Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa trước và san bằng cho các hệ thống thông tin mimo, đa sóng mang thế hệ mới TT

MỞ ĐẦU KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Nội dung Luận án trước hết giới thiệu khái quát kiến thức liên quan trực tiếp đến trình thực đề tài Trình bày mơ hình kênh SISO, MIMO mơ hình kênh sử dụng phương pháp SVD Giới thiệu mơ hình mã hóa trước san bằng, kỹ thuật xử lý hệ thống MIMO nhằm nâng cao hiệu truyền dẫn Ngồi ra, cơng trình liên quan trực tiếp đến nội dung Luận án nghiên cứu Trên sở đó, Nghiên cứu sinh đề xuất kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống MIMO ISI hệ thống MIMO FBMC Ngoài ra, Nghiên cứu sinh cịn phân tích đánh giá ảnh hưởng CSI khơng hồn hảo cho hệ thống MIMO đa đường Cuối cùng, nêu số kết đạt Luận án đề xuất số hướng nghiên cứu Một số kết đạt luận án Đề xuất giải pháp kết hợp mã hóa trước san thơng qua sử dụng chia sẻ độ dư kênh SISO cho kênh MIMO ISI [CT1, CT2, CT3], đồng thời phân tích đánh giá chất lượng hệ thống theo ảnh hưởng thông tin kênh truyền (CSI) [CT4, CT5] Đề xuất giải pháp kết hợp mã hóa trước san dựa thuật toán cân lỗi thuật toán đổ nước cho hệ thống MIMO-FBMC-OQAM nhằm cải thiện BER thông lượng hệ thống [CT6, CT7] Hướng phát triển luận án Nghiên cứu phát triển phương pháp thiết kế kết hợp mã hóa trước san cho hệ thống Massive MIMO hay sóng milimet; Nghiên cứu đánh giá độ phức tạp đề xuất sơ đồ có độ phức tạp thấp cho hệ thống MIMO ISI; Nghiên cứu đánh giá phẩm chất hệ thống đa sóng mang sử dụng giàn lọc môi trường pha-đinh đa đường; Nghiên cứu kỹ thuật xử lý cho hệ thống thống đa sóng mang hệ Generalized frequency dividion multiplexing (GFDM) Universal-filtered multi-carrier (UFMC) 24 Động lực nghiên cứu: Cách mạng công nghiệp 4.0 mở kỷ nguyên hệ thống thông tin vô tuyến để hỗ trợ triển khai mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT: Internet of Things) thiết bị đầu cuối cảm biến, máy tính cá nhân, điện thoại thơng minh, Trong đó, với tăng nhanh số lượng thiết bị di động thông minh nhu cầu sử dụng dịch vụ đa phương tiện dẫn tới yêu cầu truyền dẫn tốc độ cao hệ thống thông tin vô tuyến không ngừng tăng lên theo cấp số nhân Nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng lưu lượng liệu ngày tăng, kỹ thuật nhà khoa học quan tâm nghiên cứu bước ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang Về chất, coi truyền dẫn đa sóng mang chia nhỏ băng tần thành nhiều băng tần con, băng tần coi phẳng dễ dàng kết hợp với số kỹ thuật xử lý tín hiệu khác để cải thiện chất lượng hệ thống thông tin Kỹ thuật OFDM trường hợp đặc biệt truyền dẫn đa sóng mang, có nhiều ưu điểm sử dụng tiêu chuẩn hệ thống thông tin 4G Tuy nhiên, kỹ thuật OFDM số nhược điểm mà chưa thể đáp ứng yêu cầu mạng hệ như: tỷ số công suất đỉnh trung bình lớn, dẫn đến méo phi tuyến khuếch đại công suất; giảm hiệu suất đường truyền sử dụng khoảng bảo vệ dạng chèn ký tự tiền tố vòng Đặc biệt, kỹ thuật OFDM yêu cầu sử dụng sóng mang trực giao nên nhạy cảm với hiệu ứng Doppler tượng dịch tần dịch thời gian Để khắc phục nhược điểm này, có nhiều nghiên cứu đề xuất thêm số kỹ thuật xử lý tín hiệu khác mà khơng cần sử dụng khoảng bảo vệ không cần sử dụng tập tín hiệu có phổ tần số trực giao Một số cơng trình nghiên cứu khơng sử dụng khoảng bảo vệ dùng kỹ thuật mã hóa trước san để tận dụng lượng kênh, nâng cao hiệu phổ tăng tốc độ đường truyền mà loại bỏ nhiễu ISI ICI Ngoài ra, hướng khác để cải tiến hệ thống hệ kỹ thuật FBMC nhóm nghiên cứu Chang, Saltzberg Hiroshaki đề Các đóng góp luận án: Xây dựng mơ hình đề xuất giải pháp kết hợp mã hóa trước san thông qua sử dụng chia sẻ độ dư kênh SISO cho hệ thống MIMO ISI [CT1, CT2, CT3], sau phân tích đánh giá ảnh hưởng CSI cho kênh MIMO ISI [CT4, CT5] Đề xuất giải pháp kết hợp mã hóa trước san dựa thuật toán cân lỗi thuật toán đổ nước cho hệ thống MIMO-FBMC-OQAM nhằm cải thiện BER thông lượng hệ thống [CT6, CT7] Bố cục luận án: Luận án tổ chức sau: Mở đầu; chương nội dung; Kết luận hướng nghiên cứu tương lai; Phụ lục Danh mục cơng trình nghiên cứu 4) với hệ số lọc K = Kết Hình 3.7 cho thấy phẩm chất BER phương pháp đề xuất cân lỗi tốt so với hai phương phương pháp thiết kế MMSE ZF Thêm vào đó, ta thấy tăng số lượng ăngten lên (4, 4) phẩm chất BER của thiết kế giảm xuống khoảng cách đường cong mô tả phẩm chất BER thiết kế hẹp so với trường hợp hệ thống sử dụng số ăng-ten phát ăng-ten (2, 2) Mt=Mr=2 Mt=Mr=4 -1 10 1.95 1.9 -2 10 1.85 BER Thơng lượng [bít/s/Hz] xuất phát triển Những năm gần đây, có số cơng trình nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế mã hóa trước san để cải thiện chất lượng truyền dẫn cho hệ thống MIMO FBMC Đối với kỹ thuật FBMC, ý tưởng dùng lọc để tạo phổ tần trực giao cho luồng liệu con, mà kỹ thuật FBMC không cần dùng xung vuông để tạo phổ tần dạng trực giao kỹ thuật OFDM Hơn nữa, kỹ thuật FBMC không sử dụng khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI mà thay vào sử dụng lượng sóng mang đủ lớn để kênh coi phẳng, điều giúp tận dụng lượng kênh Trong kỹ thuật FBMC, với thiết kế sử dụng lọc mẫu phù hợp thực truyền tín hiệu tốc độ cao mà tái tạo tín hiệu gần hoàn hảo loại bỏ nhiễu ISI ICI Do vậy, việc kết hợp kỹ thuật mã hóa trước san với kỹ thuật điều chế đa sóng mang hệ hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng cho hệ thống thơng tin tiên tiến Với mục đích đề xuất kỹ thuật thiết kế kết hợp mã hóa trước san có khả tận dụng tối đa lượng kênh phẩm chất BER cho hệ thống FBMC hệ mới, nghiên cứu sinh lựa chọn thực đề tài: “ Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống thông tin MIMO, đa sóng mang hệ ” Đề tài góp phần hồn thiện sở lý thuyết, nâng cao chất lượng hệ thống thông tin tảng hệ thống MIMO làm tiền đề cho trình áp dụng vào công nghệ thông tin vô tuyến tương lai 1.8 -3 10 1.75 -4 10 1.7 Thiết kế san MMSE Thiết kế cân lỗi Thiết kế đổ nước 1.65 10 SNR [dB] 12 14 16 18 -5 10 20 Hình 3.9: Thơng lượng thiết kế SNR [dB] 10 12 14 16 Hình 3.10: BER thiết kế đổ nước Cuối cùng, Nghiên cứu sinh tiến hành so sánh phẩm chất BER thông lượng thiết kế đổ nước, cân lỗi MMSE mơ tả Hình 3.8 3.9 Từ hai hình cho thấy, phẩm chất BER hay thông lượng hệ thống thiết kế đề xuất đổ nước tốt thiết kế MMSE cho kết nhỏ 3.4 Kết luận chương Trong chương trình bày hai kỹ thuật san MMSE ZF hệ thống MIMO đa sóng mang sử dụng giàn lọc với điều chế biên độ cầu phương dịch thời gian, sau đề xuất phương pháp thiết kế kết hợp mã hóa trước san cho hệ thống MIMO FBMC dựa thuật tốn phân bổ cơng suất phát Các kết nghiên cứu thiết kế đề xuất nhận phẩm chất BER tốt thông lượng hệ thống tăng lên đáng so với hai thiết kế MMSE ZF Ngoài ra, phẩm chất BER hệ thống MIMO FBMC sử dụng lọc mẫu PHYDAS với hệ số chồng lấn K = có độ tăng ích SNR lớn Các phương pháp thiết kế đề xuất có ý nghĩa quan trọng triển khai áp dụng thực tế góp phần nâng cao chất lượng truyền dẫn cho hệ thống thông tin vô tuyến hệ 23 Thiết kế san ZF Thiết kế san MMSE Thiết kế cân lỗi -1 10 Chương 10-2 BER BER -2 10 -3 10 GIỚI THIỆU CHUNG 10-3 -4 10 -5 10 K=3 K=4 K=5 10-1 1.1 10-4 10 15 20 10-5 25 SNR [dB] 10 15 20 25 SNR [dB] Hình 3.5: BER thiết kế với Hình 3.6: BER thiết kế đề xuất K=5 với K = 3, Vẫn giữ nguyên tham số cài đặt hệ số chồng lấn thay đổi K = Kết mô tả phẩm chất BER hệ thống thiết kế đề xuất cân lỗi tốt so với hai phương pháp thiết kế lại Điều cho thấy thiết kế đề xuất cải thiện đáng kể chất lượng truyền dẫn hệ thống MIMO FBMC Cụ thể, quan sát Hình 3.4 3.5, ta so sánh thiết kế đề xuất cân lỗi với thiết kế san MMSE Rõ ràng mức tổng SNR 20 dB phẩm chất BER hệ thống thiết kế đề xuất cân lỗi tương ứng 3.10−5 10−3 thiết kế MMSE khoảng 2.10−3 Ngồi ra, Hình 3.6 mơ tả phẩm chất BER thiết kế cân lỗi cho thấy hệ thống MIMO FBMC-OQAM sử dụng lọc mẫu với hệ số K = độ lợi SNR tốt so với hệ số cịn lại Mơ hình kênh đa đường Kênh thông tin liên lạc vô tuyến, đặc biệt kênh nhà thường đặc trưng tính chất truyền sóng đa đường Trong q trình lan truyền sóng có Lp đường khác nhau, sóng vơ tuyến chịu ảnh hưởng chủ yếu ba tượng vật lý phản xạ, tán xạ nhiễu xạ gây vật cản nằm đường tín hiệu từ máy phát đến máy thu mơ tả Hình 1.1 Các tượng tác động trực tiếp đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến Những tượng ban đầu coi trở ngại lớn trình truyền dẫn tín hiệu, sau trở thành đặc trưng phân tập mong muốn sử dụng nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu Máy thu di động Thiết kế san ZF Thiết kế san MMSE Thiết kế cân lỗi -1 10 -1 10 Trạm gốc -2 10 BER BER -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 Thiết kế san MMSE Thiết kế cân lỗi Thiết kế đổ nước Hình 1.1: Mơ hình truyền sóng đa đường -3 10 10-4 10 SNR [dB] 15 20 -5 10 25 10 SNR [dB] 12 14 16 18 20 Hình 3.7: BER thiết kế với Hình 3.8: BER thiết kế với MT =MR =2 MT =MR = 1.2 Mơ hình hệ thống kết hợp mã hóa trước san 1.2.1 Mơ hình hệ thống MIMO kết hợp mã hóa trước san Tiếp theo, Nghiên cứu sinh tiến hành so sánh phẩm chất BER ba phương pháp thiết kế tăng số lượng ăng-ten phát ăng-ten thu lên (4, Đối với sơ đồ thiết kế kết hợp máy phát máy thu hay gọi sơ đồ thiết kế kết hợp mã hóa trước san chất lượng truyền dẫn phụ thuộc vào giá trị riêng kênh truyền phương pháp sử dụng độ dư hệ thống Mơ hình hệ thống MIMO thiết kế kết hợp với mã hóa trước san cho kênh trải trễ mơ tả Hình 1.2, ta có phương trình tổng 22 3.3 Tạp âm s[i]    Bộ mã hóa trước F +    H MT Bộ san G MR Kết mô Trước hết, Nghiên cứu sinh mơ đặc tính đáp ứng xung lọc mẫu Bộ lọc mẫu sử dụng máy phát máy thu theo thiết kế lọc mẫu PHYDAS Trong hệ thống FBMC, lọc mẫu thành phần có thuộc tính ảnh hướng đến chất lượng giàn lọc Từ kết sˆ[i] + K=3 K=4 K=5 Hình 1.2: Mơ hình thiết kế kế hợp mã hóa trước san Biên độ quát tính sau: (1.1) ˆ s = GHFs + Gn -1 Trong đó, H ma trận kênh có kích thước (Q + L − 1)MR × (Q + L − 1)MT , F ma trận mã hóa trước có kích thước (Q + L − 1)MT × QMT , G ma trận san có kích thước QMT × (Q + L − 1)MR n véc-tơ tạp âm có kích thước (Q + L − 1)MR × 1.2.2 Mơ hình hệ thống sử dụng phương pháp SVD Trong phần ta phân tích hệ thống thơng tin MIMO sử dụng phương pháp SVD Hình 1.3 mơ tả sơ đồ khối mơ hình hệ thống MIMO s2 F sB P/S G MR MT bˆ  n  sˆB 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Hình 3.2 mơ tả đáp ứng xung lọc mẫu PHYDAS, ta thấy ba trường hợp với hệ số chồng lấn khác K = 3, trường hợp K =5 có biên độ đáp ứng xung lớn Trong đó, với trường hợp K = 4, có biên độ đáp ứng xung nhỏ lại cho đặc tính trải phổ tốt so với trường hợp K = Thiết kế san ZF Thiết kế san MMSE Thiết kế cân lỗi -1 10 sˆ2 H S/P 1500 -2 10 -2 10 -3 10 -4 10 -3 10 -4 10 Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát cho trường hợp pha-đinh phẳng -5 10 Thiết kế san ZF Thiết kế san MMSE Thiết kế cân lỗi -1 10 BER b  n 1000 Hình 3.2: Đáp ứng xung lọc mẫu với K=3, sˆ1 500 Các mẫu BER s1 -2 10 15 20 -5 10 25 SNR [dB] 10 SNR [dB] 15 20 25 tác động pha-đinh phẳng, có MT ăng-ten phát MR ăng-ten thu Với luồng symbol b[n] đầu vào đến chuyển đổi nối tiếp song Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song đơn giản sử dụng để chia luồng liệu vào thành tập hợp B (s1 , , sp ) luồng để đưa vào mã hóa trước F, mã hóa trước với san G phía thu thành phần cốt lõi để thực kỹ thuật tối ưu hóa cho việc truyền dẫn Sau luồng (s1 , , sB ) xử lý mã hóa trước F phát kênh truyền Ở phía thu, luồng xử lý theo quy trình ngược Hình 3.3: BER thiết kế với Hình 3.4: BER thiết kế với MT = MR = K=3 K=4 Hình 3.3 mơ tả phẩm chất BER thiết kế đề xuất cân lỗi với thiết kế san MMSE ZF, trường hợp có số lượng ăng-ten phát ăng-ten thu (2, 2) với hệ số chồng lấn K = Rõ ràng thiết kế đề xuất kết hợp mã hóa trước san theo phương pháp cân lỗi có phẩm chất BER tốt so với hai phương pháp MMSE ZF 21 Thế W phương trình (3.12) vào (3.13) (3.14) Từ ta tính giá trị phần tử đường chéo Φf Φg sau: Φf = γ 1/2 Λ−1/2 Φg = γ 1/2 (1 + γ) −1 −1/2 Λ (3.15) (3.16) Các ma trận F G tính sau: (3.17) (3.18) F = VΦf , G = Φg VH HH R−1 nn b Thiết kế đổ nước Thiết kế đổ nước thực cách, biểu thức (3.7) ta chọn trọng số W = I Với lựa chọn này, phần tử đường chéo ma trận Φf Φg tính theo phương trình sau: Φf = µ−1/2 Λ−1/2 − Λ−1 Φg = µ1/2 Λ−1/2 − µΛ−1 1/2 + 1/2 Λ−1/2 + k i=1 p0 + (3.20) * ký hiệu tích chập tuyến tính Tổng hợp tín hiệu đầu giàn lọc biểu diễn sau: −1/2 k i=1 λ−1 i Khi có tín hiệu x(t) qua lọc, ta có đáp ứng xung tương ứng h(t) tín hiệu đầu biểu diễn sau: , (3.22) hn (t) ∗ xn (t) s(t) = (3.21) + ρ0 λi a Giàn lọc tổng hợp s=h∗x Biểu thức µ phương trình (3.21) viết theo phương trình sau: µ1/2 = Giàn lọc dãy lọc mà áp dụng để tổng hợp tín hiệu đa sóng mang máy phát phân tách tín hiệu thu máy thu Trong phần này, trình bày giàn lọc tổng hợp giàn lọc phân tách tín hiệu hệ thống FBMC (1.2) Nc tr Λ−1/2 tr (Λ−1 ) 1.3 Mô hình hệ thống FBMC-OQAM 1.3.1 Giàn lọc (3.19) đây, µ tính theo phương trình (3.10) biểu diễn lại sau: µ1/2 = lại Như vậy, sau tín hiệu thu xử lý san G, symbol (ˆ s1 , , sˆB ) qua chuyển đổi song song - nối tiếp ghép thành luồng symbol ˆb[n] đầu (1.3) n=1 b Giàn lọc phân tách Bỏ qua suy giảm kênh truyền, tín hiệu đầu vào khối AFB tín hiệu phát khối SFB; nói cách khác, r(t) = s(t) Với lọc phân tách gk bất kỳ, tín hiệu đầu liên tục theo thời gian sau lọc tính phương trình sau: Đặt Φf = diag([φf , φf , , φf S ]) Quy trình xử lý lặp lại khởi tạo với k = S để tính giá trị Φf Chính sách phân bổ công suất theo thiết kế đổ nước thực sau: Bước : Giả sử µ ≤ λk , phần tử đường chéo ma trận Φf tính theo phương trình (3.19), áp dụng φf,i ≥ với i = 1, 2, , k Nếu µ ≤ ρk quy trình dừng lại; trường hợp khác chuyển sang bước Bước : Đặt φj,k = k = k − Chuyển bước Có thể thấy sau lần lặp lại bổ sung, công suất phân bổ cho trị riêng mạnh Vì có tổng S trị riêng nên việc lặp lại kết thúc bước S − Trong q trình tồn cơng suất phân bổ cho giá trị riêng lớn Ở phía thu, để giải điều chế xác tín hiệu phát sóng mang con, ta cần thỏa mãn hai điều kiện sau: Khơng có ICI miền tần số Không ISI miền thời gian 20 yk = gk ∗ r ∞ Nc = m=−∞ n=1 Nc ∞ = Xm,n pR ∗ pT (t − mT ) e2πjn∆f t+jφn e−2πjk∆f t+jφk (1.4) Xm,n pR ∗ pT (t − mT ) e2πj(n−k)∆f t+j(φn −φk ) m=−∞ n=1 1.3.2 Điều chế biên độ cầu phương dịch thời gian Điều chế OQAM gọi điều chế biên độ cầu phương dịch thời gian thuật ngữ “offset” phản ánh dịch chuyển thời gian nửa nghịch đảo khoảng cách sóng mang phần thực phần ảo symbol phức Trong nghiên cứu này, kỹ thuật điều chế OQAM dựa nội dung hệ thống truyền dẫn QAM song song luồng liệu đầu vào cố định S Bộ mã hóa trước san phải thiết kế kết hợp cho đảm bảo SNR hay cung cấp xác suất lỗi sóng mang Áp dụng cơng thức tính xác suất lỗi cân kênh Thiết kế thực theo phương trình sau: W1/2 µ−1/2 Λ1/2 − I = γI (3.7) 1.4 Các nghiên cứu liên quan 1.4.1 Nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống MIMO ISI đó, W = diag (w1 , w2 , , wS ) ma trận trọng số có đường chéo dương, Λ ∈ CS×S ma trận đường chéo mà giá trị đường chéo tính phần thực phép phân tích SVD theo phương trình sau: Một đặc tính kỹ thuật để nâng cao chất lượng truyền dẫn hệ thống thơng tin truyền dẫn khối Tuy nhiên, việc truyền dẫn khối thông qua kênh SISO kênh MIMO phải đối diện với nhiễu ISI, điều làm giảm hiệu băng thông thêm khoảng bảo vệ dạng ZP CP Để giải vấn đề cải thiện chất lượng hệ thống, ta chia thành ba nhóm giải pháp kỹ thuật sau: kỹ thuật mã hóa trước, kỹ thuật san kỹ thuật kết hợp mã hóa trước san H HH R−1 nn H = VΛV 1.4.2 Nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống MIMO FBMC Qua khảo sát cơng trình nghiên kỹ thuật đa sóng mang OFDM, FBMC, GFDM UFMC Ta thấy rằng, so với kỹ thuật đa sóng mang cịn lại kỹ thuật FBMC có đặc tính quan trọng xạ ngồi băng thấp khơng cần sử dụng tiền tố vịng khoảng bảo vệ Đây lý mà nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu kỹ thuật FBMC cho hệ thống 5G, kỹ thuật FBCM có nhiều ưu điểm hiệu sử dụng phổ, xử lý tín hiệu máy thu linh hoạt tốc độ truyền liệu cao 1.5 Kết luận chương Những kiến thức tổng quan Chương sở để Nghiên cứu sinh đề xuất ý tưởng thiết kế kết hợp máy thu máy phát theo phương pháp sử dụng độ dư hay thuật tốn phân bổ cơng suất cho hệ thống MIMO ISI MIMO FBMC (3.8) γ giá trị vơ hướng Từ phương trình (3.7), ma trận trọng số W viết lại sau: W1/2 = (1 + γ) Λ−1/2 µ1/2 (3.9) đây, µ hàm W tính theo phương trình: µ 1/2 tr Λ−1/2 W1/2 = (3.10) tr (Λ−1 ) + ρ0 Thế W từ (3.9) vào (3.10), ta tính γ sau: γ= p0 tr (Λ−1 ) (3.11) Thay γ vào phương trình (3.9), ta tính giá trị trọng số W sau: W1/2 = µ1/2 ρ0 + Λ−1/2 tr (Λ−1 ) Để thiết kế F G đảm bảo cân lỗi kênh con, ma trận đường chéo Φf Φg tương ứng chúng có phần tử nằm chéo tính theo phương trình sau: Φf = µ−1/2 Λ−1/2 W1/2 − Λ−1 1/2 (3.13) + Φg = µ1/2 Λ−1/2 W−1/2 − µΛ−1 W−1 1/2 + (3.12) 19 Λ−1/2 (3.14) sau: yH−1 = D + nH−1 Khi sử dụng san ZF để tách symbol liệu, cần có ma trận ZZF thỏa mãn điều kiện ZZF H = I thực ma trận giả nghịch đảo theo phương trình sau: H −1 ZZF = H H Chương (3.2) H (3.3) H Kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống MIMO ISI 2.1 Mơ hình hệ thống MIMO ISI 2.1.1 Mơ hình kênh Xem xét với mơ hình kênh MIMO ISI Hình 2.1, ta có véc-tơ mẫu Tương tự phương pháp san ZF, ta tính ma trận san MMSE sau: ZM M SE = HH H + σg2 I −1 HH (3.4) Dễ dàng nhận thấy ma trận san MMSE khác ma trận san ZF có thêm thành phần công suất nhiễu σg2 hay SNR Do vậy, phương trình (3.4) viết lại sau: ZM M SE = HH H + I SN R 1 x i  PMT 2 P S MT H[l]    S    r[i] MR MT P MR PMR Hình 2.1: Mơ hình kênh MIMO ISI tín hiệu đầu kênh r[i] tính phương trình sau: −1 HH (3.5) Mặc dù hai phương pháp thiết kế có độ phức tạp tính tốn đơn giản thiết kế san MMSE coi thiết kế loại bỏ nhiễu tốt ZF phương pháp thiết kế MMSE chịu thỏa hiệp (trade-off) việc loại bỏ nhiễu cơng suất phát Vì vậy, chất lượng truyền dẫn hai phương pháp thiết kế trở nên hiệu hệ thống MIMO FBMC bị giới hạn công suất phát 3.2.2 Đề xuất thiết kế kết hợp theo thuật toán phân bổ công suất (2.1) r[i] = H0 x[i] + H1 x[i − 1], Trong đó, H0 , H1 ma trận cho phương trình sau:  H [0]       H0 =  H [L]     0 ···  H [0] ··· ··· ··· ··· ··· H [L] ··· H [0] ···      ,      (2.2) a Thiết kế cân lỗi Theo thiết kế kết hợp mã hóa trước san máy phát máy thu, ta biểu diễn tín hiệu thu dạng tổng quát sau: y = GHFD + Gn (3.6) Xét điều kiện ràng buộc công suất phát p0 sóng mang Để tối ưu ma trận mã hóa trước san cho hệ thống MIMO FBMC với 18  ··· H [L] ··· H [1]      H1 =       ··· ··· ··· ···        H [L]      (2.3) 2.1.2 Mơ hình hệ thống tổng quát Chương n[i] + H PMT G PMR N PMR S 3.1 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống thiết kế kết hợp mã hóa trước san Các khối symbol đầu ˆs[i] hệ thống MIMO ISI Hình 2.2 tính theo phương trình sau: (2.4) ˆ s[i] = GH0 Fs[i] + GH1 Fs[i − 1] + Gn[i] Trong đó, F ∈ CP MT ×N G ∈ CN ×P MR cho phương trình sau: F0 [0] F1 [0] ··· FN −1 [0]     F=   F0 [1] F1 [1] ··· FN −1 [1]    ,   F0 [P MT − 1] F1 [P MT − 1] · · · FN −1 [P MT − 1]  G0 [0] G1 [0] ··· G(P MR −1) [0]   G0 [1] G1 [1] ··· G(P MR −1) [1]  G=   G0 [N − 1] G1 [N − 1] · · · G(P MR −1) [N − 1] (2.5) (2.6) F1 [0] ··· F1 [M − 1] ··· 0 0 FN −1 [0]    F(ω1)    SFB       G(ω1)    Nc    G(ω2)    1 F(ωNc)    Nc F(ω2) Nc AFB Nc Nc MR MT       SFB AFB Nc    G(ωNc)       Nc Nc Hình 3.1: Mơ hình hệ thống MIMO FBMC-OQAM với thiết kế kết hợp mã hóa trước san làm việc kênh - Phương pháp TZ: Trong phương pháp này, mã hóa trước F thiết kế cách chèn thêm vào LMT hàng cuối gồm toàn ký tự biểu diễn bởi: F0 [0]      F [M − 1]  F=         2.2 Kỹ thuật mã hóa trước san 2.2.1 Phương pháp sử dụng độ dư  sóng mang Nc đủ lớn độ trải trễ kênh truyền xem phẳng băng tần để mã hóa trước san thực sóng mang Mỗi sóng mang có khả truyền S luồng Tại máy phát, ma trận mã hóa trước sóng mang thứ Nc ký hiệu F(ωNc ) ∈ CMT ×S Tại máy thu, ma trận san sóng mang thứ Nc ký hiệu G(ωNc ) ∈ CS×MR        Xem xét mơ hình hệ thống MIMO FBMC mơ tả Hình 3.1 với MT ăng-ten phát MR ăng-ten thu có S luồng liệu khác Số lượng Luồng  Mơ hình hệ thống MIMO FBMC Luồng N Kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống MIMO FBMC bˆ [n] P Luồng S F P sˆ i  y[i] r[i] Luồng S b[n] x[i] s[i] S y = HD + n      FN −1 [M − 1]         Tín hiệu tạo tín hiệu phát, nhiễu AWGN ISI, biểu diễn dạng tổng quát sau: (2.7) (3.1) 3.2 Kỹ thuật mã hóa trước san cho MIMO FBMC 3.2.1 Kỹ thuật san Giả sử cột ma trận kênh H độc lập tuyến tính, khơng tương quan có số hạng đầy đủ tồn ma trận nghịch đảo đầu thu Áp dụng đáp ứng xung nghịch đảo kênh truyền, phương trình (3.1) trình bày 17 Nhìn chung, phẩm chất BER thiết kế đề xuất thấp đáng kể so với thiết kế TZ tất giá trị số ước lượng kênh xem xét như: ξ = 0.81, 0.91, 0.96 (CSI hoàn hảo) Ngoài ra, ta thấy số ước lượng kênh tỷ lệ thuận với ảnh hưởng phẩm chất BER, có nghĩa số ước lượng kênh ξ cao phẩm chất BER hệ thống tốt, đặc biệt mức có SNR cao Điều với thực tế SNR tăng lên với số ước lượng kênh tiến đến hồn hảo ảnh hưởng nhiễu giảm Do đó, SINR kênh giảm mạnh so với SNR kênh kênh điều kiện CSI hoàn hảo 300 200 CSI hoàn hảo 150 ξ= 0.96 ξ= 0.91 100 200 F1 [0] ··· F(N −1) [0]     =   F0 [1] F1 [1] ··· F(N −1) [1]       F0 [M − 1] F1 [M − 1] ··· F(N −1) [M − 1] 10 15 CSI hoàn hảo 150 ξ= 0.96 ξ= 0.91 100 25 SNR [dB] (2.9) x ˆ[i] = GT Z HT Z FT Z x[i] + GT Z n[i] HT Z ξ= 0.81 20 (2.8) Khi loại bỏ nhiễu ISI, lúc phương trình (2.4) viết lại sau:  ξ= 0.81 10 15 20 25 SNR [dB] Hình 2.17: Dung lượng thiết kế Hình 2.18: Dung lượng thiết kế với L = 12 P = 30 với L = 10 P = 26 Tiếp theo, ta thấy dung lượng hệ thống thiết kế đề xuất cao đáng kể so với thiết kế TZ tất trường hợp L P theo thay đổi số ước lượng kênh ξ mơ tả Hình 2.16, 2.17 2.18 2.4 F0 [0] 50 50 FT Z  HT Z chứa (P − L)T cột H0 tính sau: Thiết kế đề xuất Thiết kế TZ CSI hoàn hảo ξ= 0.96 ξ= 0.91 ξ= 0.81 250 Dung lượng [bít/s] 250 Dung lượng [bít/s/Hz] 300 Thiết kế đề xuất Thiết kế TZ CSI hoàn hảo ξ= 0.96 ξ= 0.91 ξ= 0.81 Theo thiết kế này, FT Z ∈ C(P −L)MT ×N biểu diễn bởi: Kết luận chương H [0] ···       H [L]  =       ···           H [0]      H [L] (2.10) - Phương pháp LZ: Đối với phương pháp LZ, FLZ = F G chèn thêm vào LMR cột gồm toàn ký tự tính theo phương trình sau:  ··· G0 [0] ··· GM −1 [0]     G=   ··· G0 [1] ··· GM −1 [1]       ··· G0 [N − 1] ··· GM −1 [N − 1] (2.11) Trong chương này, Nghiên cứu sinh phát triển phương pháp thiết kế kết hợp mã hóa trước san từ kênh SISO ISI sang kênh MIMO ISI Trên sở đó, Nghiên cứu sinh tiến hành đề xuất phương pháp thiết kế kết hợp mã hóa trước san có sử dụng độ dư cách hợp lý máy phát máy thu phương pháp thiết kế chia sẻ độ dư Các kết nghiên cứu cho thấy thiết kế đề xuất có phẩm chất BER tốt hay đạt độ lợi đáng kể so với phương pháp thiết kế không chia sẻ độ dư (TZ LZ) Thêm vào đó, Nghiên cứu sinh cịn phân tích đánh giá ảnh hưởng CSI khơng hồn hảo cho kênh MIMO ISI dựa phương pháp thiết kế sử dụng độ dư Qua phân tích thấy chất lượng hệ thống MIMO ISI có ảnh hưởng đáng kể đến CSI HLZ chứa M hàng cuối H0 tính phương trình sau: 16 Khi loại bỏ nhiễu ISI, phương trình (2.4) viết lại sau: (2.12) x ˆ[i] = GLZ HLZ FLZ x[i] + GLZ n[i]  HLZ    =    H [L] ··· H [0] ···  ···        ··· H [L] ··· H [0] (2.13) 2.2.2 Đề xuất phương pháp chia sẻ độ dư C= ký tự 0, bên máy thu chèn thêm (L − K)MR cột gồm toàn ký tự vào san G Do đó,F G có cấu trúc sau: F1 [0] ··· FN −1 [0] F1 [P MT − KMT ] ··· 0 0      F [P M − KM ] T T  F=      FN −1 [P MT (2.14)  ···    G=    ··· G0 [1] ··· G(P −L+K)MR −1 [1] ··· G0 [N − 1] ··· G(P −L+K)MR −1 [N − 1] ··· G0 [0] ···  G(P −L+K)MR −1 [0] 10 ξ= 0.81 -1 10 -6 10 Thiết kế đề xuất Thiết kế TZ CSI hoàn hảo ξ= 0.96 ξ= 0.91 ξ= 0.81 -4 10 10 SNR [dB] 15 20        ˆ H=       ··· H [0] H [L] ··· ··· H [L] ···          H [0]      H [K] 200 ξ= 0.81 ξ= 0.91 BER ξ= 0.96 10-3 10-4 (2.17) Thiết kế đề xuất Thiết kế TZ CSI hoàn hảo ξ= 0.96 ξ= 0.91 ξ= 0.81 10 SNR [dB] 15 20 25 250 10-2  -5 10 25 10 (2.16) 10-1 H [L − K] ξ= 0.96 CSI hồn hảo -3 10 Hình 2.13: BER thiết kế với L Hình 2.14: BER thiết kế với L = 12 P = 26 = 12 P = 30 ˆ ∈ C(P −L+K)R×(P −K)T cho phương trình sau H  ξ= 0.91 -2 10 ξ= 0.96 -3 10 -5 10 ξ= 0.81 -1 10 ξ= 0.91 -2 10 (2.15) ˆ s[i] + G0 n[i], ˆ s[i] = G0 HF (2.30) 10 CSI hoàn hảo Theo thiết kế mã hóa trước F0 san G0 , sau loại bỏ nhiễu ISI phương trình (2.4) viết lại sau: (2.29)   2.3.2 Kết mô -4 10        ˆ vv + φ˜f,vv λ ˆ ˆ ˆ ˆH ˆ H R−1 H nn H = VΛV      − KMT ]   ,      + (1 − ξ )) Dung lượng [bít/s/Hz] F0 [0] 1− (2ξ ξ2 ˆ chứa thành phần nằm đường chéo đây, N ≤ rank(KMR , KMT ) Λ ˆ λvv , tính từ phương trình sau: BER   log2 1 + v=1  ˆ vv ξ φ˜f,vv λ BER Thiết kế kết hợp F G theo phương pháp chia sẻ độ dư thực cách thay chèn LT hàng cuối gồm tồn ký tự vào mã hóa trước F bên máy phát, ta chèn KMT = LM2 T hàng cuối gồm toàn  v=N 10-50 CSI hoàn hảo Thiết kế đề xuất Thiết kế TZ CSI hoàn hảo ξ= 0.96 ξ= 0.91 ξ= 0.81 Thiết kế đề xuất Thiết kế TZ CSI hoàn hảo ξ= 0.96 ξ= 0.91 ξ= 0.81 CSI hoàn hảo 150 100 ξ= 0.96 ξ= 0.91 50 ξ= 0.81 10 SNR [dB] 15 20 25 10 15 20 25 SNR [dB] Hình 2.15: BER thiết kế với L Hình 2.16: Dung lượng thiết kế = 10 P = 26 với L = 12 P = 26 n[i] véc-tơ mẫu tạp âm có chiều dài (P − L + K)R Sau mã Các Hình 2.13, 2.14 2.15 so sánh phẩm chất BER hai thiết kế với trường hợp bậc đáp ứng xung L độ dài khối symbol phát P khác 10 15 phương trình (2.16) viết lại sau: hóa trước F0 san G0 thiết sau: ˜H ˜ Fx[i] ˜ ˜ x ˆ[i] = G + Gn[i] (2.21) (2.18) (2.19) F0 = VΦf , ˆ H R−1 G0 = Φ g V H vv , H ˜, G ˜ thiết kế theo tiêu chí MMSE Kết ma trận Trong F ˜, G ˜ thiết kế biểu diễn rút gọn sau: F ˜=V ˜Φ ˜f F 2.2.3 Kết mô (2.22) 35 100 20 dB 30 (2.23) ˜ f Φ ˜ g tính theo phương trình sau: Φ  φ˜f,vv φ˜g,vv =    p0 +   k i=1 = k i=1 ˜ −1 λ ii ˜ −1/2 λ ii k i=1 p0 + k i=1 ˜ −1 λ ii ˜ −1/2 λ ii  −1/2 ˜ vv λ −  ˜ −1/2 ˜ −1 , λ −λ vv vv k i=1 ˜ −1/2 λ ii k i=1 p0 + ˜ −1 λ ii ˆ+ ξH ˆe − ξ2H R−1 nn (2.24) 2 ˜ −1  λ vv    ˜ −1 λ vv (2.25)   ˆe = V ˜Λ ˜V − ξ2H 10 dB -5 Không sử dụng độ dư Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất dB 10 dB 20 dB 10 12 Chỉ số kênh 10-4 10-5 14 16 18 10-6 20 ˆ e )H( ˆ Fξ ˜ H ˆ +F ˜ − ξ2H ˜H ˆH ˆF ˜ Hx ˆ [i] + ξ =ξ G ξ 1− ˜H ˆ ξ2G ˆ e )x [i] + Gn ˜ [i] − ξ2H 10 10 -1 10 -1 10 -2 10 -2 10 -3 10 -5 10 ˆ˜ˆ e HFHx [i] + ˆH ˆ eH ˆF ˜ Hx ˆ [i] + − ξ − ξ2G -6 10 ˜H ˆ eH ˆF ˜H ˆ e x [i] + Gn ˜ [i] G (2.27) Kết SINR kênh dung lượng hệ thống tính sau: ˆ vv ξ φ˜f,vv λ SINRv = (2ξ ˆ vv + 1 − ξ + (1 − ξ )) φ˜f,vv λ 14 (2.28) 10 15 SNR [dB] 20 25 30 * So sánh thiết kế đề xuất với thiết kế TZ -4 10 ˜ H ˆ +G ˜ x ˆ [i] = (Gξ 10-3 Hình 2.4: BER thiết kế Hình 2.3: SNR kênh Rõ ràng từ Hình 2.3, SNR kênh thiết kế không sử dụng độ dư thấp nhiều so với hai phương pháp có sử dụng độ dư chia sẻ độ dư Khi tăng tổng SNR lên từ đến 20 dB khoảng cách đường cong mô tả SNR kênh tương ứng với ba phương pháp thiết kế tăng lên theo số lượng kênh (2.26) Với cấu trúc thiết kế mã hóa trước này, phương trình (2.21) tính lại sau: 10-2 10 dB 15 -10 ˜H ˆ+ × ξH 20 ˜ Ngồi ra, ma trận λ˜ vv thành phần đường chéo Λ ˜ ˜ Λ V tính thơng qua phép phân tích SVD sau: H 25 BER ˆe − ξ2H Không sử dụng độ dư Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất 10-1 BER ˆ+ ξH SNR kênh ˜ =Φ ˜ gV G R−1 nn BER ˜H H -3 10 -4 10 Thiết kế TZ Thiết kế đề xuất 4MT x 4MR 3MT x 3MR 2MT x 2MR -5 10 10 15 SNR [dB] 20 25 -6 10 30 Thiết kế TZ Thiết kế đề xuất L=8 L=11 L=14 10 15 20 25 30 SNR [dB] Hình 2.5: BER thiết kế thay Hình 2.6: BER thiết kế thay đổi số lượng MR MT đổi bậc đáp ứng xung Từ kết Hình 2.5, ta thấy thiết kế đề xuất đạt độ lợi đáng kể so với thiết kế TZ Ví dụ, xem xét trường hợp hệ thống có số lượng ăng-ten (2, 2), để đặt mức BER 10−6 thiết kế đề xuất đạt độ lợi tốt so 11 -1 10 -1 10 -2 10 -2 10 -4 10 -5 10 -6 10 P=36 -3 10 -4 10 Sơ đồ TZ Sơ đồ đề xuất BPSK QPSK 8PSK -5 10 10 15 SNR [dB] 20 25 -6 10 30 -1 10 -5 10 Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất P=24 P=36 P=48 10 15 SNR [dB] 20 25 30 Nghiên cứu sinh tiến hành đánh giá chất lượng hệ thống hai phương pháp thiết kế thông qua việc thay đổi bậc dạng điều chế BPSK, QPSK 8PSK Ở đây, tham số thiết lập như: độ dài véc-tơ symbol phát, độ dài véc-tơ symbol đầu vào bậc đáp ứng xung kênh khơng thay đổi cịn số lượng ăng-ten phát ăng-ten thu sử dụng (4, 4) Từ kết mơ Hình 2.7, thấy thay đổi bậc dạng điều chế khác thiết kế đề xuất đạt độ lợi tốt so với thiết kế TZ * So sánh thiết kế đề xuất với thiết kế LZ Trong Hình 2.8, phẩm chất BER hệ thống hai thiết kế đánh giá ba trường hợp độ dài khối symbol phát khác P = 24, 36 48 Rõ ràng phẩm chất BER thiết kế đề xuất thấp đáng kể với ba trường hợp Ví dụ, mức tổng SNR 25 dB, phẩm chất BER phương pháp thiết kế đề xuất tốt đáng kể so với thiết kế LZ khoảng cách hai thiết kế giảm dần P tăng Trong Hình 2.9, thiết kế đề xuất có phẩm chất BER hệ thống tốt bậc đáp ứng xung thay đổi Tiếp theo, Nghiên cứu sinh đánh giá chất lượng hệ thống thông qua thông lượng hai phương pháp thiết kế trường hợp thay đổi độ dài khối symbol phát P , bậc đáp ứng xung L sơ đồ điều chế PSK Kết thể BER BER -3 10 L=12 -3 10 Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất L=10 L=12 L=15 -5 10 10 QPSK -4 10 L=15 8PSK -2 10 L=10 -4 10 15 SNR [dB] 20 25 -6 10 30 BPSK Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất BPSK QPSK 8PSK 10 15 SNR [dB] 20 25 30 Hình 2.9: BER thiết kế với L Hình 2.10: BER thiết kế với khác bậc điều chế khác P=24 Hình 2.7: BER sơ đồ TZ sơ đồ Hình 2.8: BER thiết kế với P cải tiến thay đổi dạng điều chế khác 12 -1 10 -6 10 P=48 -3 10 10 2 1.9 1.9 1.8 1.8 Thông lượng [bít/s/Hz] 10 10 -2 10 Thơng lượng [bít/s/Hz] 10 BER BER với thiết kế TZ khoảng dB Hay tăng số lượng ăng-ten lên (3, 3) thiết kế đề xuất đạt độ lợi tốt so với thiết kế TZ khoảng 2,5 dB mức BER 10−5 Ngoài ra, kết mô cho thấy tăng số lượng ăng-ten phát ăng-ten thu BER thiết kế đề xuất thiết kế TZ tăng theo Kết thể Hình 2.6, thay đổi L thiết kế đề xuất ln đạt độ lợi tốt so với thiết kế TZ Cuối cùng, 1.7 1.6 P=24 1.5 P=36 P=48 1.4 Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất P=24 P=36 P=48 1.3 1.2 1.1 10 SNR [dB] 15 20 L=15 1.7 L=12 1.6 L=10 1.5 1.4 Thiết kế LZ Thiết kế đề xuất L=10 L=12 L=15 1.3 1.2 25 10 SNR [dB] 15 20 25 Hình 2.11: Thơng lượng thiết Hình 2.12: Thơng lượng thiết kế với P khác kế với L khác tương ứng Hình 2.11, 2.12 2.3 Ảnh hưởng CSI hệ thống MIMO ISI 2.3.1 Phân tích ảnh hưởng CSI khơng hồn hảo Trong thực tế, hệ thống vơ tuyến khó đạt CSI hồn hảo máy phát máy thu Trong phần này, giả sử máy phát biết đầy đủ CSI máy thu CSI Xem xét mô hình hệ thống Hình 2.2, ma trận kênh trình bày sau: ˜ = ξH ˆ+ H ˆe − ξ2H (2.20) ˆ ma trận kênh xác H ˆ e ký hiệu ma trận kênh lỗi với phân H ˆ e ∈ CN (0, 1) Các ma trận kênh có kích thước bố Gaussian phức H (P − L + K) R × (P − K) T, ξ tham số ước lượng kênh, ≤ ξ ≤ Do vậy, 13 ... lượng kênh phẩm chất BER cho hệ thống FBMC hệ mới, nghiên cứu sinh lựa chọn thực đề tài: “ Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa trước san cho hệ thống thơng tin MIMO, đa sóng mang hệ ” Đề tài góp phần hồn... kỹ thuật điều chế đa sóng mang hệ hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng cho hệ thống thơng tin tiên tiến Với mục đích đề xuất kỹ thuật thiết kế kết hợp mã hóa trước san có khả tận dụng tối đa. .. băng thông thêm khoảng bảo vệ dạng ZP CP Để giải vấn đề cải thiện chất lượng hệ thống, ta chia thành ba nhóm giải pháp kỹ thuật sau: kỹ thuật mã hóa trước, kỹ thuật san kỹ thuật kết hợp mã hóa trước