Nghiên cứu tối ưu điều khiển công suất khi tăng cường các trạm lặp MIMO trong cell

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN QUANG HƢNG NGHIÊN CỨU TỐI ƢU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KHI TĂNG CƢỜNG CÁC TRẠM LẶP MIMO TRONG CELL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN QUANG HƢNG NGHIÊN CỨU TỐI ƢU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KHI TĂNG CƢỜNG CÁC TRẠM LẶP MIMO TRONG CELL CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC VĂN HÀ NỘI - 2015 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 14 1.1 Hệ thống thông tin di động 14 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 14 1.1.2 Xu hƣớng công nghệ 17 1.1.3 Những vấn đề tồn hệ thông tin di động .20 1.2 Nội dung nghiên cứu 22 1.3 Kết luận chƣơng .23 CHƢƠNG 2: TĂNG CƢỜNG CÁC TRẠM LẶP MIMO TRONG CELL .24 2.1 Giới thiệu chung .24 2.2 Mơ hình hệ thống MIMO .26 2.2.1 Mơ hình kênh SU-MIMO 30 2.2.1.1 Dung lƣợng kênh SU-SISO 31 2.2.1.2 Dung lƣợng kênh SU-SIMO 31 2.2.1.3 Dung lƣợng kênh SU-MISO 32 2.2.1.4 Dung lƣợng kênh SU-MIMO 33 2.2.2 Mơ hình kênh MU-MIMO 35 2.2.2.1 Kênh đa truy nhập MAC-MIMO .35 2.2.2.2 Kênh quảng bá BC-MIMO 36 2.2.2.3 Vùng dung lƣợng kênh đa truy nhập MAC- MIMO 36 2.2.2.4 Vùng dung lƣợng kênh quảng bá BC - MIMO 37 2.2.3 Ƣu nhƣợc điểm công nghệ MIMO .37 2.2.3.1 Ƣu điểm MIMO 37 2.2.3.2 Nhƣợc điểm MIMO 37 2.3 Mơ hình trạm lặp 38 2.3.1 Phân loại trạm lặp 39 2.3.1.1 Trạm lặp khuyếch đại chuyển tiếp 40 2.3.1.2 Trạm lặp giải mã chuyển tiếp 40 2.3.2 Phƣơng án triển khai tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell 40 2.3.2.1 Triển khai trạm lặp cố định 40 2.3.2.2 Triển khai trạm lặp di động .41 2.3.2.3 Triển khai trạm lặp tạm thời 42 2.3.2.3 Triển khai trạm lặp cho khu vực ngoại thành 43 2.3.2.4 Triển khai trạm lặp cho khu vực thành phố .44 2.3.2.5 Triển khai trạm lặp cho khu vực điểm nóng 44 2.3.3 Ƣu nhƣợc điểm công nghệ trạm lặp .45 2.3.3.1 Ƣu điểm công nghệ trạm lặp .45 2.3.3.2 Nhƣợc điểm công nghệ trạm lặp .46 2.4 Mơ hình ba điểm tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell .46 2.4.1 Liên kết UE-RN 48 2.4.2 Liên kết RN-eNB 49 2.4.3 Liên kết eNB-RN 49 2.5 Kết luận chƣơng .49 CHƢƠNG 3: TỐI ƢU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KHI TĂNG CƢỜNG CÁC TRẠM LẶP MIMO TRONG CELL 50 3.1 Giới thiệu chung .50 3.2 Thuật toán tối ƣu điều khiển phân bổ công suất 52 3.2.1 Thuật tốn điều khiển phân bổ cơng suất phân tán 52 3.2.1.2 Thuật toán tối ƣu điều khiển công suất phân tán .53 3.2.1.3 Thuật toán lên xuống (Up-down) 55 3.2.1.4 Tính khả thi thuật tốn điều khiển cơng suất phân tán 55 3.2.2 Thuật toán lặp 59 3.2.3 Thuật toán tối giản 62 3.3 Tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell 65 3.3.1 Tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO 66 3.3.1.1 Mơ hình hệ thống tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO 67 3.3.1.2 Tối ƣu điều khiển công suất phát eNB RN 70 3.3.1.3 Tối ƣu điểu khiển phân bổ công suất phát RN 70 3.3.1.4 Tối ƣu điều khiển phân bổ công suất phát eNB 71 3.3.1.5 Kết tối ƣu phân bổ cơng suất AF MIMO Relay theo tiêu chí MSE .75 3.3.2 Tối ƣu phân bổ công suất mô hình AF MIMO chiều đa chặng .77 3.3.3 Tối ƣu điều khiển phân bổ công suất hệ thống MIMO Relay chiều hai chặng, sử dụng đa nút chuyển tiếp song song .78 3.3.4 Tối ƣu điều khiển phân bổ công suất hệ thống MIMO Relay chiều hai chặng có diện liên kết trực tiếp nguồn đích SD .79 3.3.5 Tối ƣu điều khiển công suất cho hệ thống MIMO hai chiều, hai chặng .80 3.4 Phân tích kết mô thực nghiệm .82 3.4.1 Tối ƣu điều khiển công suất theo mơ hình trạm lặp AF MIMO tuyến tính 82 3.4.2 Phân tích kết mơ thực nghiệm 85 3.5 Kết luận chƣơng .89 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ kỹ thuật tơi thực đƣợc hồn thiện dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Ngọc Văn Các kết tơi tự tìm hiểu tham khảo từ nguồn tài liệu nhƣ cơng trình nghiên cứu khoa học khác đƣợc trích dẫn đầy đủ Nếu có vấn đề sai phạm quyền tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc Nhà trƣờng Hà nội, ngày 29 tháng năm 2015 Học viên Nguyễn Quang Hƣng DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AF Amplify and Forward AMPS Advance Mobile Phone Service AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPF Band Pass Filter BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CDMA Code Division Multiple Access CMPT Coordinated Multi-Point Transmission CSI Channel State Information DAC Digital Analog Converter DAB Digital Analog Broadcasting D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code DF Decode and Forward DFT Discrete Fourier Transform DPSK Differential Phase Shift Keying DVB -H Digital Video Broadcasting - Handheld DVB -T Digital Video Broadcasting – Terrestrial EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution eNB eNode B FDM Frequency Division Multiplexing FDMA Frequency Division Multiple Access FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impluse Response GPRS General Packet Radio Services GSM Global System For Mobile Communication HDSL Hight-bir-rate Digital Subscriber Line HSPA High Speed Packet Access I.I.D Independent and Identically Distributed ICI Inter Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform IS-136 Interim Standard 136 IS-95 Interim Standard 95 ISI InterSymbol Interference ITU International Telecom Union LAN Local Area Network LMMSE Linear Minimum Mean Sqare Error LOS Light Of Sight LPF Low Pass Filter LTE Long Term Evolution MI Mutual Information MIMO Multiple Input Muliple Output MU-MIMO Multi-User MIMO MISO Multiple Input single Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Sqare Error MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation MRC Maximum Ratio Combiner MS Mobile Station MSE Mean Sqare Error NLOS Non Light Of Sight NMT450 Nordic Mobile Telephone 450 NTT Nipon Telegraph and Telephone OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PDC Personal Digital Cell Pdf Probability Density Function QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency S/P Serial to Parallel SC Single Carrier Communication SD Source-to-Destination SDM Spatial Division Multiplexing SU- MIMO Single User MIMO SIMO Single Input Multiple Output SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SR Source-to-Relay SISO Single Input Single Output STBC Space-Time Block Code STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder SVD Singular Value Decomposition TACS Total Access Communication System TDMA Time Division Multiple Access TGn Task Group N V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time WCDMA Wideband CDMA WIFI Wireless Fidelity WIMAX World Interoperability Microwave Access ZF Zero-Forcing ZF-OIC Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ Chữ thƣờng, in nghiêng Biến số x, n, m, i Vec-tơ x, s Ma trận H Chữ thƣờng, in nghiêng, đậm Chữ hoa, in đậm Chữ hoa, in nghiêng Công suất P, số lƣợng anten thu N, anten phát M (.)-1 Ma trận nghịch đảo Phƣơng sai tạp âm E{.} Phép tính kỳ vọng tr (.) Phép toán lấy vết ma trận P, N, M H-1 E{nnH} tr (H) Phép toán chuyển vị (.) H HH Hermitian Ma trận đƣờng chéo kích A = diag {an} di g {√ , , √ thƣớc M n= 1,…,M IK Ma trận đơn vị bậc K IN 0N Vec tơ không 0N hi,j Phần tử i,j ma trận H h1,1 Tập ma trận kích thƣớc M, CMxN N với giá trị phức CM Vùng dung lƣợng kênh đa CMAC CMAC truy nhập Vùng dung lƣợng kênh CBC CBC quảng bá M M+ đích đồng thời truyền tín hiệu khe thời gian Thơng tin nhận đƣợc trạm lặp sau đƣợc truyền chuyển tiếp đến ngƣời dùng khe thời gian thứ hai Vì đích nguồn biết liệu truyền riêng nguồn đích loại bỏ nhiễu nội từ tín hiệu nhận đƣợc miễn thu thập đƣợc CSI Đích Trung gian Nguồn 1 H2r H1r 𝒙 x G W F MS Hr1 MS MS Hr2 MS :Khe thời gian thứ :Khe thời gian thứ hai Hình 3.10 đồ khối hệ thống MIMO Relay tuyến tính h i chiều hai chặng Mơ hình khơng mang lại hiệu phổ tƣơng tự với hệ thống truyền thông trực tiếp mà phát huy đƣợc tiềm to lớn hệ thống truyền thông chuyển tiếp Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp MIMO hai chiều hai chặng hình 3.11, si với i = 1, biểu thị cho véc-tơ symbol truyền ngƣời dùng thứ i Một số toán tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO hai chiều hai chặng [12] tác giả tập trung tối ƣu tốc độ kênh truyền giảm thiểu lỗi bình phƣơng trung bình MSE áp đặt các công suất liên kết đầu cuối nút chuyển tiếp Trong hai trƣờng hợp, thuật toán lặp dựa kỹ thuật giảm gra-đi-ên cho lời giải gần để tối ƣu (G, F, W) chí trƣờng hợp đa nút chuyển tiếp đƣợc sử dụng [17] Biểu thức tối ƣu điều khiển phân bổ cơng suất nút chuyển tiếp có dạng nhƣ sau: F = Q1AQ2 (3.3.30) 81 C2MS Trong A 2MS ma trận tùy ý, (Q1,Q2 ) CM 2MS ma trận bán- unitary nhận đƣợc từ hai phép phân tích QR sau: với (R1,R2) C2MS 2MS Q1R1 = [ HH r1 HH r2 (3.3.31) Q2R2 = [ HH HH (3.3.32) ma trận tam giác Dựa vào kết trên, toán đồng thời tối ƣu (G, W A) ban đầu đƣợc đơn giản hóa mà khơng làm thay đổi chất Tuy nhiên, tối ƣu cấu trúc (G, W, A) khó tìm đƣợc dạng gần tốn tối ƣu khơng lồi, điều trái ngƣợc với hệ thống chuyển tiếp chiều cấu trúc tối ƣu (G, F,W) đƣợc tìm dạng gần cho phép chéo hóa tồn hệ thống chuyển tiếp Để khắc phục, phƣơng thức số học dựa thủ tục lặp A (W, U) luân phiên tối ƣu đƣợc đề xuất tài liệu [8] 3.4 Phân tích kết mô thực nghiệm 3.4.1 Tối ƣu điều khiển công suất theo mơ hình trạm lặp AF MIMO tuyến tính Trung gian 1 Hsr1 Nguồn MR F1 MR Hrd1 Đích 1 𝐇𝐬𝐝 x G 𝒙 W MD MS Trung gian K HsrK 1 MR FK HrdK :Khe thời gian thứ MR :Khe thời gian thứ hai Hình 3.11 Mơ hình hệ thống AF MIMO Relay chiều hai chặng, tuyến tính 82 Mơ hình tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO cell đƣợc đề xuất nghiên cứu phân tích kết mơ phần hệ thống truyền thông hợp tác nhƣ hình 3.12 MIMO-SDM [22] chiều hai chặng, khơng tái sinh, tuyến tính Kênh truyền nút mạng kênh MIMO không tƣơng quan, fading Rayleigh phẳng, biến đổi chậm, ma trận xử lý tín hiệu trạm lặp thực theo phƣơng thức khuyếch đại chuyển tiếp, kênh truyền theo phƣơng thức làm việc bán song cơng Ký hiệu véc-tơ tín hiệu phát từ nguồn x xi symbol đƣợc truyền phát từ anten thứ i nút nguồn eNB với i = 1,2, ,MS số anten, giả thiết E{xxH} = S MS Các ma trận kênh truyền nút nguồn eNB với nút đích UE, nút nguồn eNB với nút chuyển tiếp RN nút RN với nút đích UE lần lƣợt Hsd CMD MS Hsk CMR MS Hrkd CMD MR Ký hiệu n r , n d , n d lần lƣợt véc tơ tạp âm nút chuyển tiếp RN, nút đích UE khe thời gian thứ nút đích khe thời gian thứ hai Giả thiết véc tơ tạp âm biến Gaussian phức độc lập thống kê với nhau, E*nr nH r += R MR H H E{nd1 nH d1 } = E{nd2 nd2 } = E*nd nd + = D IMD có giá trị trung bình Trong khe thời gian thứ tín hiệu thu nút đích UE tín hiệu nút trung gian RN thứ k lần lƣợt là: y1 = Hsdx + nd1 (3.4.1) yk = Hskx + n (3.4.2) Giả định sau khe thời gian thứ K nút RN hợp tác với thành công để chọn nút chuyển tiếp RN thứ r làm nút chuyển tiếp [14] Trong khe thời gian thứ hai nút chuyển tiếp r thực khuyếch đại mã hóa tuyến tính tín hiệu nhận đƣợc ma trận Fr truyền đến nút đích với công suất liên kết P(Fr): H P(Fr) = tr {Fr ( 2S Hsr HH sr + r IMR )Fr } (3.4.3) Tín hiệu nhận đƣợc đích khe thời gian thứ hai qua nút chuyển tiếp thứ r là: y2 = Hrd Fr Hsr x+Hrd Fr nr + nd2 (3.4.4) Véc tơ tín hiệu nhận đƣợc nút đích khe thời gian thứ thứ hai là: y Hsd nd1 x+ y = y1 = Hsrd Hrd Fr nr + nd2 83 (3.4.5) Định nghĩa Hsrd @ Hrd FrHsr ta có: H@ Hsd nd1 𝐇sd , n@ @ 𝐇srd Hsrd Hrd Fr nr nd2 (3.4.6) Sử dụng phƣơng pháp tách tín hiệu tuyến tính sai số bình phƣơng trung bình nhỏ MMSE (Minimum Mean Square Error) nút đích, tín hiệu kết hợp nút đích sau hai khe thời gian đƣợc xác định nhƣ sau: y = Hx +n (3.4.7) Vector tín hiệu ƣớc lƣợng đƣợc nút đích đƣợc xác định: = Wy = W( Hx +n) (3.4.8) W1 (3.4.9) W2 Trong W1 W2 lần lƣợt ma trận trọng số ƣớc lƣợng tín hiệu W = nút đích UE qua đƣờng liên kết SD từ nút nguồn tới nút đích đƣờng liên kết RD từ nút chuyển tiếp tới nút đích Ma trận sai số bình phƣơng trung bình hệ thống AF MIMO Relay đƣợc xác định công thức (3.4.10): MSE ( Fk, W1, W2) = E ‖x - x‖F (3.4.10) Giải pháp tối ƣu cho (3.4.10) việc chọn Fk xác định tối ƣu cho ̂ 1, W ̂ k2 cho đƣờng liên kết SD đƣờng ma trận trọng số kết hợp tín hiệu đích W liên kết RD thông qua lọc Wiener ̂1 = W H H S Hsd ( S Hsd Hsd ̂ k2 W + -1 d1 INd ) H H s Hskd ( s Hskd Hskd + Rkn ) (3.4.11) -1 (3.4.12) Thay kết vào (3.4.10) ta có:J MSE (Fk) = s tr ( HH s skd Rkn -1 -1 Hskd + IMS ) ) (3.4.13) Trong 𝐑kn ma trận hiệp phƣơng sai tạp âm nút chuyển tiếp thứ k 84 Bài tốn cịn lại tìm Fk tối ƣu để có giá trị sai số bình phƣơng trung bình cực tiểu MSE theo công suất liên kết (3.4.3) Để giải toán này, trƣớc hết định nghĩa SVD nhƣ sau: Hsk = WHsk VH Hsk Hk = WHk Các ma trận đƣờng chéo dần Hsk , Hsk Hk (3.4.14) Hk VH Hk (3.4.15) với phần tử đƣợc xắp xếp theo bậc giảm = diag { Λ } Hk } = diag{Λ Ma trận chuyển tiếp tiền mã hóa tối ƣu sau tính tốn theo [4] đƣợc cho công thức sau: Fk WH (3.4.16) Hsk } ma trận đƣờng chéo Bài toán tối ƣu sau Fk VHkd Trong đó, Fk = diag { kết hợp (3.4.3) (3.4.13) (3.4.16) trở thành biểu thức (3.4.17) S Min MSE (Fk) = s.t p(Fk) = ∑ ( S ∑M i=1 S Hsk,i 2 Hkd, i |Fi | + d2 2 2 S Hsk,i + R Hkd, i |Fi | + d2 R + | | R ) Fi (3.4.17) = PR (3.4.18) Từ điều kiện [4] Karush- Kuhn- Tucker (KKT), nghiệm tối ƣu Fki có dạng nhƣ sau: + |Fki | = M ∑i=1S ( 2S 2H + 2R ) 2H sk,i kd, i ( 2 2 D S Hsk, i Hkd, i W 2S 2Hsk, i + 2D - D) (3.4.19) Trong (x)+ = max (x,0) w để thỏa mãn (3.4.18) Từ (3.4.19) (3.4.16) ̂ k2 tối ƣu đƣờng liên kết RD thay vào (3.4.12) tìm đƣợc ma trận trọng số W 3.4.2 Phân tích kết mô thực nghiệm Thực mô Monte-carlo tỷ lệ lỗi bít BER trung bình theo tỉ số tín hiệu nhiễu SNR2 kênh RD từ nút chuyển tiếp RN đến nút đích UE cố định tỷ số tín hiệu nhiễu từ nút eNB nguồn tới nút chuyển tiếp RN với giá trị SNR1 = 20dB ngƣợc lại cố định SNR2= 20db mô tỷ lệ lỗi bít BER tỷ số tín hiệu nhiễu SNR1 kênh RD Với giả thiết số lƣợng nút nguồn, nút chuyển tiếp nút đích 85 nhau: MS= MR = MD = M = để ƣớc lƣợng tín hiệu nhận đƣợc nút đích UE cách sử dụng phƣơng pháp tách tín hiệu thu ZF MMSE nút đích Thực mô BER SNR AF MIMO Relay khơng có diện đƣờng liên kết SD, điều chế QPSK theo W Guan H.Luo [23] Mở rộng mô BER SNR kênh truyền AF MIMO Relay có liên kết SD Tín hiệu phát từ đích tới nguồn cịn đủ lớn, chƣa bị suy giảm hoàn toàn kết hợp với phƣơng pháp điều chế 8-PSK So sánh đƣờng đặc tính phụ thuộc BER SNR hệ thống AF MIMO Relay có liên kết SD khơng có liên kết SD Hình 3.12 Đặc tính BER theo SNR2 cố định N 1=20dB tối ưu theo h i tiêu chu n F MM E củ K v i MS= MR= MD = M = 86 BER performance versus SNR2 while fixing SNR1=20dB, 8PSK, 4x4 10 ZF, without direct MMSE, without direct ZF, with direct MMSE, with direct -1 Average BER 10 -2 10 -3 10 -10 -5 10 15 20 25 SNR2 [dB] Hình 3.13 Đặc tính BER theo SNR2 cố định N 1=20dB tối ưu theo h i tiêu chu n F MM E củ - K v i MS = M R = M D = M = BER performance versus SNR1 while fixing SNR2=20dB, N=4 10 ZF, without direct MMSE, without direct ZF, with direct MMSE, with direct -1 Average BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 -10 -5 10 15 20 25 SNR1 [dB] Hình 3.14 Đặc tính BER theo SNR1 cố định N tiêu chu n F MM E củ 2=20dB tối ưu theo h i K v i MS= MR = MD = M = 87 BER performance versus SNR1 while fixing SNR2=20dB, 8PSK, N=4 10 ZF, without direct MMSE, without direct ZF, with direct MMSE, with direct -1 Average BER 10 -2 10 -3 10 -10 -5 10 15 20 25 SNR1 [dB] Hình 3.15 Đặc tính BER theo SNR1 cố định N 2=20dB tối ưu theo h i tiêu chu n F MM E củ K v i MS = M R = M D = M = Phân tích kết hình 3.13 hình 3.14 biểu diễn đƣờng đặc tính BER với SNR2, hình 3.15 hình 3.16 biểu diễn đƣờng đặc tính BER theo SNR1 hai trƣờng hợp tối ƣu theo phƣơng pháp tách tín hiệu ZF MMSE dựa hai phƣơng thức điều chế QPSK 8-PSK, có khơng có diện đƣờng liên kết trực tiếp SD nút nguồn nút đích Thơng qua kết mơ hình vẽ nhận thấy, tất trƣờng hợp tiêu chu n MMSE có đặc tính BER SINR tốt so với tiêu chu n ZF trƣờng hợp có đƣờng liên kết trực tiếp nguồn đích SD mang lại độ lợi BER tốt so với trƣờng hợp khơng có đƣờng liên kết trực tiếp SD có diện tia truyền thẳng (LOS: Line of Sight) 88 3.5 Kết luận chƣơng Với mục tiêu xây dựng toán tối ƣu điều khiên công suất tăng cƣờng trạm lặp MIMO cell, nội dung chƣơng luận văn tập trung tìm hiểu mơ hình hệ thống trạm lặp MIMO, trạm lặp SU-MIMO trạm lặp AF MIMO Các toán tối ƣu đƣợc thực cho hệ thống MIMO đơn chặng, đa chặng, đơn nút chuyển tiếp, đa nút chuyển tiếp, hệ thống MIMO tuyến tính, khơng tuyến tính, hệ thống MIMO chiều, hai chiều nghiên cứu tối ƣu điều khiển công suất cho hệ thống AF MIMO Realy dựa thuật tốn tối giản nhằm tối ƣu điều khiển cơng suất phát nút nguồn nút chuyển tiếp Ứng dụng phƣơng pháp thu ZF thay cho ứng dụng thu LMMSE nút đích dựa tiêu chí sai số bình phƣơng trung bình MSE để tái tạo đƣợc tín hiệu gốc nút đích Do ứng dụng thu ZF đƣợc thực đơn giản nhƣng có suy giảm giá trị sai số bình phƣơng trung bình MSE lớn so với ứng dụng thu LMMSE số lƣợng anten nút chuyển tiếp Bởi vậy, luận văn đƣa sơ đồ ứng dụng thu ZF nút đích triển khai thiết kế tăng gấp đôi số lƣợng anten nút chuyển tiếp, tối ƣu công suất phát nút chuyển tiếp tăng hiệu khơi phục tín hiệu nhiễu dựa vào tiêu chí sai số bình phƣơng trung bình, tƣơng đƣơng với ứng dụng thu LMMSE nút chuyển tiếp nút đích Trong chƣơng này, luận văn phân tích rõ kết tốn tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO cell theo quan điểm tối thiểu sai số bình phƣơng trung bình tín hiệu thu đƣợc nút đích khơng có diện liên kết SD Luận văn phân tích so sánh kết mô thực nghiệm số công trình có diện đƣờng liên kết trực tiếp nguồn đích, ngồi cịn đánh giá đƣợc kết mô cho trƣờng hợp ứng dụng máy thu tách tín hiệu ZF MMSE nút đích, điều chế QPSK, đánh giá đặc tính BER theo SNR2 cố định SNR1=20dB, từ luận văn phân tích so sánh kết mơ cho trƣờng hợp điều chế 8-PSK đặc tính BER với SNR1 cố định SNR2=20dB để minh họa thêm cho tốn tối ƣu điều khiển cơng suất AF MIMO Relay 89 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT Trong luận văn này, trình bày tóm tắt lịch sử phát triển hệ thông tin di động từ hệ thông tin di động 1G đến hệ thông tin di động 4G (LTE Adavance) Luận văn đánh giá hạn chế tồn hệ thông tin di động dựa tiêu chu n công nghệ hệ thống nhƣ khả triển khai ứng dụng dịch vụ hệ thống di động qua giai đoạn lịch sử Luận văn tóm lƣợc xu hƣớng phát triển công nghệ cho hệ thống tin di động hệ rõ nhu cầu số lƣợng chất lƣợng dịch vụ truyền thơng ngƣời sử dụng ngày cao, địi hỏi hệ thống thông tin di động hệ phải có tốc độ truyền liệu cao hơn, kênh liên kết đảm bảo có độ tin cậy lớn, hạn chế nhiễu sử dụng hiệu nguồn tài nguyên vô tuyến Do nhà khoa học giới bắt tay nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến MIMO, OFDM/OFDMA, Relay mạng LTE-Advaced nhằm mở rộng dung lƣợng hệ thống, tăng tốc độ đƣờng truyền đảm bảo cung cấp dịch vụ truyền thông tốt cho ngƣời sử dụng theo tiêu chí tiết kiệm chi phí đầu tƣ mở rộng mạng lƣới sử dụng tối ƣu nguồn tài nguyên vô tuyến Luận văn đề cập đến vấn đề tồn liên quan đến quản lý cấp phát tài nguyên vô tuyến, hạn chế nhiễu đồng kênh liên kênh, tối ƣu điều khiển công suất…của công trình nghiên cứu kết hợp cơng nghệ tiên tiến MIMO, OFDM/OFDMA, Relay cho mạng LTE Advaced, để từ có sở thúc đ y cho việc nghiên cứu tốn tối ƣu điều khiển cơng suất kết hợp tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell, nhằm tối ƣu dung lƣợng Cell, nội dung đóng góp Luận văn Trong chƣơng 2, Luận văn tìm hiểu mơ hình tăng cƣờng trạm lặp MIMO cell dựa mơ hình ba điểm truyền thống, đánh giá dung lƣợng kênh truyền cho mơ hình SU-MIMO, MU-MIMO nghiên cứu phƣơng án triển khai sử dụng trạm lặp nhằm mở rộng vùng phủ cho khu vực đặc thù khu vực triển khai trạm gốc eNodeB Thông qua việc đánh giá ƣu điểm, nhƣợc điểm MIMO, Relay 90 dựa mơ hình ba điểm đặc trƣng hệ thống trạm lặp MIMO, chƣơng 3, Luận văn trình bày số thuật tốn tối ƣu điều khiển công suất cho hệ thống trạm lặp MIMO đơn chặng, đa chặng, đơn nút, đa nút chuyển tiếp Luận văn tập trung tìm hiểu tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO đề xuất ứng dụng thuật toán lặp, thuật toán tối giản để phục vụ tối ƣu điều khiển công suất cho hệ thống thông tin di động tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO Cell, dựa quan điểm tối ƣu sai số bình phƣơng trung bình MSE nút đích có khơng có diện kênh truyền trực tiếp từ nguồn tới đích Từ luận văn tập trung tìm hiểu đánh giá thuật tốn điều khiển phân bổ công suất nút nguồn eNB, nút chuyển tiếp RN nút đích UE hệ thống AF MIMO Relay Kết tìm hiểu tối ƣu điều khiển cơng suất tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell, đƣợc thể qua việc phân tích so sách kết mô thực nghiệm theo quan điểm tối thiểu tỷ lệ lỗi bít BER, tối thiểu sai số bình phƣơng trung bình MSE, tăng tỷ số tín hiệu nhiễu SIR nút nguồn, nút chuyển tiếp nút đích dựa phƣơng pháp tách tín hiệu thu ZF, MMSE nút đích phƣơng thức điều chế QSPK 8-PSK Phân tích đánh giá kết tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell đƣợc dựa nghiên cứu mơ hình thống MIMO khơng tái sinh (non-regenerative), kênh truyền làm việc theo phƣơng thức bán song công (half duplex) môi trƣờng truyền dẫn pha đinh Rayleigh phẳng, khác với nghiên cứu trƣớc chủ yếu tập trung vào hệ thống MIMO Relay khơng có diện đƣờng liên kết trực tiếp SD nguồn đích, luận văn tập trung phân tích tối ƣu ma trận kênh truyền có diện kênh liên kết SD đƣa so sánh tham số đặc tính BER, SNR trƣờng hợp hệ thống đƣợc tối ƣu điều khiển công suất có diện đƣờng liên kết nguồn-đích SD với trƣờng hợp chƣa đƣợc tối ƣu điều khiển cơng suất khơng có diện đƣờng liên kết từ nguồn tới đích để thấy rõ vai trị việc tối ƣu điều khiển cơng suất tăng cƣờng MIMO Relay cell thựcc chất nhằm tối ƣu dung lƣợng Cell Nội dung luận văn cịn nhiều hạn chế tác giả mới tập trung đƣợc vào phần tối ƣu điều khiển công suất tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO 91 Cell, chƣa mở rộng nghiên cứu cho trƣờng hợp tăng cƣờng trạm lặp DF MIMO có cấu trúc kỹ thuật thuật toán tối ƣu phức tạp Do vậy, hƣớng phát triển Luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu mở rộng thuật tốn tối ƣu điều khiển cơng suất cho mơ hình hệ thống DF MIMO Relay, mơ hình kết hợp công nghệ MIMO với công nghệ tiến tiến khác nhƣ OFDM/OFDMA hay mơ hình MIMO-OFDMA Relay để có đƣợc phân tích đầy đủ sâu sắc vấn đề liên quan đến tối ƣu điều khiển công suất, tối ƣu dung lƣợng Cell, hạn chế nhiễu tác động liên kênh xuyên kênh nhiễu vòng hệ thống kết hợp ứng dụng công nghệ tiến tiến mạng hệ LTE Advanced Trong trình nghiên cứu hồn thiện luận văn tơi cố gắng nhƣng không tránh khỏi sai sót mặt nội dung tơi mong nhận đƣợc góp ý thầy giáo bạn để luận văn tơi đƣợc hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Toding, M Khandaker, and Y Rong.(2010), “Optimal joint source and relay beamforming for parallel MIMO relay networks,” in Proc 6th Int Conf.on Wireless Commun Networking and Mobile Computing (WiCOM), pp 1-4 Alan, E (1988), Eigenvalues and condition numbers of random matrices, SIAM J Matrix Anal Appl 9(4), 543–560 B Rankov, A Wittneben (2007), “Spectral efficient protocols for half- duplex fading relay channels,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 25, no 2, pp 379-389 Boyd, S.Vandenberghe, L.(2004), Convex Optimization, Cambridge University Press D Gesbert et al.(2003), “From Theory to Practice: An Overview of MIMO SpaceTime Coded Wireless Systems,” IEEE Journal Selected Areas in Communications, Volume: 21 , Issue: 3, pp 281 – 302 Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003), CDMA one CDMA 2000, Nhà xuất Bƣu Điện, Hà Nội Nguyễn Phạm Anh Dũng (2008), Lộ trình phát triển thơng tin di động 3G lên 4G, Nhà xuất Thông tin truyền thông, Hà nội Fangni Chen (2013), "Optimal Design for MIMO Relay System," Journal of Signal and Information Processing, Published Online Francisco Rodrigo Porto Cavalcanti Săoren Andersson (2009), Optimizing Wireless Communication Systems, Springer Science+Business Media, LLC, New York, NY 10013, USA, pp.3-18 10 G L Stă uber (2001), Principles of Mobile Communication, Kluwer Academic 11 K J Ray Liu, A K Sadek, W Su and A Kwasinski (2009), Cooperative Communication and Networking, Cambridge University Press 12 K.-J Lee, H Sung, E Park and I Lee.(2010), “Joint optimization of one and twoway MIMO AF multiple-relay systems” IEEE Trans Wireless Commun, vol 9, no 12, pp 3671 – 3681 93 13 N Fawaz, K Zarifi, M Debbah, D Gesbert (2011), “Asymptotic capacity and optimal precoding in MIMO multi-hop relay networks,” IEEE Trans.Inf Theory, vol 57, pp 2050 – 2069, Apr 2011 14 X.N Tran, V H Nguyen, T T Bui, and T C Dinh (2012), "Distributed Relay Selection for MIMO-SDM Cooperative Networks," IEICE Trans on Commun, vol E95-B(4), pp 1170-1179 15 O Munoz-Medina, J Vidal (2007), A Agustin, “Linear transceiver design in non-regenerative relays with channel state information,” IEEE Trans Signal Process., vol 55, no 6, pp 2593-2604 16 P W Wolniansky, G J Foschini, G D Golden, R A Valenzuela (1998), “VBLAST, An architecture for realizing very high data rates over the richscattering wireless channel,” URSI Int Symp on Signals, Syst., and Electron (ISSSE'98), Pisa, Italy, pp 295-300 17 S Xu, Y Hua (2011), “Optimal design of spatial source-and-relay matrices for a non-regenerative two-way MIMO relay system,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 10, no 5, pp 1645 – 1655 18 S.Yeh, O.L´evˆeque (2007),“Asymptotic capacity of multi-level amplifyand forward relay networks,” in roc IEEE I IT, Nice, Fr nce, vJun pp 1436-1440 19 Saransh Malik, Sangmi Moon, Bora Kim, Cheolwoo You, Huaping Liu, Intae Hwan (2013), “Design and Analysis of an Interference Cancellation Algorithm for AF, DF and DMF Relay Protocol in Multiuser MIMO Scenario Based on the LTE-Advanced System,” Design nd An lysis of n Interference C ncell tion Algorithm, Springer Science+Business Media New York 20 Springer (2012), MIMO Communication for Cellular Networks, Springer Science +Business Media, LLC, 233 Spring Street, New York, NY10013, USA Pp11-82 21 Telatar, I E.(1995), “Capacity of multi-antenna Gaussian channels,” European Transactions on Telecommunications Vol 10 (6), 585–595 22 Vu D H Vu, Q T Do, X N Tran, V N Q Bao.(2013)," Improved Relay Selection for MIMO-SDM Cooperative Communication," Lecture Notes in Electrical Engineering, Springer, vol (240) pp 1170-1179 94 23 W Guan, H Luo (2008), “Joint MMSE Transceiver Design in Nonregenerative MIMO Relay Systems,” IEEE Communications Letters, Vol 12, No 7, pp.517-519 24 X Tang, Y Hua (2007), “Optimal design of non-regenerative MIMO wireless relays,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 6, no 4, pp 1398-1407, April 25 Y Hua (2010), “An Overview of Beamforming and Power Allocation for MIMO Relays,” Proceedings of the 2010 Military Communications Conference, pp.99-104 26 Y Rong, Y Xiang (2011), “Multiuser multi-hop MIMO relay systems with correlated fading channels,” IEEE Trans Wireless Commun., vol.10, pp 2835 – 2840 27 Y Rong, X Tang, Y Hua (2009), “A Unified Framework for Optimizing Linear Non-regenerative Multicarrier MIMO Relay Communication Systems,”IEEE Transactions Signal Processing, Vol 57, No 12, pp 4837-4851 28 Y Rong, Y Hua (2009), “Optimality of diagonalization of multi-hop MIMO relays,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 8, pp 6068 – 6077 29 Y Rong (2010), “Linear Non-regenerative Multicarrier MIMO Relay Communications Based on MMSE Criterion,” IEEE Transactions Commun, Vol 58, No 7, pp.1918-1923 30 Y Rong (2011), “Simplified Algorithms for Optimizing Multi User Multi-hop MIMO Relay Systems,” IEEE Transactions Communications, Vol 59, No.10, pp 2896 31 Y Yuan (2013), “LTE-Advanced Relay Technology and Standardization,” Signals and Communication Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, DOI: 10.1007/978-3-642-29676-5_2 32 Yuanfeng Peng, Youzheng Wang, (2012), The Optimal Joint Power Allocation Scheme and Antennas Design in AF MIMO Relay Networks Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 95 ... luận văn ? ?Nghiên cứu tối ưu điều khi? ??n công suất tăng cường trạm lặp MIMO cell? ?? 23 CHƢƠNG TĂNG CƢỜNG CÁC TRẠM LẶP MIMO TRONG CELL 2.1 Giới thiệu chung Nhƣ biết, MIMO cải thiện hiệu suất hệ thống... trung nghiên cứu tối ƣu điều khi? ??n công suất tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell sở tìm hiểu thuật tốn tối ƣu điều khi? ??n cơng suất tập trung, phân tán thuật toán lặp, tối giản điều khi? ??n cơng suất Xây... toán lặp 59 3.2.3 Thuật toán tối giản 62 3.3 Tối ƣu điều khi? ??n công suất tăng cƣờng trạm lặp MIMO Cell 65 3.3.1 Tối ƣu điều khi? ??n công suất tăng cƣờng trạm lặp AF MIMO