặt của dung tổng cách trừ và cộng trung bình của kênh xuôi tương đương Mặc dù MS kênh xuôi tương đương song biết trung bình kênh Tất số hạng khác xử lý ồn tương đương Định nghĩa vô hướng 𝜙 sau: 𝜙 = 𝑡𝑟 𝑍𝑍 𝐻 −1 −1/2 Ở Z là ma trận KxM ngẫu nhiên, phần tử là iid, CN(0,1) Biên thông lượng tổng là: 𝐶𝑠𝑢𝑚 ≥ 𝐾 log + 𝑝 𝑟 𝑡 𝑟𝑝 𝐸2 𝜙 1+𝑝 𝑟 𝑡 𝑟𝑝 𝑝 𝑡 𝑡 𝑟𝑝 1+𝑝 𝑓 + 𝑣𝑎𝑟 𝜙 1+𝑝 𝑟 𝑡 𝑟𝑝 1+𝑝 𝑟 𝑡 𝑟𝑝 𝑃𝑓 (1) Tối ưu thông lượng cho khoảng kết hợp ngắn Chú ý là biểu thức là hàm của biến M, ρf, ρr , K và 𝜏rp Giả sử kênh không đổi thời gian T Ký hiệu điển hình xấp xỉ 50μs Bây giả sử cho trước M, ρf, ρr ta tìm số MS là K và 𝜏rpđể cực đại thơng lượng có ích: 𝐶𝑛𝑒𝑡 = 𝑚𝑎𝑥𝐾,𝑡 𝑟𝑝 𝑇−1−𝑡 𝑟𝑝 𝑇 𝐶𝑠𝑢𝑚 𝐾, 𝑡𝑟𝑝 (2) Với 𝐾 ≤ 𝑀, 𝑡𝑟𝑝 ≥ 𝐾 Ở Csum(.) cho Hình biểu thị biên thấp dung hàm của số thiết bị đầu cuối được phục vụ số lượng ăng-ten phát và SINR phía Thơng lượng tăng đơn điệu với số lượng ăng-ten trạm BS, và chí tại SINRs thấp là thuận lợi để phục vụ nhiều thiết bị đầu cuối lúc (Hình 2.2) biểu thị tối ưu hóa thơng 38 lượng có ích (2) là hàm của SINR ρf với số khác ăng-ten trạm BS và cho hai khoảng thời gian kết hợp Đường cong gạch ngang ("khơng có MIMO") tương ứng với ăng-ten truyền đến thiết bị đầu cuối antenna kết hợp với pilot hướng xuống tối ưu Số lượng lớn ăng-ten (8 16) cho cải tiến lớn thông lượng so với "khơng MIMO " Các thơng lượng rịng tăng lên với độ lớn khoảng thời gian kết hợp, cho phép phục vụ đồng thời của số lượng lớn thiết bị đầu cuối Người dùng chuyển động nhanh phải được phục vụ khe ngắn, thiết bị đầu cuối chuyển động chậm tối đa thông lượng nên được phục vụ khe dài Hình 2.2 Thông lươ ̣ng có ích tố i ưu 39 Nhận xét: Với kết mô thấy rằng, hạn chế với thời gian kết hợp kênh (Coherent time), dùng càng nhiều anten trạm sở, dung lượng hệ thống tăng lên kéo theo số người được phục vụ tăng lên, điều này mở rộng khoảng thời gian cho pilot và thu hẹp thời gian cho truyền dữ liệu Kết luận chƣơng Chương này phân tích sâu kỹ thuật mã trước đường xuống sử dụng thuật toán Zero-Forcing và MF Trong hai phương pháp sử dụng ma trận nghịch đảo và ma trận giả nghịch đảo Kỹ thuật ZF coi nhiễu không với số anten trạm sở lớn số thêu bao Ưu điểm nởi bật của tách tín hiệu ZF hay LS là đơn giản và có yêu cầu độ phức tạp tính tốn thấp Bộ tách tín hiệu ZF thích hợp với kênh truyền có tỉ số SNR cao Bộ tách tín hiệu MF có ưu điểm đơn giản và thực tế dễ triển khai nhờ thuật tốn thích nghi Ngoài ra, tách tín hiệu MF có tính đến đặc tính của tạp âm nên khắc phục được nhược điểm khuếch đại tạp âm của tách tín hiệu ZF Vì vậy, phẩm chất BER hay SINR của tách tín hiệu MF thường tốt tách tín hiệu ZF, tách tín hiệu MF có độ phức tạp tính tốn thấp Dựa vào tích chất của tách tín hiệu mà ta xác định được tín hiệu của đường lên và đường xuống, từ đưa lựa chọn thích hợp 40 Chƣơng III.Mô so sánh 3.1 Sơ đồ mô Sơ đồ mô hệ thống MIMO kích thước lớn với mã trước đường xuống sau: Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng Dữ liệu sau mã chập được ánh xạ chịm sau được mã trước đường xuống dựa vào việc ước lượng kênh nhận được plot từ máy di động gửi lên Trong mô sau ta giả thiết lượng kênh H là hoàn hảo Tín hiệu sau mã trước gửi xuống máy động lại qua kênh truyền và cộng với tạp âm Chúng ta so sánh tín hiệu đầu vào và tín hiệu địnhnhận được máy di Từ đưa được tỉ lệ lỗi Chương trình mô loại mã trước hệ thống là mã ZF (nhân với ma trận giả đảo) và MF (nhân với ma trận chuyển vị liên hợp) và so sánh chúng tỷ số M/K tăng lên và M, K tăng lên mà tỷ số không đổi 41 3.2 Chƣơng trình mơ 3.2.1 Các tham số hệ thống Mã chập: TxRx.Code.K = 7; TxRx.Code.generators = [133 TxRx.Code.Rate = 1/2; % Constraint Length 171]; % Generator Polynomial % code rates '1/2','3/4','2/3','5/6' Ánh xạ chòm TxRx.Modulation_order = 4; % Modulation scheme: BPSK (1), QPSK (2), 16QAM (4), 64-QAM (6) Lựa chọn mã trước TxRx.Shaping = 'LS'; TxRx.Shaping = 'MF'; Mimo và ofdmtheo 802.11n TxRx.Nrx = 8; % Number of receivers (terminals) TxRx.Ntx = 64; % Number of transmit antennas (at basestation) TxRx.N = 128; % Nr of subcarriers TxRx.ToneMap=[-58:-54,-52:-26,-24:-12,-10:2,2:10,12:24,26:52, 54:58] +63+1; % 40MHz IEEE 802.11n Mô hình kênh TxRx.Channel.Model = 'Tap'; % 'Tap' (uniform profile) TxRx.Channel.Ntaps = 4; Vòng lặp mô TxRx.Sim.nr_of_packets = 200; % Number of packets TxRx.Sim.nr_of_symbols = 1; % Number of OFDM symbols per packet TxRx.Sim.SNR_dB_list = [-6:2:10]; 42 3.3 Kết mô phỏng: Với số anten phát M và anten thu K thay đổi: H=KxM Hình 3.2 Hệ thống 4x16 Hình 3.3 Hệ thống 4x24 43 Hình 3.4 Hệ thống 4x32 Hình 3.5 Hệ thống 8x64 44 Nhận xét: Trong trường hợp ước lượng kênh được coi là xác lý tưởng Mã trước được thực theo phương án: Nhân với giả đảo (ZF) và nhân với ma trận chuyrn vị liên hợp (MF), sau tín hiệu lại truyền qua kênh và cộng thêm với tạp âm và được định tại máy di động BER được tính là tỷ lệ lỗi tất máy di động Kết mô cho ta nhận xét: - Mã trước ZF cho kết tốt hơn, song thuật tốn tính phức tạp - Mã trước MF cho kết tồi song thuật toán đơn giản - Với K=4 cố địnhvà M thay đổi từ 16,24,32 (hình…), tức là tỷ số M/K tăng dần Đường BER của ZF và MF đồng thời được cải thiện và càng gần Điều này phù hợp với kết lý thuyết là M/K tiến đến vô cùng, tạp âm nhiệt dần bị loại bỏ bị trung bình hóa và ma trận giả nghịch đảo tiến tới ma trận chuyển vị liên hợp (cơng thức ) Tức là hệ MIMO kích thước lớn dùng kỹ thuật MF thay cho ZF và với sự đơn giản phép tính và kết càng tốt - Khi M và K tăng song tỷ số M/K không đổi, ta thấy hiệu lỗi của kiểu mã trước không thay đổi (hình 4/32 và hình 8/84) Điều này cho thấy hệ MIMO kích thước lớn: tăng M lên lớn cho phép phục vụ được nhiều số người dùng K với tỷ lệ lỗi Những công trình nghiên cứu cho thấy số người dùng K chỉ bị hạn chế thời gian kết hợp (coherent time) và ô nhiêm phi lot từ cell lân cận, được học viên tìm hiểu tương lai 45 Kết luận MIMO kích thước lớn là đề tài khoa học lớn nghiên cứu nhiều vấn đề và kỹ thuật Nó địi hỏi sự nỗ lực nghiên cứu từ nhiều nhà khoa học và ngoài nước Luận văn này chỉ diễn tả được khía cạnh nhỏ vấn đề của MIMO kích thước lớn là vấn đề mã trước cell đơn trạm sở dùng nhiều anten và máy di động chỉ dùng anten đơn Trong kỹ thuật của MIMO kích thước lớn thì kỹ thuật mã trước đường xuống là những kỹ thuật quan trọng, định đến độ xác của sự truyền tin Bài luận văn đưa nhìn tổng quan hệ thống MIMO kích thước lớn đồng thời đưa phương pháp tách sóng, thuật tốn tối ưu nhằm thu được tín hiệu tốt kỹ thuật mã trước đường xuống Sử dụng phần mềm Matlab để mô trình truyền tin, đưa được tỉ lệ SNR, lỗi BER và từ lựa chọn phương pháp truyền tin hiệu Nhà khoa học Thomas L Maretta nói :“MIMO kích thước lớn là mỏ vàng cho nhà nghiên cứu” Từ cho thấy những tiềm lớn mà mang lại, cần tiếp tục đầu tư nghiên cứu và phát triển hệ thống 46 Tài liệu tham khảo [1] Gesbert D, Shafi M, Shiu D, Smith P J, Naguib A “From theory to practice: An overview of MIMO space-time coded wireless systems” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006, 21(3): 281-302 [2] T L Marzetta, “How much training is required for multiuser MIMO?”, Fortieth Asilomar Conf on Signals, Systems, & Computers, Pacific Grove, CA, Oct 2006 [3].Hoydis J, ten Brink S, Debbah M “Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas we need?”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2013, 31(2): 160-171 [4] Erik G Larsson, Fredrik Tufvesson, Thomas L Marzetta, “Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems”.IEEE Communications Magazine • February 2014 [5].http://people.revoledu.com/kardi/tutorial/LinearAlgebra/MatrixGeneralizedInver se.html [6].Marzetta T L “Noncooperative cellular wireless with unlimitted numbers of base station antennas” IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(11): 3590-3600 [7].TS Nguyễn Pha ̣m Anh Dũng “ Lý thuyế t trải phổ và đa truy nhâ ̣p vô tuyế n” Ho ̣c viê ̣n công nghê ̣ và bưu chính viễn thông, 2006 47