Kết hợp tách tín hiệu và lựa chọn anten cho hệ thống STBC-OFDM đa người dùng

Thông tin vô tuyến đang bước vào kỷ nguyên mới cho phép cung cấp các dịch vụ truy nhập vô tuyến tốc độ cao. Các chuẩn thông tin vô tuyến di động gần đây đã cho gia tăng tốc độ từ vài Mbps với 3G, lên tới hàng trăm Mbps với LTE (Long Term EVolution), và thậm chí có thể đạt được lên tới Gbps đối với chuẩn LTE-Advanced.

Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số (27), tháng 5/2012 Kết hợp tách tín hiệu lựa chọn anten cho hệ thống STBC-OFDM đa người dùng Combination of Signal Detection and Antenna Selection for Multiuser STBC-OFDM Systems Lê Quang Đức, Bùi Thanh Tâm, Trần Xuân Nam Abstract: OFDM and MIMO are the two transmission technologies which are recently being studied intensively Combination of both technologies enables higher transmission rates over frequency selective fading channels Alamouti’s STBC is one of MIMO technologies selected for mobile radio systems This paper presents a method of multiuser detection for combined radio systems STBC-OFDM By using the antenna selective technology proposed in the paper, the signal detection quality is enhanced considerably The paper’s results also present those two methods, SNR-based and MSE-based antenna selection, providing the best performance Keywords: STBC, OFDM, detection, antenna selection I GIỚI THIỆU Thông tin vô tuyến bước vào kỷ nguyên cho phép cung cấp dịch vụ truy nhập vô tuyến tốc độ cao Các chuẩn thông tin vô tuyến di động gần cho gia tăng tốc độ từ vài Mbps với 3G, lên tới hàng trăm Mbps với LTE (Long Term EVolution), chí đạt lên tới Gbps chuẩn LTE-Advanced [1] Hai kỹ thuật then chốt cho phép đạt tốc độ gia tăng ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) truyền dẫn qua kênh đa đầu vào đa đầu (MIMO: Multiple Input Multiple Output) Thông qua việc sử dụng cặp biến đổi IFFT/FFT tiếp đầu tuần hoàn (CP: Cyclic Prefix), OFDM cho phép chuyển kênh lựa chọn theo tần số thành số kênh phẳng Trong kỹ thuật MIMO sử dụng phân tập khơng gian phép đạt độ lợi phân tập có bậc tương đương với tích số số anten phát anten thu Một kỹ thuật MIMO cho phép đạt độ lợi phân tập mã không gian thời gian [2]−[4] Trong loại mã khơng gian thời gian đề xuất mã khối không gian thời gian (STBC: Space-Time Block Code) Alamouti [2] cho trường hợp sử dụng hai anten phát biết đến phương pháp mã hóa cho phép đạt đồng thời tốc độ bậc phân tập đầy đủ Việc kết hợp mã STBC với OFDM, vậy, tự nhiên, đề xuất sau STBC đời [5]−[7] Việc kết hợp STBC-OFDM cho phép thu đồng thời độ lợi phân tập không gian độ lợi phân tập đa đường nên coi ứng cử viên sáng giá hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Để áp dụng STBC-OFDM cho hệ thống đa người dùng việc tìm kiếm tách tín hiệu hiệu cho phép triệt nhiễu đồng kênh toán cần thiết Bài toán tách tín hiệu đa người dùng cho hệ thống STBC STBC-OFDM đề cập đến công trình [8]−[13] Các kỹ thuật tách tín hiệu đa người dùng đề xuất trước bao gồm: tách tín hiệu theo phương pháp sai số bình phương trung bình nhỏ (MMSE: Minimum Mean Square Error) [9], kết hợp MMSE với triệt nhiễu (SIC: Sequential Interference Cancellation) [12], kết hợp - 32 - Các công trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT MMSE với tách tín hiệu hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood) [11], hay kết hợp MMSE với suy giảm dàn [13] Các kỹ thuật tách tín hiệu [11]-[13] chủ yếu tập trung theo hướng dựa tách tín hiệu tuyến tính MMSE kết hợp với thuật tốn tách tín hiệu khác nhằm đạt cân chất lượng tách tín hiệu độ phức tạp tính tốn Gần đây, xu hướng tách tín hiệu MIMO cho phép đạt cân chất lượng tách tín hiệu độ phức tạp tính tốn kết hợp tách tín hiệu tuyến tính với lựa chọn anten [14], [15] Việc áp dụng tách tín hiệu tuyến tính với lựa chọn anten biết đến cho hệ thống MIMO ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) và, vậy, việc đề xuất kết hợp tách tín hiệu tuyến tính kết hợp với lựa chọn anten cho hệ thống đa người dùng chủ đề mở cần thiết Vì vậy, báo đề xuất sử dụng hệ thống kết hợp cho hệ thống STBC-OFDM đa người dùng Chúng áp dụng bốn tiêu chí lựa chọn anten độ lợi kênh, giá trị riêng, tỉ số cơng suất tín hiệu công suất tạp âm (SNR: Signal-to-Noise Ratio) sai số bình phương trung bình (MSE: Mean Square Error) Kết mô sử dụng phương pháp Monte-Carlo cho thấy sử dụng lựa chọn anten cho phép nâng cao đáng kể chất lượng tách tín hiệu đa người dùng yêu cầu thêm lượng phức tạp tính tốn nhỏ cho thuật tốn lựa chọn Hai phương pháp lựa chọn có chất lượng tốt dựa SNR MSE Phần lại báo tổ chức sau Mô hình hệ thống STBC-OFDM đa người dùng trình bày Mục II Mục III giới thiệu thuật toán lựa chọn anten Mô Monte-Carlo tiến hành phân tích Mục IV, cuối kết luận rút Mục V Tập V-1, Số (27), tháng 5/2012 II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Chúng tơi xét hệ thống truyền dẫn sử dụng kết hợp mã STBC Alamouti truyền dẫn OFDM cho đường lên Hình Mơ hình hệ thống Hình tương tự mơ hình sử dụng cơng trình [11]−[13] Hệ thống nghiên cứu mơ hình bao gồm trạm gốc (BS) Q người dùng Hình Sơ đồ cấu hình hệ thống xem xét Kênh truyền người dùng (MS) BS mơ hình hóa kênh pha-đinh chọn lọc theo tần số với P tia giữ chậm Giả thiết kênh pha-đinh biến đổi chậm, kênh thành phần anten thu thứ m BS anten phát thứ n MS thứ q ∈ {1,2,…Q} biểu diễn sau: P −1 (q ) h [ ℓ ] = ∑ αmn δ[ℓ − p ], ,p (q ) mn (1) p =0 (q ) αmn độ lợi kênh truyền tương ứng tia ,p trễ thứ p mô sử dụng mơ hình Jakes; δ(.) biểu diễn hàm xung Dirac Các MS sử dụng phương pháp mã hóa STBC Alamouti để mã hóa khung liệu có độ dài K symbols theo quy tắc mô tả sau Tại khe thời gian t=1, anten thứ truyền X1(q )[k ] anten thứ hai truyền X 2(q )[k ] sóng mang thứ k Tại khe thời gian t=2, anten thứ truyền −X2(q )* [k ] anten thứ hai truyền X1(q )* [k ] , dấu hoa thị * biểu diễn phép toán lấy liên hợp phức Tiếp theo biến - 33 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số (27), tháng 5/2012 đổi Fourier ngược nhanh (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) sử dụng để chuyển khung có chứa K symbol để nhận mẫu tín hiệu miền thời gian Sau IFFT khung liệu bổ sung tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix) có độ dài C symbol Độ dài CP thường chọn thỏa mãn tiêu chí C ≥ P để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng trải trễ kênh truyền T y[k ] = yT1 [k ], y2H [k ] ,   T z[k ] = zT1 [k ], z 2H [k ] , (6)    h (q )[k ] h (q )[k ]  , H (q )[k ] =  (1q )*  (q )* [ k ] − [ k ] h h   Sau định nghĩa véc-tơ đầu vào ma trận kênh sau: Tại BS tín hiệu thu anten thứ m khe (7) T x[k ] = x (1)T , x (2)T , …, x (Q )T  ,   H [k ] = H (1) [k ], H (2) [k ], …, H (Q ) [k ]   thời gian t biểu diễn sau [11]−[13]: gian t Các mẫu tạp âm mơ biến Do số sóng mang k chung nên để đơn giản cho biểu diễn, lược bỏ số biểu diễn từ sau Sử dụng định nghĩa cho phương trình hệ thống sau: ngẫu nhiên với kỳ vọng phương sai σz2 Sau y = Hx + z Q ym ,t [l ] = N =2 P −1 (q ) x (q ) [l − p ] + z m ,t [l ], (2) ∑ ∑ ∑ αmn , p n ,t q =1 n =1 p = z m,t [l ] mẫu tạp âm anten m thời loại bỏ CP thực biến đổi Fourier (FFT: Fast Fourier Transform), tín hiệu giải điều chế miền tần số biểu diễn sau: Q Ym ,t [k ] = N =2 ∑ ∑S (q ) n ,t [k ]H m(q,)n [k ] + Z m ,t [k ] (3) q =1 n =1 (q ) n ,t S [k ] biểu diễn tín hiệu sau giải mã STBC cịn H m(q,)n [k ] đáp ứng tần số kênh truyền III TÁCH TÍN HIỆU TUYẾN TÍNH Các tách tín hiệu tuyến tính thực tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình (MSE) symbol phát ước lượng theo định nghĩa sau ∆x = x − xˆ (9) Ma trận tương quan sai số ước lượng định nghĩa sau với hệ số tương ứng giải thích phần P −1 H m(q,)n [k ] = ∑α (q ) m ,n [p ]e πkp −j K { R∆ = E ∆x x (4) p =0 Định nghĩa véc-tơ sau đây: T x (q )[k ] = X 1(q )[k ], X 2(q )[k ] ,   T (q ) (q ) (q )  hn [k ] = H 1,n [k ], H 2,n [k ], …, H M(q ,)n [k ] ,   T (5) yt [k ] = Y1,t [k ],Y2,t [k ], …,YM ,t [k ] ,   T zt [k ] = Z 1,t [k ], Z 2,t [k ], …, Z M ,t [k ]   Để xây dựng mơ hình hệ thống, tiếp tục nhóm véc-tơ để định nghĩa vec-tơ sau: (8) } = E { x − sˆ } (10) E{.} ký hiệu tốn tử lấy kỳ vọng Giá trị MSE trung bình gắn với ước lượng symbol phát x định nghĩa sau { } MSE = trace R∆ (11) x Các tách tín hiệu tuyến tính cưỡng khơng (ZF: Zero Forcing) MMSE thực giảm thiểu MSE cách nhân véc-tơ tín hiệu thu y với ma trận kết hợp W sau xˆ = W H y (12) Ma trận kết hợp cho hai tách tín hiệu tính kết [14],[15] W ZF = H (H H H )−1 - 34 - (13) Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số (27), tháng 5/2012 Q M W MMSE ( = HPH H z + σ I 2M −1 ) HP heq = (14) I2M biểu diễn ma trận đơn vị có 2M hàng 2M cột; P = diag {P1, P2 , …, PQ } ma trận công } (15) Q{.} biểu diễn hàm định (lượng tử hóa) T x = X 1(1), X 2(1), …, X1(Q ), X 2(Q )    (16) Q M H eq = (q ) mn [k ] (18) Việc tính tốn kênh tương đương u cầu số phép tính tốn lớn, nên có thay thuật tốn tính norm (chuẩn) hàm truyền đạt kênh truyền với độ phức tạp tính tốn thấp Điều tương đương với tính giá trị M ∑h (19) m m =1 hm hàng thứ m ma trận kênh H Dựa giá trị độ lợi kênh tương đương này, thuật toán lựa chọn M anten thu tương ứng với M giá trị lớn B Lựa chọn sở SNR Lựa chọn sở SNR thực dựa tính tốn SNR sau ước lượng sử dụng tách tín hiệu tuyến tính ZF hay MMSE Cơng thức SNR sau ước lượng tổng quát cho công thức sau [14] tất P = C MM tổ hợp Các phương pháp lựa chọn anten t A Lựa chọn sở độ lợi kênh Lựa chọn anten sở độ lợi kênh tính tốn so sánh độ lợi kênh tương đương N =2 ∑∑∑ H Hˆeq = phổ biến công bố cho hệ thống MIMOSDM bao gồm: lựa chọn sở độ lợi kênh (normbased selection), lựa chọn sở giá trị riêng (eigenvalue-based selection), lựa chọn sở SNR, lựa chọn sở MSE Tuy nhiên, hệ thống STBC-OFDM đa người dùng theo phạm vi hiểu biết nhóm tác giả, chưa có cơng trình kết hợp đồng thời tách tín hiệu lựa chọn anten Trong phần sau đề xuất phương pháp lựa chọn anten cho hệ thống tách tín hiệu đa người dùng STBC-OFDM (17) m =1 q =1 n =1 IV LỰA CHỌN ANTEN Hệ thống truyền dẫn sử dụng lựa chọn anten thu sử dụng Mt anten thu số tuyến cao tần (RF) M