1. Những đóng góp mới về mặt học thuật, lý luận: Luận án đã góp phần hệ thống hóa và làm sáng tỏ một số vấn đề học thuật về xử lý tín hiệu trong thông tin di động thế hệ tiếp theo. Luận án đã thể hiện xử lý tín hiệu là một trong những kỹ thuật then chốt để nâng cao dung lượng và cải thiện chất lượng của truyền thông vô tuyến di động, nhằm thỏa mãn nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng của xã hội con người. 2. Những phát hiện, đề xuất mới rút ra được từ kết quả nghiên cứu, khảo sát của luận án: Trên cơ sở tiếp cận và hệ thống hóa các kỹ thuật xử lý tín hiệu, đóng góp của luận án có thể được tóm tắt như sau. Đầu tiên, luận án đã xây dựng biểu thức tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) cho hệ thống truyền dẫn phân chia tần số trực giao (OFDM) trên kênh truyền biến đổi theo thời gian với sự hiện diện của độ lệch lần số sóng mang và nhiễu pha. Tiếp theo, luận án đã xây dựng giải thuật ước lượng kênh truyền cho hệ thống truyền dẫn MIMOOFDM song công. Sau đó, luận án đã thiết kế các ma trận tiềnhậu mã hóa cho các hệ thống thông tin di động đa người dùng đa chặng. Cuối cùng, luận án đã đề xuất các kỹ thuật quản lý giao thoa cho hệ thống đa tế bào đa người dùng với thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA CHIỀU TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG ĐA NGƯỜI DÙNG Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số : 62.48.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2016 Cơng trình hồn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Tăng Tấn Chiến, PGS TS Nguyễn Lê Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại: Đại học Đà Nẵng Vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng Giới thiệu Trong mạng thông tin di động: tốc độ liệu tốc độ di chuyển người sử dụng hai thông số mong muốn cải thiện cách liên tục Tuy nhiên, tốc độ liệu tốc độ di chuyển hai yếu tố có tính chất đánh đổi hệ thống, nghĩa tốc độ liệu tăng yêu cầu tốc độ di chuyển thấp ngược lại Trong mạng thông tin di động hệ thứ 5, tốc độ liệu mong muốn người dùng hàng Gbps với tốc độ di chuyển 300km/h Khi tốc độ di chuyển lớn, kênh truyền biến đổi nhanh khiến ước lượng kênh gặp khó khăn tốc độ di chuyển thấp Khi tốc độ liệu lớn, băng thông yêu cầu lớn, nhiên, băng thông nguồn tài nguyên hữu hạn; vậy, việc sử dụng kỹ thuật tái sử dụng tần số cần thiết Chính vậy, với nội dung luận án: "XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA CHIỀU TRONG THƠNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG ĐA NGƯỜI DÙNG", người thực mong muốn đề xuất kỹ thuật xử lý tín hiệu thơng tin di động đa người dùng với mục đích khảo sát ảnh hưởng kênh truyền tốc độ di chuyển người dùng lớn nghiên cứu đề xuất giải thuật cải thiện hiệu hệ thống Cơ sở nghiên cứu mục đích luận án Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu nhận hệ thống thông tin di động, xây dựng biểu thức tính tỷ số tín hiệu giao thoa Signal to Interference Ratio (SIR) - Nghiên cứu hệ thống truyền thông vô tuyến di động khác đa người dùng, đa anten, đa chặng đa tế bào, từ đề xuất giải pháp phù hợp để cải thiện hiệu Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu: Ảnh hưởng kết hợp độ lệch tần số sóng mang nhiễu pha lên kênh truyền biến đổi theo thời gian, kỹ thuật ước lượng kênh hệ thống truyền dẫn song công, kỹ thuật tiền mã hoá để khử giao thoa kỹ thuật phân bổ công suất để cải thiện dung lượng cho hệ thống thông tin di động đa anten đa chặng đa tế bào đa người dùng Phạm vi nghiên cứu: Các mơ hình đáp ứng kênh truyền, ảnh hưởng nhiễu pha, độ lệch tần số sóng mang kênh truyền biến đổi theo thời gian hệ thống truyền dẫn Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), kỹ thuật ước lượng kênh, kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian Space Division Multiple Access (SDMA), kỹ thuật tiền - hậu mã hố thơng tin di động, kỹ thuật phân bổ công suất, kỹ thuật truyền dẫn đa người dùng, đa chặng, đa tế bào Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giải tích mơ Monte-Carlo máy tính Phương pháp giải tích ứng dụng để xây dựng mơ hình hệ thống, tiêu chất lượng kênh truyền, tiêu chí kết hợp tín hiệu, giải tốn tối ưu lồi để tìm nghiệm ràng buộc thông số thực tế Mô Monte-Carlo sử dụng để đánh giá tiêu chí chất lượng dung lượng, Bit Error Rate (BER), SIR, Mean-Square-Error (MSE) Kết đạt đóng góp luận án: - Đề xuất biểu thức tính SIR cho hệ thống truyền dẫn OFDM kênh truyền biến đổi theo thời gian có mặt độ lệch lần số sóng mang nhiễu pha - Đề xuất giải thuật ước lượng kênh truyền cho hệ thống truyền dẫn MIMOOFDM song công - Đề xuất giải thuật thiết kế ma trận tiền/hậu mã hóa cho hệ thống thơng tin di động đa người dùng - đa chặng - Đề xuất phương pháp quản lý giao thoa cho hệ thống đa tế bào - đa người dùng với thông tin trạng thái kênh truyền hồn hảo khơng hồn hảo Bố cục luận án Chương 1: Hệ thống thông tin di đơng, mơi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng Trình bày khái niệm hệ thống thơng tin di động, mơi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường truyền sóng Chương 2: Xử lý tín hiệu đa chiều thơng tin di động Trình bày kỹ thuật xử lý tín hiệu đa chiều thông tin di động OFDM, MIMO, ước lượng kênh, truyền dẫn song công từ đó, đề xuất cơng thức tính SIR cho kênh truyền biến đổi theo thời gian với diện nhiễu pha độ lệch tần số sóng mang xây dựng giải thuật ước lượng kênh biến đổi theo thời gian cho hệ thống truyền dẫn song công Chương 3: Nâng cao dung lượng hệ thống thông tin di động đa người dùng đa chặng Chương tập trung thiết kế tiền - hậu mã hoá với kỹ thuật phân bổ công suất hệ thống thông tin di động đa chặng đa người dùng Dung lượng hệ thống thông tin đa chặng - đa người dùng cải thiện so với giải thuật trước Chương 4: Quản lý giao thoa mạng thông tin di động đa tế bào Giao thoa mạng đa tế bào kiểm sốt thơng qua việc đề xuất tiền - hậu mã hoá dựa kỹ thuật Zero-forcing (ZF), MSE MSE tổng theo tín hiệu rị, đặc biệt có xét đến trường hợp thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo Kết luận hướng phát triển Chương 1: Hệ thống thông tin di động, môi trường truyền sóng yếu tố ảnh hưởng 1.1 Giới thiệu 1.2 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 1.3 Hệ thống thông tin di động 1.4 Kênh truyền vơ tuyến 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.5.1 Các nghiên cứu nâng cao khả di chuyển Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM công nhận giải pháp đầy hứa hẹn để tạo thuận lợi cho tăng trưởng mạnh mẽ yêu cầu lưu lượng liệu băng thông rộng dịch vụ đa phương tiện vô tuyến [8] Tuy nhiên, lợi trội OFDM tồn điều kiện đồng hoàn hảo với fading kênh truyền gần bất biến [9], cịn lúc đồng kém, Inter-Carrier Interference (ICI) tăng làm giảm đáng kể hiệu suất truyền dẫn OFDM [10], [11] Ngoài ra, thuê bao di chuyển với tốc độ cao (trong mạng di động hệ sau) gây hiệu ứng kênh chọn lọc thời gian dẫn đến ICI hệ thống OFDM [12] Phân tích ảnh hưởng Carrier Frequency Offset (CFO) lên hệ thống OFDM nghiên cứu [10] đó, ảnh hưởng PHN phân tích [11] ảnh hưởng kênh truyền biến đổi theo thời gian phân tích [12], [13] Các ảnh hưởng kết hợp kênh truyền biến đổi theo thời gian Phase Noise (PHN) phân tích [14] Ngoài ra, ảnh hưởng kết hợp CFO kênh truyền biến đổi theo thời gian nghiên cứu [15], [16] ảnh hưởng kết hợp CFO PHN xác định [17] Các nghiên cứu phân tích ảnh hưởng riêng lẽ nhiễu pha, độ lệch tần số sóng mang kênh truyền biến đổi theo thời gian, chưa phân tích ảnh hưởng kết hợp nhân tố lên hệ thống truyền dẫn OFDM Trên lợi điểm OFDM, vấn đề hệ thống OFDM liên tục nghiên cứu đề xuất từ hệ thống đơn anten đến đa anten, từ mạng đơn tế bào đến đa tế bào, từ đơn chặng đến đa chặng [8], [18], [19] Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung hệ thống truyền dẫn vơ tuyến bán cơng (half-duplex) với tín hiệu phát tín hiệu thu ấn định hai khe thời gian hai dải tần khác [8], [19] Gần đây, truyền dẫn song công (full-duplex) xem ứng viên đầy hứa hẹn cho truyền thông vô tuyến hệ sau [22] Trong nguyên lý song công, tín hiệu phát thu truyền đồng thời dải tần, điều khiến hiệu phổ tăng gấp đôi [23] Tuy nhiên, truyền dẫn song cơng lại phát sinh tín hiệu tự giao thoa (self-interference) lớn anten thu [23] thông tin trạng thái kênh CSI (channel state information) yêu cầu để triệt giao thoa tách tín hiệu Vừa qua, [24] [25] phát triển kỹ thuật ước lượng kênh sở ML (maximum-likelihood) để triệt tín hiệu tự giao thoa hệ thống MIMO-OFDM song công kênh truyền block-fading Như vậy, người dùng di chuyển, cần thực ước lượng kênh biến đổi theo thời gian 1.5.2 Các nghiên cứu nâng cao dung lượng hệ thống Kỹ thuật nhiều ngõ vào nhiều ngõ Multi-Input Multi-Output (MIMO) kỹ thuật để đạt dung lượng cao kênh truyền vô tuyến [26] Kỹ thuật phân bổ công suất để đạt dung lượng tối ưu đề xuất nghiên cứu [28], [29], [32, 33], [102] Để mở rộng vùng phủ tăng độ lợi phân tập phổ, kỹ thuật truyền dẫn thông tin đa chặng (multihop) sử dụng relay hướng (one-way relay) xem kỹ thuật then chốt năm gần [34], [35], [33] Để giảm số khe thời gian từ bốn thành hai chu trình trao đổi thông tin, truyền thông chuyển tiếp hai chiều (two-way relay) đề xuất thay one-way relay [36], [37], [38], [39], [40], [44], [45], [46], [47] Việc tối ưu hóa dung lượng hệ thống truyền thông chuyển tiếp hai chiều ràng buộc công suất phát số anten phức tạp thật cần thiết Trong mạng thông tin di động hệ sau, áp lực dung lượng, đòi hỏi phải chấp nhận việc sử dụng tần số chung tế bào lân cận, điều làm tăng hiệu sử dụng phổ đồng nghĩa với tăng giao thoa liên tế bào, giao thoa đặc biệt lớn thiết bị biên tế bào Như vậy, đạt hiệu sử dụng phổ cao tốc độ tổng giảm sút giao thoa liên tế bào khơng kiểm sốt cách thỏa đáng Để giải điều này, kỹ thuật tiền mã hóa đề xuất [44], [45], [46], [47] Tuy nhiên, giải pháp có độ phức tạp cao chưa xét đến trường hợp thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo 1.6 Động đề xuất nghiên cứu Chính vậy, nội dung luận án tập trung giải vấn đề sau: - Các nhân tố gây đồng hệ thống thơng tin di động - Ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian ch hệ thống truyền dẫn song công - Cải thiện dung lượng cho hệ thống thông tin di động đảm bảo ràng buộc công suất phát, số lượng anten thu - phát - Quản lý giao thoa mạng thông tin di động đa tế bào có xét đến trường hơp thơng tin trạng thái kênh khơng hồn hảo 1.7 Kết luận chương Chương 2: 2.1 Xử lý tín hiệu đa chiều thông tin di động Giới thiệu chương Chương tập trung xây dựng mơ hình tốn học tín hiệu, thiết lập biểu thức tính SIR cho hệ thống truyền dẫn OFDM qua kênh truyền biến đổi theo thời gian với diện PHN CFO phần 2.3 Tính xác biểu thức SIR kiểm chứng qua mô Monte-Carlo [60] Ngoài ra, giải thuật ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian hệ thống truyền dẫn OFDM-MIMO song công đề xuất [63] phần 2.4 2.2 Mơ hình kênh truyền vơ tuyến kỹ thuật xử lý tín hiệu đa chiều 2.2.1 Mơ hình kênh truyền 2.2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 2.2.3 Kỹ thuật đa anten 2.2.4 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền 2.2.5 Kỹ thuật truyền dẫn song cơng 2.3 Thiết lập biểu thức tính SIR cho hệ thống OFDM ảnh hưởng kết hợp CFO, PHN dịch Doppler 2.3.1 Mơ hình hệ thống Khi xuất CFO, PHN kênh truyền biến đổi theo thời gian, tín hiệu thu biểu diễn sau [14], [15], [17]: L−1 yn = e j2πεn N jφn e (2.1) xn−l hl,n + zn , l=0 đó, xn = √1 N N −1 k=0 Xk exp j 2πkn , n ∈ {0, , N − 1} biểu diễn tín hiệu băng gốc N hệ thống OFDM, ε biểu diễn CFO, φn PHN zn AWGN Sau FFT, ta được: N −1 Yk = Gk,k Xk + Gk,k Xk + Zk , (2.2) k =0 k =k k = 0, , N − 1, Zk mẫu nhiễu thứ k miền tần số Gk,k tính Gk,k = N L−1 N −1 hl,n e l=0 n=0 j2π(nk −nk−lk +nε) N ejφn (2.3) 2.3.2 Xây dựng cơng thức tính SIR Sau vài phép biến đổi, kết hợp E hl,n h∗l,n+m = J0 (2πmfd Ts /N )σl2 , c đó, fd độ dịch Doppler (fd = vf c0 , v tốc độ di chuyển tương đổi bên phát bên thu, fc tần số sóng mang, c0 tốc độ ánh sáng), Ts chu kỳ ký hiệu OFDM, σl2 ; l = 0, 1, , L − Power-Delay Profile (PDP) kênh xét L số đường dẫn tương đương, E[ejφn e−jφn ] = e−πβTs |n−n |/N (N −|r|) J0 (2πfd rTs /N ) L−1 hàm chẵn chuẩn hoá PDP l=0 E |Gk,k | = N +2 N N −1 σl2 = 1, ta có: 2πfd rTs N (N − r)J0 r=1 × cos 2πr∆ N cos 2πrε − πβTs r e N N (2.4) Từ đó, SIR tính sau [60]: N −1 N +2 SIR(fd Ts , ε, βTs ) = r=1 N −1 N −1 d Ts − (N − r)J0 ( 2πrf ) cos( 2πrε N N )e (N − r) cos N +2 r=1 ∆=1 2πr∆ N πrβTs N d Ts − ) cos( 2πrε J0 ( 2πrf N N )e πrβTs N (2.5) 0.20 0.20 0.15 NDF C=7 0.10 C=7 0.05 C=9 0.00 0.20 0.15 0.10 C=12 PHN 0.05 C=16 0.00 -0.2 -0.1 0.0 CFO 0.10 0.20 Hình 2.1: Contour SIR theo PHN Hình 2.2: SIR hàm CFO, PHN với NDF βTs , CFO ε NDF fd Ts khác Hình 2.1 [60] biểu diễn mặt đồng mức 3D SIR hàm CFO, PHN NDF Ta thấy rằng, CFO ảnh hưởng nghiêm trọng lên SIR có giá trị gần 0.5 Khi CFO nhỏ 0.1 PHN lại chiếm ưu Hình 2.2 [60] biểu diễn hai mặt phẳng giá trị SIR theo CFO PHN ứng với NDF= 0.05 NDF= 0.35 Dựa vào hình 2.2 (2.5), ta xác định phạm vi cho phép CFO, PHN tốc độ tối đa thiết bị để đảm bảo tiêu chí QoS (Quality of Service) xác định thông qua SIR 2.3.3 Kết mơ thảo luận Hình 2.3 biểu diễn SIR theo PHN với giá trị xác định CFO NDF (thông qua tốc độ tương đối hai thiết bị thu phát) [60] Ta thấy rằng, SIR giảm nhân tố gây bất đồng tăng lên, ngồi ra, ta cịn thấy phân tích lý thuyết (2.5) đường mô trùng khớp 28 40 Theoretical SIR, ε=0.001 Simulated SIR, ε=0.001 Theoretical SIR, ε=0.005 Simulated SIR, ε=0.005 Theoretical SIR, ε=0.01 Simulated SIR, ε=0.01 26 24 35 SIR (dB) 22 SIR (dB) a: Theoretical SIR ignores and β Ts [13] b: Theoretical SIR ignores [14] c: Theoretical SIR ignores βTs [15] d: Theoretical SIR in (15) e: Simulated SIR 20 18 30 25 16 20 14 12 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 βTs (rad) 15 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 fd Ts (rad) 0.06 0.07 0.08 0.09 Hình 2.3: SIR theo PHN βTs fd Ts = Hình 2.4: SIR theo NDF ε = 0.05 0.03 (v = 100 km/h) βTs = 0.005 Hình 2.4 so sánh biểu thức SIR có mặt thành phần CFO, PHN NDF với nghiên cứu khác Ta thấy rằng, cơng thức đề xuất cho kết xác phân tích đầy đủ nhân tố nghiên cứu trước [60] 2.4 Giải thuật ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian cho hệ thống truyền dẫn MIMO-OFDM song cơng 2.4.1 Mơ hình hệ thống Mẫu thu thứ n ký tự OFDM thứ m anten thu thứ r node A sau loại bỏ tiền tố vòng CP biểu diễn sau: ˙ Nt L−1 Nt L−1 (r) yn,m (r,t) (t) hl,n,m xn−l,m + = t=1 l=0 (r,t) (t) (r) h˙ l,n,m x˙ n−l,m + zn,m , t=1 l=0 intended signal (2.6) AWGN self-interference signal (r,t) với hl,n,m độ lợi kênh đường thứ l thời điểm n ký hiệu OFDM thứ m từ anten phát thứ t node B sang anten thu thứ r node A (kênh chủ đích) Tương tự vậy, h˙ (r,t) l,n,m độ lợi kênh tự giao thoa (từ anten phát node A (r) anten thu nó) zn,m mẫu nhiễu trắng cộng Gaussian với variance No L L˙ số đường dẫn phân tích kênh chủ đích kênh tự giao thoa Đáp ứng xung kênh truyền kênh chủ đích tự giao thoa áp dụng mơ hình triển khai sở BEM: Q (r,t) hl,n,m (r,t) = bn+Ng +mNs ,q cq,l , l ∈ {0, , L − 1}, (2.7) (r,t) b˙ n+Ng +mNs ,q c˙q,l , l ∈ {0, , L˙ − 1}, (2.8) q=1 Q˙ (r,t) h˙ l,n,m = q=1 với Ns = N + Ng chiều dài ký tự OFDM sau chèn CP, m = 0, , M − M số ký tự OFDM liệu lẫn pilot chùm Q Q˙ số hàm sở sử dụng cho kênh chủ đích tự giao thoa Độ lợi kênh truyền thay đổi theo thời gian đường thứ l ký tự OFDM pilot vị trí thứ mp chùm biểu diễn dạng vector: (r,t) (r,t) , (2.9) (r,t) ˙ mp c˙ (r,t) , h˙ l,mp = B l (2.10) hl,mp = Bmp cl với hl,mp h˙ l,mp vector đáp ứng kênh chủ đích tự giao thoa Tổng hợp đường kênh truyền biến đổi theo thời gian biểu diễn dạng vector: h(r,t) = BL c(r,t) , ˙ L c˙ (r,t) , h˙ (r,t) = B với h(r,u) = (r,u) h0 BL = IL ⊗ B, B = T , , (r,u) hL−1 T T , (r,u) hl T BTm1 , , BTmp , , BTmP = (2.11) (2.12) (r,u) hl,m1 c(r,u) T = , , (r,u) hl,mp (r,u) c0 T , , T , , (r,u) hl,mP (r,u) cL−1 T T , T T Tín hiệu thu (2.6) viết lại là: Nt L−1 Q (r) yn,m (r,t) (t) = bn+Ng +mNs ,q cq,l xn−l,m t=1 l=0 q=1 intended signal ˙ Q˙ Nt L−1 (r,t) (t) (r) b˙ n+Ng +mNs ,q c˙q,l x˙ n−l,m + zn,m + t=1 l=0 q=1 (2.13) AWGN self-interference signal Các mẫu tín hiệu thu tương ứng với P ký tự OFDM pilot biểu diễn dạng vector sau: yP = S S˙ c c˙ + z = Ta + z, (2.14) Chương 3: 3.1 Nâng cao dung lượng hệ thống thông tin di động đa người đùng đa chặng Giới thiệu Chương trình bày kỹ thuật xử lý tín hiệu hệ thống thơng tin di động đa người dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian, kỹ thuật truyền thông đa chặng, kỹ thuật tiền/hậu mã hóa Từ lý thuyết này, tác giả đề xuất giải thuật thiết kế ma trận tiền/hậu mã hóa [84], [85], [86] để nâng dung lượng hệ thống thông tin di động đa chặng - đa người dùng sử dụng chuyển tiếp hai chiều (two-way relay) khuếch đại chuyển tiếp Amplify and Forward (AF) ràng buộc công suất phát hệ thống 3.2 Các kỹ thuật truyền dẫn đa người dùng, đa chặng 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Kênh truyền đa người dùng Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA Kỹ thuật truyền thông đa chặng Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính Lập lịch người dùng mạng truyền dẫn MIMO đa người dùng 3.2.6 Mơ hình tốn học hệ thơng multi-user MIMO 3.2.7 Kỹ thuật tiền/hậu mã hóa Block Diagonalization (BD) cho hệ thống thông tin di động đường xuống đa anten đa người dùng 3.3 Đề xuất kỹ thuật tiền/hậu mã hóa hệ thống chuyển tiếp hai chiều 3.3.1 Mơ hình hệ thống Xét hệ thống truyền thơng vơ tuyến chuyển tiếp hai chiều gồm trạm gốc BS có N0 anten, chuyển tiếp hai chiều RS khuếch đại chuyển tiếp AF trang bị NR anten K trạm di động MS với MS thứ k có Nk anten (k = 1, , K ) K Tổng số anten BS MS NN = Nk Các kênh truyền vô tuyến k=0 giả sử block-fading giả sử khơng có đường truyền trực tiếp BS MS H0 ∈ CNR ×N0 ma trận đáp ứng kênh tuyến từ BS đến RS Hk ∈ CNR ×NN , k ∈ {1, , K} biểu thị ma trận đáp ứng kênh từ MS thứ k đến RS Với tuyến từ RS đến BS, G0 ∈ CNR ×N0 ma trận đáp ứng kênh với tuyến từ MS thứ k đến RS, ma trận đáp ứng kênh biểu diễn Gk ∈ CNR ×NN , k ∈ {1, , K} 11 3.3.2 Thiết kế hai giai đoạn riêng biệt Giai đoạn đa truy cập Tín hiệu nhận relay biểu diễn sau (3.1) r = HPs + nr , đó, H = [H0 , H1 , , HK ] ma trận đáp ứng kênh, P = diag{P0 , P1 , , PK } ma trận tiền mã hóa BS K MS, s = [sT0 , sT1 , , sTK ]T ma trận tổ hợp từ (K) vector thông tin từ BS K MS, s0 = s(1) , nr biểu thị vector AWGN có B sB kỳ vọng ma trận hiệp phương sai E[nr nH r ] = σr INR Giao thoa đa truy cập - Multiple Access Interference (MAI) hạn chế BS K MS sau [102]: P = VΦ, đó, V = [V0 , V1 , , VK ], cột Vk ∈ CNk ×Nk , k = 0, , K vector riêng bên phải Hk Φ = diag {Φ0 , Φ1 , , ΦK }, Φk ∈ CNk ×Nk chọn miễn thoả mãn ràng buộc công suất Trong chương này, Φk chọn để tối đa hóa dung lượng mạng MAI loại bỏ cách chọn ma trận hậu xử lý T [102]: T = (HP)H (HP) −1 (HP)H (3.2) Giai đoạn quảng bá Gọi W ma trận tiền mã hóa relay Tín hiệu nhận node viết sau: y = GW(s + Tnr ) + n (3.3) T , yT ]T , G = [G , , G , G ], W = [W , , W , W ] đó, y = [y1T , , yK 1 K K BS T T T T n = [n1 , , nK , nBS ] Tiền mã hóa relay Ma trận tiền mã hóa relay thiết kế để thỏa mãn điều kiện zero˜k = forcing: Gk Wk = for all k = k and ≤ k, k ≤ Định nghĩa ma trận G GT1 , · · · , GTk−1 , GTk+1 , · · · , GTK , GT0 T , đó, k = 1, , K, Ma trận tiền mã hóa có dạng: (3.4) W = BΨ, ˜ k ) vector riêng ˜ kn gồm NR −rank(H ˜ 1n V ˘ 1s V ˜ Kn V ˘ Ks V ˜ 0n V ˘ 0s , V B = V ˜ k, V ˘ ks gồm vector riêng Gk V ˜ kn khác Ψ = diag {Ψ1 , , ΨK , Ψ0 } cuối G chọn miễn thỏa mãn ràng buộc cơng suất Xử lý tín hiệu BS MSs Trong giai đoạn quảng bá BC, tín hiệu mong muốn khơi phục ˘ ∈ CLk ×Nk để loại bỏ Multi-User BS K MS cách nhân với ma trận T Interference (MUI) [102]: ˘ = (Gk Wk )H (Gk Wk ) T 12 −1 (Gk Wk )H (3.5) Kết mô thảo luận Mean Sum Rate vs SNR 100 100 a: DPC 5users b: BD+WF users c: BD users d: BD+WF users e: BD users f: ZF single antenna users [103] g: Channel Inversion users [32] Sum Rate (bps/Hz) 80 70 60 80 50 40 30 70 60 50 40 30 20 20 10 10 0 10 12 a: DPC users × antennas b: ZF+WF users × antennas c: ZF users × antennas d: ZF+WF users × antennas e: ZF users × antennas f: ZF users × antennas [103] g: CI users × antennas [32] 90 Sum Rate (bps/Hz) 90 14 16 18 20 SNR (dB) 10 12 14 16 18 20 SNR (dB) Hình 3.2: Tốc độ tổng đường xuống Hình 3.1: Tốc độ tổng đường lên Hình 3.1 biểu diễn tốc độ tổng đường lên hệ thống thông tin đa chặng đa người dùng Trong hình, ’WF’ biểu thị áp dụng kỹ thuật ’water-filling’ Để so sánh thêm, hình vẽ cịn biểu diễn phương pháp nghịch đảo kênh - Channel Inversion (CI) [32] cho hệ thống thiết bị người dùng đơn anten qua đường g Trong hệ thống đa người dùng đáp ứng kênh truyền tổng hợp tổ hợp tuyến tính ma trận kênh cho tất người dùng với số anten phát thu nên ma trận giả đảo không khử hết giao thoa người dùng anten Kết tương tự biểu diễn Hình 3.2 với tốc độ tổng đường xuống hệ thống theo số lượng người dùng số anten khác 3.3.3 Thiết kế end-to-end Giai đoạn đa truy cập Thực Singular Value Decomposition (SVD) ma trận kênh đường lên chọn Ak = VHk Σ1/2 Ak , ΣAk = diag{ak,1 , , ak,Nk }, tín hiệu thu nhận RS 1/2 1/2 biểu diễn: r = UH ΣH ΣA s+nR , với Ak ma trận tiền mã hóa BS MS thứ k , nR biểu diễn vector nhiễu trắng cộng Gaussian kích thước NR ×1 có kỳ vọng T T T không ma trận hiệp phương sai E[nR nH R ] = σR INR , UH = [UH0 , , UHK ] , 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 ΣH = diag{ΣH0 , , ΣHK }, ΣA = diag{ΣA0 , , ΣAK } Hậu mã hóa thực RS trước tiền mã hóa chuyển tiếp 1/2 1/2 ˜ r = UH ˜R , H r = ΣH ΣA s + n (3.6) với n ˜ R = UH H nR Giai đoạn quảng bá 1/2 ΣG H T T T SVD ma trận kênh đường xuống G = UG Σ1/2 G VG , với UG = [UG0 , , UGK ] , T , , V T ]T = diag {ΣG0 , , ΣGK } , ΣGk = diag{gk,1 , , gk,Nk } VG = [VG GK ˜k = Định nghĩa: G GT1 , · · · , GTk−1 , GTk+1 , · · · , GTK , GT0 13 T 1/2 , Bk = WGk ΣBk ,, ˜ Gkn gồm NR − rank(Gk ) vector ˜ G1n V ˘ G1s V ˜ GKn V ˘ GKs V ˜ G0n V ˘ G0s , V V ˜ ˜ k, V ˘ Gks = VH V vector riêng riêng bên phải cuối G Gk Gkn 1/2 ˜ Gkn với giá trị riêng khác không Σ = diag{bk,1 , , bk,N } Gk V WGk = Bk k ma trận tùy ý mà thỏa mãn ràng buộc tổng công suất phát Dữ liệu nhận dễ dàng khôi phục cách nhân với ma trận trọng số UH G: 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 y ˆ = UH ˜R + n ˆ , với n ˆ = UH G n G y = ΣG ΣB ΣH ΣA s + ΣG ΣB n Phân bố công suất đa người dùng Bài tốn tối ưu hóa tốc độ tổng hệ thống: K Nk 1+ log2 maximize hk,i ak,i σk2 k=0 i=1 1+ Nk K hk,i ak,i σk2 i=1 + gk,i dk,i σR (3.7) , gk,i dk,i σR Nk ak,i ≤ Pk , subject to : 1+ dk,i ≤ PR , (3.8) k=0 i=1 P P ràng buộc công suất node k RS với dk,i = bk,i hk,i ak,i + σR R k K Nk Đặt: J0 (ak,i , bk,i ) = log2 + k=0 i=1 K Nk J2 (ak,i , bk,i ) = log2 + k=0 i=1 hk,i ak,i σk2 + gk,i dk,i σR K Nk , J1 (ak,i ) = log2 + k=0 i=1 hk,i ak,i σk2 gk,i dk,i σR Giải tốn tối ưu hóa sử dụng J0 (ak,i , bk,i ) J1 (ak,i ) −J1 (ak,i ) + J0 (ak,i , bk,i ), minimize (3.9) Nk ak,i ≤ Pk , subject to : (3.10) i=1 Giải ra, ta [86]: ak,i σ2 = k 2hk,i gk,i dk,i σR [x]+ = max(0, x), µk = K Nk k=0 i=1 σk2 2hk,i gk,i dk,i σR λk 2 gk,i dk,i hk,i gk,i dk,i +4 µk − −2 2 σR σk σR + , (3.11) = Pk (3.12) xác định bởi: gk,i dk,i hk,i gk,i dk,i +4 µk − −2 2 σR σk σR + Giải toán tối ưu hóa sử dụng J0 (ak,i , bk,i ) J2 (ak,i , bk,i ) minimize −J2 (ak,i , bk,i ) + J0 (ak,i , bk,i ), K (3.13) Nk dk,i ≤ PR , subject to : k=0 i=1 14 (3.14) Giải ra, ta [86]: dk,i σ2 = R 2gk,i [x]+ = max(0, x), ν = K Nk k=0 i=1 σR 2gk,i hk,i ak,i σk2 γ hk,i ak,i σk2 + hk,i ak,i gk,i hk,i ak,i +4 ν− −2 2 σk σR σk2 , (3.15) = PR (3.16) xác định hk,i ak,i gk,i hk,i ak,i +4 ν− −2 2 σk σR σk2 + Kết mô thảo luận 35 180 (4:16:32:4) ZF+PA proposed (4:16:32:4) ZF proposed (4:8:16:2) ZF+PA proposed (4:16:32:4) ZF proposed (4:4:8:1) ZF+PA proposed (4:16:32:4) ZF proposed Sum Rate (bits/s/Hz) 140 Proposed [104] [85] [105] [103] 30 Sum Rate (bits/s/Hz) 160 120 100 80 60 40 25 20 15 10 20 10 12 SNR (dB) 14 16 18 20 10 11 12 13 14 15 SNR (dB) Hình 3.3: Tốc độ tổng theo SNR Hình 3.4: So sánh tốc độ tổng phương pháp cấu hình (4:4:8:1) node Hình 3.3 biểu diễn phương pháp đề xuất theo cấu hình hệ thống khác Rõ ràng, số anten tăng, tốc độ tổng tăng đương nhiên, thực thêm phân bổ công suất, dung lượng cải thiện, đặc biệt vùng SNR bé Hình 3.4 biểu diễn tốc độ tổng theo SNR cấu hình anten hệ thống (4:4:8:1) PR = P0 = Pk , k = 1, , K Trong hình, ta thấy giải pháp đề xuất có tốc độ tổng cao so với đề xuất trước [85], [103], [105] đặc biệt nhỉnh chút so với thuật toán [104] 3.4 Kết luận chương Như vậy, kỹ thuật xử lý tín hiệu đa người dùng thơng tin di động trình bày cách tổng quan, chương đề xuất: - Phương pháp tiền mã hóa kết hợp phân bổ cơng suất lập lịch đa người dùng để tối đa hóa dung lượng hệ thống thông tin đa chặng đa người dùng sử dụng chuyển tiếp hai chiều theo hai giai đoạn tách biệt [84], [85] - Phương pháp tiền mã hóa kết hợp phân bổ cơng suất để tối đa hóa dung lượng end-to-end hệ thống thông tin đa chặng đa người dùng sử dụng chuyển tiếp hai chiều [86] 15 Chương 4: 4.1 Quản lý giao thoa mạng thông tin di động đa tế bào Giới thiệu chương Chương tập trung đề xuất kỹ thuật xử lý tín hiệu mạng đa tế bào để quản lý giao thoa với mục đích tăng tốc độ tổng mạng đảm bảo tính thực tế (ràng buộc công suất phát thiết bị) với điều kiện thông tin trạng thái kênh - Channel State Information (CSI) hồn hảo lẫn khơng hồn hảo [109], [110], [111] 4.2 Quản lý giao thoa hệ thống đa tế bào - đa người dùng với điều kiện CSI hoàn hảo 4.2.1 Quản lý giao thoa đường lên Xét mạng thông tin di động với C tế bào, tế bào c có trạm gốc (BSc ) Kc trạm di động (MSc,k ) BSc có Nc,B anten MS có Nc,k anten Tại H cho MS BSc , tín hiệu nhận nhân với ma trận hậu mã hóa Wc,k c,k sau Kc y ˆc,k = H Wc,k Hc,k vc,k sc,k H + Wc,k Hc,j vc,j sc,j j=1,j=k Kc H +Wc,k H nc , Hc ,k vc ,k sc ,k + Wc,k (4.1) c =c k =1 với sc,k : tín hiệu phát từ MSc,k đến BSc , sc ,k : tín hiệu mong muốn nhận BSc từ MSc ,k giao thoa sang BSc , Hc,k ∈ CNc,B ×Nc,k : ma trận đáp ứng kênh từ MSc,k đến BSc Hc ,k ∈ CNc,B ×Nc ,k : ma trận đáp ứng kênh từ MSc ,k đến BSc , vc,k vc,k : vector tiền mã hóa MSc,k MSc ,k , nc ∈ CNc,B ×1 : AWGN CN (0, σc2 INc,B ) Thiết kế ma trận hậu mã hóa Giả sử tất thiết bị có CSI hồn hảo, ma trận tiền mã hóa thiết kế tín hiệu từ thuê bao khác trực giao Bài toán thiết kế ma trận hậu mã hóa phát biểu sau: minimize Wc,k subject to E{||ˆ sc,k − sc,k ||2 }, (4.2) Wc,k Hc,i Hc,i = 0, i = k, i = 1, , Kc , Wc,k Hc ,j wc ,j = 0, c = c , j = , Kc , k = 1, , Kc , c, c = 1, , C, (4.3) với vc,k , vc ,k , (k = 1, , Kc ), (k = 1, , Kc ): ma trận tiền mã hóa, ˆsc,k : ký tự khôi phục MS k Ma trận hậu mã hóa MS k định nghĩa 16 sau: Wc,k = Mc,k wc,k , đó, ma trận Mc,k ma trận không gian bù trực giao ma trận Hc,k xác định [115]: −1 ˜ H ˜ c,k (H ˜H H ˜ Mc,k = I − H c,k c,k ) Hc,k , (4.4) ˜ c,k = G1 , , Gc−1 , Hc,1 wc,1 , , Hc,k−1 wc,k−1 , Hc,k+1 wc,k+1 , , Hc,Kc wc,Kc , với: H Gc+1 , , GC , Gc = Hc,1 wc,1 , , Hc,Kc wc,Kc , c = 1, , C (4.2) viết lại thành: H minimize E{||wc,k MH c,k Hc,k vc,k sc,k − sc,k || } (4.5) wc,k H cho không, ta Xây dựng hàm mục tiêu Lagrange, lấy đạo hàm theo wc,k nhận nghiệm tối ưu: wc,k = MH c,k Hc,k vc,k † (4.6) , với [.]† ký hiệu phép tính giả đảo ma trận Moore-Penrose [115] Thiết kế ma trận tiền mã hóa MS Các ma trận tiền mã hóa xác định dựa toán tối ưu: Kc maximize k=1 subject to Hc,k Qc,k FH k log I + σc2 tr Qc,k ≤ Pc,k Qc,k 0, k = 1, , Kc , c = 1, , C, H , Q Nc,k ×Nc,k , k = 1, , K , c = 1, , C , ký hiệu đó, Qc,k = vc,k vc,k c c,k ∈ C trận positive semidefinite Xây dựng hàm Lagrangian giải điều kiện KKT, ta được: Qc,k = Υc,k diag 1 − γ c,k dc,k,1 với [x]+ = max (0, x) Mức water-filling µc,k = γc,k + 1 , , − γ c,k dc,k,Nc,k (4.7) ma + ΥH c,k (4.8) xác định ràng buộc cơng suất: Nc,k µc,k − n=1 Kết mơ Ký hiệu (Nc,B : Kc × Nc,k : dc,k,n + = Pc,k (4.9) Kc × Nc ,k ) sử dụng để đặc trưng hóa c =c cấu hình anten Hình 4.1 biểu diễn BER theo SNR hệ thống MIMO tế bào Sơ đồ P-SVD [116], [117] áp dụng cấu hình khơng đủ số anten thu theo yêu cầu kỹ thuật tiền mã hóa theo SVD Trong đó, sơ đồ đề xuất cho kết tốt tồn miền SNR 17 Hình 4.2 biểu diễn dung lượng (tốc độ tổng) tế bào theo SNR hệ thống gồm tế bào với Nc,k = 2, c = 1, 2, hai trường hợp (10:7x2:2x2) (6:3x2:2x2) Như quan sát, ta thấy sơ đồ đề xuất cho dung lượng cao so với [116], [117] toàn miền SNR cách biệt lớn số anten tăng (10:7x2:2x2) Proposed (6:3x2:2x2) Proposed (6:3x2:2x2) P−SVD (10:7x2:2x2) P−SVD 120 100 Capacity (bits/s/Hz) 10 BER (ral) 140 (10:7x2:2x2) P−SVD (10:4x2:2x2) P−SVD (10:3x2:2x2) P−SVD (10:7x2:2x2) Proposed (10:4x2:2x2) Proposed (10:3x2:2x2) Proposed −1 −2 10 −3 10 80 60 40 20 −4 10 10 SNR (dB) 15 20 10 12 SNR (dB) 14 16 18 20 Hình 4.1: BER theo SNR đường lên với Hình 4.2: Tốc độ tổng theo SNR điều chế 16-QAM kênh truyền đường lên 4.2.2 Kiểm soát giao thoa đường xuống hệ thống thông tin di động đa tế bào Mơ hình hệ thống Tín hiệu nhận MSk viết sau Kl L yl,k = hl,l,k vl,k sl,k + hl,l,k vlj slj + j=1,j=k (4.10) hi,l,k Vi si + nl,k , i=1,i=l nRl,k ×1 T , , vT ]T ∈ CnTl ×Kl ma trận tiền mã hóa BS , n với Vi = [vi1 l l,k ∈ C iKl I)∀l, k Bài tốn tối thiểu hóa MSE với nhiễu trắng cộng Gaussian, nl,k ∼ CN (0, σl,k ràng buộc công suất phát cho tế bào phát biểu sau L Kl E{||ˆ yl,k − sl,k ||2 } (4.11) H Tr(vl,k vl,k ) ≤ Pl , ∀l (4.12) (P 1) : vl,k ,wl,k l=1 k=1 Kl subject to k=1 Thiết kế ma trận tiền mã hóa ˘H H ˘ lH ˘H Ta định nghĩa Cl = InTl − H l l ˘ l [115] H ˘l = không gian không H hl,j,1 , hl,j,2 , , hl,j,Kl −1 ˘ l , phép chiếu trực giao vào H HTl,1 , , HTl,(l−1) , HTl,(l+1) , , HTl,L T , Hl,j = ma trận đáp ứng kênh từ BSl đến tất MS tế bào thứ j Ma trận tiền mã hóa BS thứ l có dạng: Vl = C l P l , 18 (4.13) với Pl ∈ CnTl ×Kl ma trận tùy ý phải thỏa mãn ràng buộc cơng suất Tồn tín hiệu thu nhận tế bào l sau tiến hành hậu mã hóa là: ˆ l = Wl Hl Cl Pl sl + Wl nl , Y T T , ,y ˆl = y ˆl,K với Y ˆl,1 l T (4.14) , Wl = blkdiag wl,1 , , wl,Kl , nl = nTl,1 , , nTl,Kl T Bài toán tối ưu phát biểu sau: L (P 2) : Kl H H H H H H H Tr PH l Cl hl,l,k wl,k wl,k hl,l,k Cl Pl − Tr Pl Cl hl,l,k wl,k pl,k ,wl,k l=1 k=1 H −Tr wl,k hl,l,k Cl Pl + Tr (I) + σl,k Tr wl,k wl,k (4.15) Giải ra, ta được: −1 wl,k = H H hl,l,k Cl Pl PH l Cl hl,l,k H H PH l Cl hl,l,k I + σl,k , (4.16) Bài toán tối thiểu hóa tổng MSE theo ràng buộc cơng suất viết lại thành: L (P 3) : subject to : E ||Pl sl + Bl Wl nl − Bl sl ||2 Pl Tr l=1 H PH l Cl Cl Pl ≤ Pl , ∀l, (4.17) (4.18) với Bl = (Wl Hl Cl )† Ta nghiệm: Pl = I + γl CH l Cl −1 Bl H Tr PH l C l C l P l = Pl (4.19) (4.20) Kết mô Để khảo sát hệ thống nTl > LKl nRl,k Hình 4.3 4.4 biểu diễn tốc độ tổng BER theo SNR so sánh phương pháp đề xuất với [48] Ta thấy điều kiện này, [48] có hiệu cao so với sơ đồ đề xuất miền SNR bé số luồng liệu phương pháp đề xuất giảm xuống so với [48] Trong đó, BER hai sơ đồ gần 4.3 Quản lý giao thoa hệ thống đa tế bào - đa người dùng với điều kiện CSI khơng hồn hảo 4.3.1 Mơ hình hệ thống Sử dụng ma trận hậu mã hóa Wl,k ∈ Cd×Nl,k , tín hiệu thu rl,k MS-k tế bào thứ l mơi trường CSI khơng hồn hảo là: L ˆ l,i,k − El,i,k Vl xl + Wi,k ni,k H ri,k = Wi,k l=1 19 (4.21) 10 45 K =4, n : [14] : Proposed algorithm 40 l R K = 4, n l l,k 10 35 R =2 l,k −2 30 BER Sum−rate (bits/s/Hz) −1 =2 25 10 −3 20 10 15 −4 10 5 10 15 SNR (dB) 20 25 10 30 : [14] : Proposed algorithm −5 SNR (dB) Hình 4.3: Tốc độ tổng theo SNR số Hình 4.4: BER theo SNR số anten anten phát lớn tổng số anten thu phát nhỏ tổng số anten thu (nTl = (nTl = 30 > 24 = LKl nRl,k ) 30 > 24 = LKl nRl,k ) Algorithm 4.1 Thuật tốn thiết kế tiền mã hóa theo MSE Đầu vào: - Số người dùng Kl , số anten BS, MS: NTl , NRl,k Đầu ra: - Các ma trận tiền, hậu mã hoá Pl , wl Ràng buộc: - Tổng công suất phát anten node BSl nhỏ ràng buộc công suất Pl theo công thức (4.20) Các bước thuật toán: 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: Bước 1: Khởi tạo Khởi tạo ma trận đáp ứng kênh hl , Khởi tạo Pl thỏa mãn ràng buộc công suất (4.20) Bước 2: Với Pl tìm được, tính wl,k theo (??) Bước 3: Với wl,k , tính γl theo (4.20) Bước 4: Cập nhật Pl theo (4.19) với γl tính Bước 5: - Nếu tiêu chí hội tụ chưa thỏa lặp lại Bước - Ngược lại: dừng vòng lặp ˆ l,i,k = Hl,i,k + El,i,k với H ˆ l,i,k với Vi ∈ CMi ×dKi ma trận tiền mà hóa BS-i H đáp ứng kênh truyền ước lượng từ BS-l đến MS-k tế bào thứ i El,i,k ma trận sai số ước lượng kênh El,i,k giả sử có phân bố Gaussian 20 H với kỳ vọng 0, E{El,i,k EH l,i,k } = σh I variance E{El,i,k El ,i ,k } = với l = l , i = i k = k 4.3.2 Thiết kế Thiết kế ma trận tiền/hậu mã hóa Bài toán tối ưu thiết kế ma trận tiền/hậu mã hóa hệ thống L tế bào phát biểu sau: L minimize Vl , Wl,k subject to : L Kl E ||αl−1 Wl,k Sl,k − Dk xl || Ki E ||αl−1 Wi,k Il,i,k ||2 + i=1 k=1 i=l l=1 k=1 Tr Vl VlH ≤ Pl , l = 1, , L (4.22) với Dk ∈ Cd×Kl d ma trận chọn để sl,k = Dk xl Dk DH k = Id với k αl thêm vào ma trận tiền mã hóa để thuận tiện dẫn nghiệm tối ưu dạng tường minh Trong toán này, hàm mục tiêu g Vl , Wl,k không convex giải cách trực tiếp để tìm ma trận tiền/hậu mã háo tối ưu Tuy nhiên, biết ma trận tiền mã hóa (hoặc hậu mã hóa) g Vl , Wl,k lại convex giải Vì vậy, thuật tốn lặp xây dựng để giải toán Mệnh đề Với ma trận hậu mã hóa Wl,k cho, ma trận tiền mã hóa Vl tối ưu điều kiện CSI khơng hồn hảo [111]: Kl −1 ˆ H W H Dk , αl H l,l,k l,k Vl = (Tl ) (4.23) k=1 với Pl αl = Kl Tr k=1 (4.24) ˆ l,l,k T−2 H ˆ H WH Wl,k H l l,l,k l,k Kl σ n H H ˆ ˆ H l,i,k Wi,k Wi,k Hl,i,k + Pl i=1 k=1 k=1 L Tl = L Ki Tr H Wl,k Wl,k Ki H Tr Wi,k Wi,k I I + σh2 i=1 k=1 Mệnh đề Với ma trận tiền mã hóa Vl cho, ma trận hậu mã hóa Wl,k tối ưu điều kiện CSI khơng hồn hảo [111]: L Wl,k = Ki ˆH αl Dk VlH H l,l,k L ˆ l,i,k Vl VH H ˆ H + σn2 I + σ H l l,i,k h i=1 k=1 −1 Tr Vi ViH I i=1 (4.25) 21 Thuật toán 4.2 Thiết kế tiền/hậu mã hóa hệ thống đa tế bào CSI khơng hoàn hảo Đầu vào: - Số người dùng Kl , số anten BS, MS: NTl , NRl,k Đầu ra: - Các ma trận tiền, hậu mã hoá Pl , wl Ràng buộc: - Tổng công suất phát anten node BSl nhỏ ràng buộc công suất Pl theo công thức (4.22) Các bước thuật toán: 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: Bước 1: Khởi tạo Khởi tạo ma trận đáp ứng kênh hl Khởi tạo Wl,k ma trận đơn vị với l = 1, , L, k = 1, , Kl Bước 2: Với Wl,k , tính Vl theo (4.23) Bước 3: Với Vl tìm được, cập nhật Wl,k theo (4.25) Bước 4: - Nếu tiêu chí hội tụ chưa thỏa lặp lại Bước - Ngược lại: dừng vòng lặp (a) Nhân tử Lagrange (b) Ma trận tiền mã hóa (c) Ma trận hậu mã hóa Tổng = (a)+(b)+(c) O L2 2Ml Kl3 Nk dk + L2 Ml2 Kl2 dk Thuật toán 4.2 O Kl2 Nk dk O L2 2Ml Kl3 Nk dk +LKl3 Nk2 dk +L2 Ml2 Kl2 dk +LMl Kl3 Nk dk +Ml3 + Ml2 Kl2 Nk2 +Ml Kl2 Nk dk +LKl4 Nk3 + LMl Kl3 Nk2 +2LMl Kl2 Nk dk + LKl3 Nk2 dk +LMl Kl3 Nk dk +Ml3 + Ml2 Kl2 Nk2 +Ml Kl2 Nk dk + Kl2 Nk dk O 2LMl Nk dk [49] O niter 8Ml3 +LKl4 Nk3 + LMl Kl3 Nk2 O 2LMl Kl2 Nk dk +LNk2 dk +Ml3 + Ml2 Nk2 +Ml Nk dk O L2 (2Ml Nk dk + L2 Ml2 dk O 2LMl2 Nk dk +LMl2 dk +Nk3 + Ml Nk2 + Ml Nk dk +LNk3 + LMl Nk2 + LMl Nk dk +2LMl Nk dk + LNk2 dk +Ml3 + Ml2 Nk2 + Ml Nk dk +Nk dk + niter 8LMl3 Kl O L2 2Ml Kl3 Nk dk + L2 Ml2 Kl2 dk [50] O niter 2(Ml3 +Ml2 Kl Nk ) O 2LMl Kl2 Nk dk O L2 2Ml Kl3 Nk dk +LKl3 Nk2 dk +Ml3 + Ml2 Kl2 Nk2 +L2 Ml2 Kl2 dk +LKl4 Nk3 + LMl Kl3 Nk2 +Ml Kl2 Nk dk +LMl Kl3 Nk dk +LKl4 Nk3 + LMl Kl3 Nk2 +LMl Kl3 Nk dk +2LMl Kl2 Nk dk + LKl3 Nk2 dk +4Ml3 /3 + Ml2 Kl2 Nk2 +Ml Kl2 Nk dk + Kl2 Nk dk +niter 2L(Ml3 Kl + Ml2 Kl2 Nk ) O L2 2Ml Kl3 Nk dk + L2 Ml2 Kl2 dk [52], [53], [54] O niter 8Ml3 O 2LMl Kl2 Nk dk +LKl3 Nk2 dk O L2 2Ml Kl3 Nk dk +L2 Ml2 Kl2 dk +Ml3 + Ml2 Kl2 Nk2 +LKl4 Nk3 + LMl Kl3 Nk2 +Ml Kl2 Nk dk +LMl Kl3 Nk dk +LKl4 Nk3 + LMl Kl3 Nk2 +LMl Kl3 Nk dk +2LMl Kl2 Nk dk + LKl3 Nk2 dk +Ml3 + Ml2 Kl2 Nk2 +Ml Kl2 Nk dk + Kl2 Nk dk +niter 8LMl3 Kl ) Bảng 4.1: So sánh độ phức tạp thuật tốn 22 4.3.3 Phân tích độ phức tạp Bảng 4.1 trình bày chi tiết độ phức tạp việc tính (a) nhân tử Lagrange, (b) ma trận tiền mã hóa, (c) ma trận hậu mã hóa tổng độ phức tạp thuật tốn xét cho vịng lặp bên ngồi Từ bảng này, ta thấy độ phức tạp thuật toán đề xuất bé nhiều so với thuật toán [49], [52], [50], [53] [54] 4.3.4 robust 14 L = 3, Kl = 1, Ml = 6, Nl,k = 6, nonrobust 12 l = 1, ,Imperfect L, k = Kl CSI:1, σ , = 0.04 robust h 10 Robust design (using σh2 in Algorithm 1) Non-robust design (ignoring σh2 in Algorithm 1) 80 70 60 non50 robust Sum-rate performance (bits/s/Hz) l = 1, , L, k = 1, , Kl Imperfect CSI:2 σh2 = 0.04 90 L = 3, Kl = 1, Ml = 6, Nl,k = 6, 16 Sum-rate performance (bits/s/Hz) Kết mô thảo luận 10 a: [49] (robust design) b: Algorithm (robust design) c: [49] (non-robust design) d: Algorithm (non-robust design) 15 20 25 40 30 L = 3, Kl = 2, Ml = 8, Nl,k = 4, l = 1, , L, k = 1, , Kl 30 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 σ 2h SNR (dB) Hình 4.5: Tốc độ tổng hệ thống đa tế Hình 4.6: Tốc độ tổng hệ thống đa tế bào - đơn người dùng bào - đa người dùng Khi xét đến ảnh hưởng CSI khơng hồn hảo, hình 4.5 biểu diễn hiệu [49] (robust design)của thuật toán đề xuất [49] Đường a b thiết kế a: “robust” “non-robust” (robust biểu diện b: tốcAlgorithm độ tổng của1thuật toándesign) đề xuất [49] thiết kế “robust” (sử c: [49] (non-robust design) dụng sai số ước lượng) Đường c d biểu diễn tốc độ tổng thuật toán đề xuất Algorithm (non-robust design) [49] trongd: thiết kế “non-robust” (không sử dụng sai số ước lượng kênh) Việc thực “non-robust” phần đơn giản cách cho σh2 = Như mô 10 15 20 25 30 mong đợi, việc sử dụng thông tin thống kê CSI khơng hồn hảo thiết kế SNR (dB) có hiệu cao không sử dụng sai số ước lượng kênh Trong hệ thống đa tế bào - đa người dùng (L = 3, K1 = K2 = K3 = 2) với CSI khơng hồn hảo, Hình 4.6 biểu diễn tốc độ tổng thuật toán đề xuất khi: sử dụng thông tin thống kê lỗi ước lượng kênh (thiết kế robust) bỏ qua thông tin (thiết kế non-robust cách cho σh2 = 0) Ta thấy rằng, khoảng cách thiết kế robust non-robust tăng mức lỗi ước lượng σh2 tăng 4.4 Kết luận Như vậy, chương đề xuất giải thuật thiết kế ma trận tiền/hậu mã hoá với mục đích giảm thiểu giao thoa từ đường lên đến đường xuống hệ thống thông tin vô tuyến đa tế bào - đa người dùng [109], [110] Ngoài ra, thuật tốn thiết kế tiền/hậu mã hóa với độ phức tạp thấp cho truyền dẫn đa điểm phối hợp CSI khơng hồn hảo đề xuất [111] 23 Kết luận hướng phát triển Kết luận: Luận án góp phần hệ thống hóa làm sáng tỏ số vấn đề học thuật xử lý tín hiệu thơng tin di động hệ Luận án thể xử lý tín hiệu kỹ thuật then chốt để nâng cao dung lượng cải thiện chất lượng truyền thông vô tuyến di động, nhằm thỏa mãn nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng xã hội người Trên sở tiếp cận hệ thống hóa kỹ thuật xử lý tín hiệu, đóng góp luận án tóm tắt sau Đầu tiên, luận án xây dựng biểu thức tính tỷ số tín hiệu nhiễu (SIR) cho hệ thống truyền dẫn phân chia tần số trực giao (OFDM) kênh truyền biến đổi theo thời gian với diện độ lệch lần số sóng mang nhiễu pha (với báo 2, 4, 7) Tiếp theo, luận án xây dựng giải thuật ước lượng kênh truyền cho hệ thống truyền dẫn MIMO-OFDM song cơng (trong báo 11) Sau đó, luận án thiết kế ma trận tiền/hậu mã hóa cho hệ thống thông tin di động đa người dùng - đa chặng (với báo 3, 8) Cuối cùng, luận án đề xuất kỹ thuật quản lý giao thoa cho hệ thống đa tế bào - đa người dùng với thông tin trạng thái kênh truyền hồn hảo (cơng bố 10) khơng hồn hảo (cơng bố 12) Hướng phát triển: Tiếp tục đề xuất giải thuật ước lượng kênh truyền biến thiên nhanh theo thời gian cho hệ thống vô tuyến song công đa người dùng di chuyển nhanh Nghiên cứu thêm để đề xuất kỹ thuật quản lý nhiễu giao thoa hệ thống mạng đa tế bào có ràng buộc công suất phát anten sử dụng thơng tin kênh truyền khơng hồn hảo 24 Danh mục cơng trình cơng bố N.-D.-N Vien, N.-L Hung and T.-T Chien (2012), “Statistical Properties of Rayleigh Fading Models in Wireless Communications”, The University of Danang Journal of Science and Technology, vol 3, no 8(57), pp 262–269 N.-D.-N Vien, N.-L Hung and T.-T Chien (2012), “Interference Analysis for OFDM Transmissions in the Presence of Time-Varying Channel Impairments”, REV Journal on Electronics and Communications, vol 2, no 3-4, pp 140–147 N.-D.-N Vien, N.-L Hung and T.-T Chien, T.-T.- Huong, B.-T.-M Tu and N.-H Giang (2014), “Two-Way Relay Networks with SDMA: Precoding Design and Power Allocation”, Proc of The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS’14) pp 127–135 N.-D.-N Vien, N.-L Hung and T.-T Chien (2012), “On the effect of phase noise and time-selective channel on OFDM transmission: SINR analysis”, Proc of The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) pp 98–102 N.-D.-N Vien, N.-L Hung and T.-T Chien (2013), “Multiuser Scheduling in Two-Way Relay Networks”, Proc of The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) pp 147-151 N.-D.-N Vien, “Approximate analysis of SIR for OFDM transmissions in the presence of time-varying channel impairments (2014),” International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology, vol 3, no 6, pp 2037–2040 N.-D.-N Vien, N.-L Hung, T.-T Chien and L.-N Tho (2013), “SIR Analysis for OFDM Transmission in the Presence of CFO, Phase Noise and Doubly Selective Fading”, IEEE Communications Letters, ISSN: 1089-7798 no (17) pp 1810 - 1813 (ISI index, SCI Journal List) N.-D.-N Vien, N.-L Hung, T.-T Chien and L.-T.-P Mai (2013), “Multiuser Precoding in MIMO Two-Way Relay Transmission”, Proc of The Fifth International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN 2013), pp 139–143 N.-D.-N Vien, N.-L Hung, T.-T Chien and L Quang (2014), “Multicell Transmission over Multiple Access Channel: Precoding and Postcoding”, Proc of The International Conference on Communications and Electronics (ICCE) pp 599-602 10 N.-D.-N Vien, N.-L Hung and T.-T Chien (2014), “Interference Management over Multicell Broadcast Channels”, Proc of The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) pp 512–516 11 N.-D.-N Vien, N.-L Hung, T.-T Chien and B.-T.-M Tu (2015), “Doubly Selective Channel Estimation in Full-Duplex MIMO-OFDM Systems”, Proc of The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) pp 578– 582 12 N.-L Hung, N.-D.-N Vien, T.-T Chien and V.N.Q Bao (2016), “Precoding and Postcoding for Multicell Multiuser Transmission Using Imperfect CSI,” Journal of Communications and Networks, (Accepted) (ISI index, SCIE Journal List) ... nội dung luận án: "XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA CHIỀU TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG ĐA NGƯỜI DÙNG", người thực mong muốn đề xuất kỹ thuật xử lý tín hiệu thơng tin di động đa người dùng với mục đích khảo... 2: Xử lý tín hiệu đa chiều thơng tin di động Trình bày kỹ thuật xử lý tín hiệu đa chiều thông tin di động OFDM, MIMO, ước lượng kênh, truyền dẫn song cơng từ đó, đề xuất cơng thức tính SIR cho... thơng tin di động đa người dùng - đa chặng - Đề xuất phương pháp quản lý giao thoa cho hệ thống đa tế bào - đa người dùng với thông tin trạng thái kênh truyền hồn hảo khơng hồn hảo Bố cục luận án