(Luận văn thạc sĩ) phát phân tập và các kỹ thuật MIMO qua kênh fading đa đường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG QUANG TRUNG PHÁT PHÂN TẬP VÀ CÁC KỸ THUẬT MIMO QUA KÊNH FADING ĐA ĐƯỜNG Ngành: Công nghệ Điện tử-Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN XUÂN NAM Hà Nội - 2009 LỜI CAM ĐOAN “Phát phân tập kỹ thuật MIMO qua kênh fading đa đường” trình bày số vấn đề lĩnh vực thông tin vô tuyên mà giới quan tâm Trong trình thực đề tài này, nhận hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Trần Xuân Nam Các nội dung trình bày luận văn kiến thức mà nghiên cứu tiếp thu Tôi xin cam đoan nội dung luận văn không chép hay trùng lặp với đề tài nghiên cứu trước Hà Nội, tháng 12 năm 2009 HV: Hoàng Quang Trung LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo này, nhận nhiều động viên đóng góp nhiệt tình thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy cô giáo Đặc biệt tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Xuân Nam, môn Thông tin-Khoa VTĐT-Học viện KTQS người thầy đề xuất hướng nghiên cứu, động viên thường xuyên tận tâm bảo nghiêm túc chuyên môn suốt thời gian qua để tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới ban lãnh đạo Khoa Công nghệ thông tin-Đại học Thái Nguyên thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp, đến gia đình người thân động viên khuyến khích giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ! Hà Nội, tháng 12 năm 2009 HV Hoàng Quang Trung MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………… i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………….ii MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Error! Bookmark not defined 1.1 Xu hƣớng phát triển mạng truyền thông vô tuyếnError! Bookmark not defined 1.2 Kênh thông tin vô tuyến Error! Bookmark not defined 1.2.1 Kênh tạp âm AWGN Error! Bookmark not defined 1.2.2 Kênh pha-đinh đa đường Error! Bookmark not defined 1.2.3 Kênh pha-đinh Rayleigh Error! Bookmark not defined 1.3 Các phƣơng pháp phân tập Error! Bookmark not defined 1.3.1 Phân tập thời gian Error! Bookmark not defined 1.3.2 Phân tập tần số Error! Bookmark not defined 1.3.3 Phân tập phân cực Error! Bookmark not defined 1.3.4 Phân tập không gian Error! Bookmark not defined 1.4 Kỹ thuật kết hợp phân tập khơng gian thuError! Bookmark not defined 1.4.1 Mơ hình tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.4.2 Kết hợp chọn lọc (Selection Combining) Error! Bookmark not defined 1.4.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (Maximal Ratio Combining) Error! Bookmark not defined 1.4.4 Kết hợp đồng độ lơi (Equal Gain Combining) Error! Bookmark not defined 1.4.5 Kết hợp phân tập thu tách sóng MLD Error! Bookmark not defined 1.5 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phátError! Bookmark not defined 1.5.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT) Error! Bookmark not defined 1.5.2 Phân tập phát giữ chậm Error! Bookmark not defined 1.5.3 Phân tập phát không gian-thời gian Error! Bookmark not defined Chƣơng - CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT KHÔNG GIAN THỜI GIAN VÀ HỆ MIMO Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu truyền thông MIMO Error! Bookmark not defined 2.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 2.1.2 Mô hình kênh MIMO Error! Bookmark not defined 2.2 Dung kênh MIMO Error! Bookmark not defined 2.2.1 Dung kênh truyền cố định Error! Bookmark not defined 2.2.2 Dung kênh truyền có pha-đing Rayleigh Error! Bookmark not defined 2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo không gian (SDM)Error! Bookmark not defined 2.3.1 Mơ hình hệ thống SDM Error! Bookmark not defined 2.3.2 Các tách tín hiệu tuyến tính Error! Bookmark not defined 2.3.3 Các tách tín hiệu phi tuyến Error! Bookmark not defined 2.4 Mã không gian-thời gian (STC) Error! Bookmark not defined 2.4.1 Khái quát Error! Bookmark not defined 2.4.2 Mã khối không gian thời gian (STBC) Error! Bookmark not defined Chƣơng - KỸ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP PHÁT VÀ MIMO-SDM Error! Bookmark not defined 3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 3.2 Mô hình hệ thống STBC-SM Error! Bookmark not defined 3.3 Tách nhóm cho hệ thống kết hợp STBC-SMError! Bookmark not defined 3.3.1 Phương pháp tách nhóm ZF Error! Bookmark not defined 3.3.2 Phương pháp tách nhóm MMSE Error! Bookmark not defined 3.3.3 Phương pháp tách nhóm QR-SIC Error! Bookmark not defined 3.4 Sơ đồ tách ký hiệu (symbol) cho hệ thống kết hợp STBC-SM Error! Bookmark not defined 3.4.1 Phương pháp tách symbol ZF Error! Bookmark not defined 3.4.2.Phương pháp tách symbol MMSE Error! Bookmark not defined 3.4.3.Phương pháp tách symbol QR-SIC Error! Bookmark not defined 3.5 Phân tích độ phức tạp tính tốn Error! Bookmark not defined 3.5.1 Độ phức tạp tính tốn tách ZF Error! Bookmark not defined 3.5.2 Độ phức tạp tính tốn tách MMSE Error! Bookmark not defined 3.5.3 Độ phức tạp tính tốn tách QR-SIC Error! Bookmark not defined 3.6 Các kết so sánh hiệu suất Error! Bookmark not defined 3.6.1 Hiệu suất BER tách symbol Error! Bookmark not defined 3.6.2 So sánh độ phức tạp tính tốn Error! Bookmark not defined 3.7 Kết luận chƣơng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined -iBẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tí nh BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm sở CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng hợp lện tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bì nh phương trung bì nh tối thiểu MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại MS Mobile Station Máy di động MSE Minimum Square Error Sai số bì nh phương tối thiểu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số trực giao PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PIC Parallel Interference Cancellation Triệt nhiễu song song SIC Successive Interference Cancellation Triệt nhiễu nối tiếp SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ số cơng suất tín hiệu tạp âm cộng nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm STC Space-Time Coding Mã không gian-Thời gian ZF Zero-Forcing Cưỡng bức bằng không -iiDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Nội dung Mô tả tạp âm Gauss Hàm mật độ xác suất Gauss với   Mật độ phổ công suất hàm tự tương quan tạp âm trắng Mơ hình truyền sóng đa đường Đáp ứng xung lọc FIR Phân bố Rayleigh Phương pháp kết hợp chọn lọc Phân phối xác suất SNR cho phân tập lựa chọn Độ lợi phân tập phương pháp kết hợp phân tập Phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa Phân phối xác suất SNR cho phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa Máy thu với nhánh phân tập MRC tách MLD BER tín hiệu BPSK ứng với trường hợp M Sơ đồ phân tập MRT có N nhánh với đường phản hồi Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh Sơ đồ Alamouti với anten phát anten thu Sơ đồ Alamouti STBC với anten phát anten thu Phẩm chất BER Alamouti so sánh với hệ thống MRC Mơ hình kênh MIMO Mơ hình kênh truyền SISO Mơ hình tương đương kênh MISO Mơ hình tương đương kênh SIMO Dung lượng kênh MIMO pha-đinh Rayleigh Mơ hình hệ thống MIMO-SDM Cấu hình tách tín hiệu tuyến tính BER tách tín hiệu cho hệ thống 4x4 MIMOSDM Nguyên lý hoạt động tách V-BLAST Cấu hình hệ thống STBC Các phương pháp tách cho hệ thống kết hợp STBC-SM BER 4x4 STBC-SM sử dụng tách symbol So sánh BER hai hệ thống MIMO-SDM STBC-SM Trang 3 10 15 17 17 18 21 23 26 27 28 29 32 34 35 37 38 38 41 42 44 52 54 59 69 80 80 -1- MỞ ĐẦU Thông tin vô tuyến phát triển sang thế hệ mới đáp ứng yêu cầu của người dùng về truyền dữ liệu tốc độ cao Các nghiên cứu gần thế tập trung vào các kỹ thuật cho phép tăng khả kênh truyền Phương pháp truyền dẫn MIMO (hay truyền dẫn sử dụng nhiều anten thu và nhiều anten phát) được xem là các kỹ thuật then chốt để giải quyết vấn đề này Luận văn nhằm giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật truyền dẫn MIMO và đánh g iá phẩm chất hệ thống Cụ thể , tác giả nghiên cứu hệ thống kết hợp phân tập phát sử dụng mã khối không gian-thời gian (STBC) với sơ đồ ghép kênh theo không gian (SM) và các sơ đồ tách tín hiệu dành cho hệ thống này Hai sơ đồ tách ký hiệu và tách khối được đưa để so sánh về tỷ số lỗi bit (BER) Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp tách tín hiệu sử dụng sơ đồ tách ký hiệu (symbol) cho tỷ số lỗi bit thấp so với sơ đờ tách khới Đặc biệt hệ thớng STBC-SM có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống MIMO-SDM Nội dung được trình bày chương: Chương 1: “Tổng quan về các phương pháp phân tập thông tin vơ tún” trình bày tổng quan về mơ hình kênh thông tin vô tuyến làm sở cho việc mơ hình hóa mơ phỏng hệ thớng Cùng với kỹ thuật phân tập bao gồm phân tập thu phân tập phát Chương 2: “Các kỹ thuật phân tập phát khơng gian-thời gian hệ MIMO” trình bày các phương pháp truyền dẫn dành cho hệ truyền thông qua kênh MIMO, cụ thể kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian kỹ thuật mã hóa khơng gian thời gian Chương 3: “Kỹ tḥt kết hợp phân tập phát MIMO-SDM” trình bày sơ đờ kết hợp phát phân tập ghép kênh theo không gian Trong phần này , luận văn tập trung vào các phương pháp tách tín hiệu, cụ thể có hai sơ đờ là sơ đờ tách khới và sơ đồ tách symbol Thông qua kết quả mô phỏng để so sánh phẩm chất lỗi bit (BER) các phương pháp tách tín hiệu khác Cuối cùng là đưa đánh giá chung -2- Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VƠ TUYẾN 1.1 Xu hƣớng phát triển mạng truyền thơng vô tuyến Trong năm gần nhu cầu sử dụng thiết bị đầu cuối không dây để trao đổi thơng tin gia tăng nhanh chóng Cơng nghệ truyền thông vô tuyến không ngừng phát triển và đạt được thành tựu đáng kể Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc làm tăng tốc độ truyền liệu để đáp ứng nhu cầu sử dụng truyền truyền thông đa phương tiện người dùng Vì vậy trùn thơng chất lượng cao mục tiêu cần đạt được mạng vô tuyến Ngày nay, mạng WLANs (Wireless Local Area Networks) đạt được tốc độ 10 Mbit/s đến 100 Mbit/s Tuy nhiên, với tớc độ khơng đáp ứng được đới mặt với việc địi hỏi tớc độ truy cập liệu ngày cao nội dung truyền thông trở nên đa dạng Đặc biệt cạnh tranh với mạng LAN (hữu tuyến) với công nghệ xDSL (đường dây thuê bao số) mạng cáp quang Các tiến khoa học gần minh chứng để nâng cao chất lượng truyền thông vô tuyến khơng tận dụng tài ngun về thời gian (phân tập thời gian), tài nguyên về tần số (phân tập tần sớ) mà cịn sử dụng ng̀n tài ngun lớn là khơng gian Giải pháp kênh MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) lựa chọn đắn cho phát triển tương lai truyền thông vô tuyến (Mạng Wifi 802.11n, WiMAX, …) Mặc dù vậy có rất nhiều kỹ thuật truyền dẫn khác và được nghiên cứu để áp dụng cho hệ thớng sử dụng mơ hình Trong chương này xem xét vấn đề liên quan là kênh thông tin vô tuyến kỹ thuật phân tập để làm sở cho việc tiếp cận với giải pháp kỹ thuật truyền dẫn qua kênh MIMO 1.2 Kênh thông tin vô tuyến 1.2.1 Kênh tạp âm AWGN Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả tín hiệu điện khơng mong ḿn x́t hiện hệ thống Sự xuất hiện tạp âm làm giảm khả tách chính xác tín hiệu phát vậy, làm giảm tớc độ trùn dẫn thơng tin Tạp âm được tạo từ nhiều nguồn khác nhau, phân loại thành hai loại nhân tạo tự nhiên Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiện mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí hay ng̀n thiên hà Thiết kế mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bở giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng tạp âm cách nối -73- gian thứ hai Các lối vào giải mã không gian thời gian triệt nhiễu tương ứng với khe thời gian thứ nhất thứ hai được biểu diễn: y1   y1,1 , y2,1 , , yM ,1    y 2   y1,2 , y2,2 ,  3.18 T , yM ,2   3.19  T Trong ym,t , t  1, 2 biểu diễn tín hiệu thu anten thu thứ m khe thời gian thứ nhất thứ hai tương ứng Sắp xếp (3.18) (3.19) có: y  y1T , y 2H  3.20 T Làm tương tự đối với thành phần tạp âm, có: z1   z1,1 , z2,1 , , zM ,1    z   z1,2 , z2,2 ,  3.21 T , zM ,2  T  3.22  Và: 3.23 T z  z1T , z 2H  Do cách xử lý mà mã khới phát phương trình (3.1) được rút gọn đơn giản thành vector 2x1 sau: s g   s2 g 1 , s2 g  3.24 T Và ma trận kênh H g (3.2) trở thành:  h2 g 1 Hg     h2 g h2 g  h2g 1   3.25 Vector tín hiệu phát tổng ma trận kênh cho tất cả G = M nhóm là: s  s1T , sT2 , H   H1 , H , , sTG  T , H G   3.26   3.27  Do có mơ hình vector tín hiệu cho trường hợp tách symbol: y = Hs + z 3.28 Với việc sử dụng mơ hình tách symbol này, q trình tách tín hiệu giải mã khơng gian thời gian được thực hiện đồng thời Khi số hàng ma -74- trận kênh H tăng gấp đơi, mở rộng giới hạn số anten phát lên tới N  2M Hơn việc tăng về kích cỡ tín hiệu thu y địi hỏi sớ lượng lớn trọng sớ kết hợp thế độ lợi phân tập có được tớt thực hiện theo sơ đồ tách ký hiệu (symbol) 3.4.1 Phương pháp tách symbol ZF Để ý độ lớn ma trận kênh H (3.27) 2M  2G Ma trận trọng sớ kết hợp tún tính tách ZF là: W ZF 3.29 † H † Trong đó, H ma trận giả đảo bên trái ma trận H Sử dụng (3.29), ước lượng vector phát s là:  ZF    † sQ W y Q H y  3.30  Trong Q   biểu diễn tốn tử qút định 3.4.2 Phương pháp tách symbol MMSE Tương tự tách nhóm MMSE , Ma trận trọng số kết hợp tuyến tính là hàm chi phí sau [4] W MMSE   arg E s - Wy W H H  H  y HH  N 0I M  Do ước lượng s là: s  Q W MMSE  1  3.31  3.32  3.4.3.Phương pháp tách symbol QR-SIC Giống tách nhóm QR-SIC, tách symbol QR-SIC dựa việc phân tách ma trận kênh H thành ma trận Q R : H  Q R Trong R T ma trận tam giác Bằng cách nhân Q với cả hai phía (3.28) có được ước lượng được sk là: sˆk  rk ,k sk  N r i  k 1 s  zk k ,i i  3.33 Trong rk , i thành phần ứng với hàng thứ k cột thứ i ma trận R zk tạp âm tạo trình phân tách QR -75- 3.5 Phân tích độ phức tạp tính tốn Trong phần thực hiện phân tích chi tiết độ phức tạp tất cả tách nhóm tách symbol Phương pháp phân tí ch này được tiến hành theo [16] Đơn vị phức tạp được sử dụng phân tích flop Chúng ta quy ước: phép nhân phức  đòi hỏi flops, phép cộng phức  đòi hỏi flops, phép nhân thực phức  đò hỏi flops, phép cộng thực phức   địi hỏi flop ći cả hai phép nhân phép cộng số thực mất flop Cũng cần ý phép phân tích đây, trọng tới ng̀n độ phức tạp như: phép tính ma trận trọng số kết hợp tuyến tính, phương pháp phân tích QR giải mã không gian thời gian Alamouti Các độ phức tạp không quan trọng khác so sánh, chuyển đổi nố tiếp thành song song phép lấy liên hợp phức được bỏ qua cho đơn giản Để đơn giản hóa việc trình bày, đặt N=M Hơn giải pháp tách ZF trình bày khơng tổng qt cho hệ thớng có M bất kỳ nên giới hạn phép phân tích cho trường hợp đối với hệ thống MIMO 4x4 3.5.1 Độ phức tạp tính tốn tách ZF 3.5.1.1 Bộ tách nhóm ZF Đới với trường hợp tách nhóm, H  có [16]: CW ZF Vì Y  M2 M3    M3   M M  với M  N vậy M2    (3.34) nên toán tử kết hợp WZF Y yêu cầu CW ZF Y 2M     2M    (3.35) Độ phức tạp cần thiết để tách mã khối 4M    6M  +  Bởi vậy, tổng độ phức tạp để tách G  M mã khối STD Cgd 2M     3M    (3.36) Kết quả tổng độ phức tạp yêu cầu cho tách nhóm ZF được tóm tắt sau: CZF, gd  M3  4M (3.37a) CZF, gd  M3  5M (3.37b) -76- CZF, gd  M2 (3.37c) Chuyển đổi sang flop có tổng độ phức tạp yêu cầu cho tách nhóm ZF theo đơn vị flop gd CZF  M  35M  flops (3.38) 3.5.1.2 Bộ tách symbol ZF Theo phương pháp này, có H  2M M thế sớ phép nhân phép cộng phức u cầu cho tính tốn W ZF được đưa là [16]: (3.39) Vì y  M 1 nên sớ phép nhân phép cộng phức được yêu cầu để nhân W ZF với y là: CW ZF y  13 2  M  2M   * 3     13  M  2M   * 3   (3.40) Nói tóm lại, sớ phép cộng phép nhân phức yêu cầu cho tách symbol ZF được đưa là: 13 M  2M 13  M M  2M CZF, sd  C  ZF , sd (3.41) Chuyển đổi sang đơn vị flop, có tổng độ phức tạp tách symbol ZF là: sd CZF  104 M  6M  flops  (3.42) 3.5.2 Độ phức tạp tính tốn tách MMSE 3.5.2.1 Bộ tách nhóm MMSE Với phương pháp tách nhóm MMSE, ma trận hiệp phương sai R xx1   HH H  N 0I M  1 tổng quát cho toàn G  M ma trận trọng số WgMMSE Độ phức tạp yêu cầu cho tính tốn R xx1 [16]: -77- CR1 xx 4M    4M   M  M     (3.43) Chuyển đổi sang đơn vị flop có CR1 xx 32M  2M (3.44) Hơn nữa, việc tính tốn H g H Hg đòi hỏi độ phức tạp [16]: 2M     2M    Và việc nhân với R xx1 địi hỏi M     M    Chuyển đổi cả hai độ phức tạp này sang đơn vị flop ta có 8M  16M Vì thế độ phức tạp tính toán đối với G  M ma trận trọng số WgMMSE 32 M M  2M   8M  16M  56  4M  M  2M CWg  (3.45) Độ phức tạp để kết hợp WgMMSE y yêu cầu 2M     2M    Vì ta cần kết hợp cho tất cả M nhóm nên tổng độ phức tạp dành cho kết hợp phải M 16M   8M Mặt khác độ phức tạp để giải mã khơng gian-thời gian cho M nhóm 18M flops Tóm lại, độ phức tạp tách nhóm MMSE là: gd CMMSE  4M  80 M  18M  2M  flops  (3.46) 3.5.2.2 Bộ tách symbol MMSE Tiếp theo phân tích độ phức tạp tách nhóm MMSE trên, sd có độ phức tạp u cầu cho tính tốn ma trận trọng số WMMSE được đưa [16]: (3.47) sd Và độ phức tạp kết hợp WMMSE y CW gd MMSE y 2M     2M    (3.48) -78- Do tổng sớ phép cộng phép nhân yêu cầu cho tách symbol MMSE là: (3.49) Chuyển sang đơn vị flop ta có tổng độ phức tạp tính tốn cho tách symbol MMSE là: (3.50) 3.5.3 Độ phức tạp tính tốn tách QR-SIC 3.5.3.1 Bộ tách nhóm QR-SIC Theo phương pháp tách nhóm QR-SIC, độ phức tạp yêu cầu để phân tích ma trận H = QR [16]: (3.51) Vì Q  M N M=N, có độ phức tạp yêu cầu để kết hợp QH Y (3.52) Sau tách nhóm g , g  G  1, G  2, ,1 dựa thuật toán triệt nhiễu tuần tự (SIC) yêu cầu độ phức tạp gd CSIC ,g  G  g         G  g    (3.53) Vì cần triệt tiêu nhóm từ  G  1 tới nên độ phức tạp để tách toàn G nhóm sử dụng tḥt tốn SIC (3.54) Chú ý G  M lấy CQR CQ H Y để tính toán nên có độ phức tạp tính toán đối với QR-SIC được đưa -79- (3.55) Chuyển sang đơn vị flop có (3.56) Chú ý là độ phức tạp để gải mã không gian thời gian cho G  M nhóm yêu cầu 18M flops, tổng độ phức tạp yêu cầu cho tách nhóm QR-SIC được đưa (3.57) 3.5.3.2 Bộ tách symbol QR-SIC Tiếp theo phân tích cho tách nhóm QR-SIC, ước lượng độ phức tạp tính tốn tổng cộng tách symbol QR-SIC sau [16]: (3.58) Chuyển sang đơn vị flop có: (3.59) 3.6 Các kết so sánh hiệu suất 3.6.1 Hiệu suất BER tách symbol Để thu được hiệu suất tách symbol, thực hiện mô phỏng Matlab cho hệ thống kết hợp phân tập phát STBC ghép kênh SM (STBC-SM 4x4) sử dụng điều chế QPSK Quan sát hình 3.2, ta thấy tách symbol sử dụng phương pháp ZF cho hiệu suất nhất, sau đến MMSE QR-SIC Trong ba phương pháp tách symbol phương pháp QR-SIC cho hiệu śt BER tớt nhât -80- Hình 3.2: BER 4x4 STBC-SM sử dụng tách symbol Phẩm chất BER của hệ thống phân tập kép STBC -SM 4x4 được so sánh với hệ thống MIMO-SDM 4x4 hì nh 3.3 Hình 3.3: So sánh BER hai hệ thớng MIMO-SDM STBC-SM Từ hình 3.3, ta thấy phẩm chất BER hệ thống STBC-SM đạt được rất cao so với hệ thống MIMO-SM 4x4, sử dụng số anten thu phát Đây là kết quả được mang lại kỹ thuật phân tập phát sử dụng mã (STBC) -81- 3.6.2 So sánh độ phức tạp tính tốn Theo [16], độ phức tạp tính toán ước lượng được cho sơ đờ tách nhóm và tách symbol được đưa bảng dây: Như vậy, thấy tách symbol yêu cầu độ phức tạp tính toán cao so với tách nhóm tương ứng Điển hình, với hệ thớng STBC-SM 4x4, tách symbol ZF QR-SIC yêu cầu gấp khoảng lần sớ flops so với tách nhóm sử dụng phương pháp ZF và QR-SIC tương ứng Đối với phương pháp MMSE, tách symbol yêu cầu gấp khoảng lần sớ flops so với tách nhóm Độ phức tạp tính tốn hệ thớng STBC-SM sử dụng tách symbol là sơ đồ tách symbol phải xử lý (tính tốn) ma trận kênh với số lượng lớn hàng ma trận gấp lần so với tách nhóm Mặc dù vậy, từ bảng ta thấy độ phức tạp tính tốn tách symbol MMSE có khuynh hướng trở lên tương đương với tách nhóm MMSE hệ thống kết hợp STBC-SM với số lượng anten lớn Kết hợp kết quả ước lượng BER và phép phân tích độ phức tạp tính tốn, nhận thấy tách symbol QR-SIC chứng minh được cân tớt cả tiêu hiệu śt BER và độ phức tạp tính tốn Vì vậy tách symbol QR-SIC được yêu cầu để tách tín hiệu cho hệ thống kết hợp STBC-SM 3.7 Kết luận chƣơng Trong chương này xét hai sơ đờ tách nhóm tách symbol cho hệ thớng kết hợp STBC-SM với tách được trình bày dựa phương pháp ZF, MMSE và QR-SIC Trong đó tập trung chủ yếu vào sơ đồ tách symbol hai lý Thứ nhất là sơ đồ tách nhóm cho phép có thể mở rộng giới hạn về số anten phát N , đó độ lợi ghép kênh cũng được tăng lên; Thứ hai là với sơ đồ tách symbol sẽ mang lại độ lợi phân tập cao dẫn tới phẩm chất BER tớt Trong phương pháp QR-SIC cho ta hiệu suất BER tôt nhất Như vậy việc kết hợp phân tập phát với ghép kênh theo không gian, cân được dung lượng kênh hệ thống phẩm chất lỗi bit (BER) mong ḿn Có thể có nhiều kỹ tḥt phân tập phát khác -82- song với sơ đồ STBC-SM sử dụng tách symbol là rất khả thi cho phẩm chất hệ thống mong đợi -83- KẾT LUẬN Luận văn đã trình bày tổng quan và đ ánh giá được các phương pháp phân tập sử dụng thông tin vô tuyến , thông qua đó chỉ được phương pháp truyền dẫn thích hợp cho hệ thống truyề n thông MIMO Kết quả ḷn văn bao gờm: Ḷn văn hệ thớng hóa các phương pháp phân tập sử dụng thơng tin vơ tún trình bày kỹ thuật phân tập phát được nhiều người quan tâm thời gian gần Đó là kỹ thuật phân tập sử dụng mã khơng gian-thời gian Phân tích và đánh giá các phương pháp truyền dẫn khả thi dành cho hệ thớng MIMO là phương pháp ghép kênh theo không gian (SDM) và mã không gian-thời gian (STC) Trên sở thuật toán tách tín hiệu dành cho hệ thớng STBCSM sử dụng kỹ thuật tách symbol, ước lượng tỷ số lỗi bit (BER) phần mềm Matlab Kết quả ước lượng BER là sở để so sánh, đánh giá chất lượng hệ thống, chọn giải pháp truyền dẫn phù hợp áp dụng cho hệ thống MIMO Hướng phát triển đề tài : Các vấn đề được đề cập đưa đến ý tưởng là để có thể thu được phẩm chất hệ thống mong ḿn cả về dung lượng và hiệu śt BER cần có kết hợp các kỹ thuật khác theo cách tới ưu nhất Vì vậy, tương lai , đề tài tiếp tục phát triển theo hướng nhằm kết hợp thêm với phương pháp điều chế đa sóng mang OFDM (Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) để làm tăng dung lượng hệ thống và triệt để nhiễu đặc biệt là môi trường fading đa đường -84- TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Nguyễn Văn Đức (2006), Lý thuyết k ênh vô tuyến, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Hoàng Hải -Nguyễn Việt Anh (2006), Lập trình Matlab và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Nguyễn Viết Kính-Trịnh Anh Vũ (2007), Thông tin số, Nhà xuất bản Giáo dục Trần Xuân Nam (2008), Mô phỏng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng Matlab, Học viện KTQS Phan Thanh Tao (2005), Giáo trình Matlab, Nhà xuất bản Đà Nẵng Trịnh Anh Vũ (2006), Thông tin di động, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội Tài liệu Tiếng Anh S M Alamouti (1998), A simple transmit diversity technique for wireless communications, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 16 A L F de Almeida, W C Freitas Jr., J C M Mota, F R P Cavalcanti and R L de Lacerda Neto (2003), Performance of MIMO Systems with a Hybrid of Transmit Diversity and Spatial Multiplexing, www.gtel.ufc.br Sergio Benedetto and Ezio Biglieri (1999), Principles of digital transmission with wireless applications, ISBN 0-306-45753-9 10 A B Gershman (2005), Communications, www.wiley.com Space-Time Processing for MIMO 11 Andrea Goldsmith (2005), Wireless Communications, Cambridge University Press 12 Volker Kuhn (2006), Wireless Communications over MIMO Channels, Universitat Rostock, Germany 13 B Sklar (1988), Digital Communicatons Fundamentals and Applicatons Prentice Hall 14 V Tarokh, H Jafarkhani, and A R Calderbank (1998), Space-time codes for high data rate wireless communications: performance criterion and code -85- construction, IEEE Transactions on Information Theory, vol 44, no 2, pp 744–765 15 Xuan Nam Tran, Tetsuki Taniguchi, Yoshio Karasawa (2004), Adaptive Beamforming for Multiuser Space-Time Block Coded Systems, ISSSTA2004, Sydney, Australia 16 Xuan Nam Tran, Huan Cong Ho, Tadashi Fujino and Yoshio Karasawa (2008), Performance Comparison of Detection Methods for Combined STBC and SM Systems, IEICE trans Commun, Vol.E91-B 17 Branka Vucetic (2003), Space-Time Coding, University of Sydney, Australia 18 Lan Zhao, Student Member, IEEE and V K Dubey, Senior Member (2005), Detection Schemes for Space – Time Block Code and Spatial Multiplexing Combined System, IEEE Communications Letters, Vol 9, no -86- PHỤ LỤC CHƢƠNG TRÌNH ƢỚC LƢỢNG TỶ SỐ LỖI BIT (BER) CHO HỆ THỐNG MIMO-SDM SỬ DỤNG CÁC BỘ TÁCH TUYẾN TÍNH clear all N=4; %So anten phat M=4; %So anten thu Am=1/sqrt(N); EbNodB=0:5:30; EbNo=10.^(EbNodB/10); BlkSize=1000; IterNo=1000; % Vong lap for i=1:IterNo data=sign(rand(1,N*BlkSize)-.5); s=reshape(data,N,BlkSize); st=Am*s; H=(randn(M,N)+j*randn(M,N))/sqrt(2); for n=1:length(EbNo) sigma=1/sqrt(2*EbNo(n)); z=sigma*(randn(M,BlkSize)+j*randn(M,BlkSize)); y=H*st+z; W1=pinv(H)'; R=inv(Am^2*H*H'+sigma^2*diag(ones(1,M))); W2=R*H*Am^2; s_hat1=sign(real(W1'*y)); s_hat2=sign(real(W2'*y)); ErrChk1=s_hat1-s; ErrChk2=s_hat2-s; ErrCount1(i,n)=length(find(ErrChk1~=0)); ErrCount2(i,n)=length(find(ErrChk2~=0)); end; end; BER1=sum(ErrCount1)/(N*BlkSize*IterNo); BER2=sum(ErrCount2)/(N*BlkSize*IterNo); semilogy(EbNodB,BER1,'r*-',EbNodB,BER2,'b-o'); grid; xlabel('Eb/No [dB]') ylabel('Average BER') title(['BER of ',num2str(M),'x',num2str(N),'using linear dtector']) legend('ZF','MMSE') CHƢƠNG TRÌNH ƢỚC LƢỢNG TỶ SỐ LỖI BIT (BER) CHO HỆ THỐNG STBC-SM SỬ DỤNG CÁC BỘ TÁCH SYMBOL % Program to simulate the performance of combined 4x4 MIMO STBC-SM systems % using ZF or MMSE detection clear all randn('seed',0) rand('seed',0) t0=clock; % Get time vector N=4; % Number of TxAnt G=N/2; % Number of groups M=4; % Number of RxAnt % Generate Tx signal numSymb=10E4;%12*2048; % Length of Tx data blkSize=numSymb/N % Number of symbols in each substream Mc=4; % Alphabet size, QPSK:=4 -87numBit=log2(Mc); txSig=randsrc(N,blkSize,0:Mc-1); Es=1/sqrt(N); % Symbol energy normalized to Eb=Es/numBit; P=Es*diag(ones(1,M),0); % Power matrix of user s=sqrt(Es)*pskmod(txSig,Mc); EbNodB=0:1:12; EbNo=10.^(EbNodB/10); % Select ZF/MMSE detectors reply = input('Please select detectors ZF/MMSE [Default: ZF]:','s'); if isempty(reply) reply = 'ZF'; elseif ~strcmp(reply,'ZF') && ~strcmp(reply,'MMSE') display('Invalid input! Start and try again.'); return; end % Simulation loop %numIter=10000; for i=1:blkSize ch=(randn(M,N)+j*randn(M,N))/sqrt(2); H=[ch(:,1) ch(:,2) ch(:,3) ch(:,4) conj(ch(:,2)) -conj(ch(:,1)) conj(ch(:,4)) -conj(ch(:,3))]; for k=1:length(EbNo) % Iteration for different input SNR sigma=sqrt(1/(2*EbNo(k))); % noise deviation; total P from 2TxAnt=1; fixed 29/08/2003 noise=sigma*(randn(M,2)+j*randn(M,2)); % Gaussian noise w/ mean zero, deviation sigma z=[noise(:,1).', noise(:,2)'].'; y=H*s(:,i)+z; switch reply case 'ZF' W=pinv(H)'; case 'MMSE' W=inv(H*P*H'+sigma^2*diag(ones(1,2*N),0))*Es*H; end s_hat=W'*y; s_bar=pskdemod(s_hat,Mc); [errBit(i,k),ratioBit(i,k)]=biterr(txSig(:,i),s_bar,numBit); end end %BER=sum(errBit)/(blkSize*numSymb); BER=sum(ratioBit)/(blkSize) semilogy(EbNodB,BER,'-O'); xlabel('Eb/No'); ylabel('BER'); grid simtime=etime(clock,t0); disp(['Simulation time: ',num2str(simtime),' seconds']) ... dụng, các phương phân tập sử dụng thông tin vô tuyến được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập phân cực phân tập không gian [4],[9] -12- 1.3.1 Phân tập thời gian... Bookmark not defined 1.5 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phátError! Bookmark not defined 1.5.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT) Error! Bookmark not defined 1.5.2 Phân tập phát giữ chậm Error!... thông qua kênh MIMO, cụ thể kỹ thuật ghép kênh phân chia theo khơng gian kỹ tḥt mã hóa khơng gian thời gian Chương 3: ? ?Kỹ thuật kết hợp phân tập phát MIMO- SDM” trình bày sơ đờ kết hợp phát