Nâng cao chất lượng tín hiệu tại đầu thu trong hệ thống MIMO LTE bằng kỹ thuật tiền mã hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - NGUYỄN HUY QUÂN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TẠI ĐẦU THU TRONG HỆ THỐNG MIMO-LTE BẰNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - Người hướng dẫn khoa học: PGS TS PHẠM VĂN TUẤN Phản biện 1: TS Bùi Thị Minh Tú Phản biện 2: PGS.TS Lê Tiến Thường Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đà Nẵng vào ngày 02 tháng 06 năm 2013 Có tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các hệ thống không dây hệ yêu cầu có chất lượng cao so với mạng di động vô tuyến hành phải cung cấp dịch vụ liệu tốc độ cao Đồng thời, thiết bị di động cầm tay phải nhỏ nhẹ Hơn nữa, chúng phải hoạt động đáng tin cậy loại môi trường khác nhau: đô thị, ngoại ô nơng thơn, nhà ngồi trời Nói cách khác, hệ thống hệ phải có chất lượng tốt an tồn hơn, hiệu cơng suất, đồng thời triển khai môi trường đa dạng Với mục tiêu đạt hiệu thương mại hiệu công suất thiết bị di động (MU) hệ thống truyền dẫn không dây thúc đẩy nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa cho truyền dẫn đường xuống hệ thống (MIMO) Điều có nghĩa áp dụng phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp trạm gốc (BS) Để thực tăng cường tín hiệu BS trình truyền dẫn đường xuống, nhiều kỹ thuật tiền mã hóa khác phát triển với mục đích trì tính đơn giản chi phí thấp cho thiết bị di động Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính Correlation Rotation đề xuất đồ án kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính đơn giản đề xuất hệ thống MIMO sử dụng điều chế PSK Ý tưởng mà kỹ thuật đề xuất sử dụng kiến thức nhiễu để tác động lên nhiễu hưởng lợi từ nó, thu lợi ích từ lượng tồn hệ thống chưa khai thác Kỹ thuật tiền mã hóa Correlation Rotation hướng đến việc xoay thích nghi, khơng phải thực giảm nhiễu khơng, tín hiệu truyền dẫn nhiễu phù hợp với tín hiệu mong muốn anten thu Bằng cách thực vậy, nhiễu ICI ln ln tích cực tỷ số SINR gửi đến thiết bị động MU tăng cường mà khơng cần phải tăng thêm lượng tín hiệu cho lần phát trạm gốc MIMO (BS) Từ vấn đề nêu chọn đề tài “Nâng cao chất lượng tín hiệu đầu thu hệ thống MIMO-LTE kỹ thuật tiền mã hóa “ 2 Mục tiêu nghiên cứu Tìm giải pháp kỹ thuật precoding hiệu nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu đầu thu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật precoding khác - Nguyên cứu kỹ thuật precoding truyền dẫn đường xuống hệ thống LTE Phương pháp nghiên cứu - Phân tích tài liệu thông tin liên quan đến đề tài - Trao đổi, thảo luận với bạn nhóm nghiên cứu - Thực tính tốn mơ vấn đề liên quan đánh giá kết quả, đề xuất, kiến nghị Từ đưa so sánh chất lượng tín hiệu đầu thu kỹ thuật tiền mã hóa khác Bố cục đề tài Ngồi phần Mở đầu, Kết luận hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Kỹ thuật tiền mã hóa hệ thống MIMO-LTE Chương 3: Mơ kỹ thuật tiền mã hóa truyền dẫn đường xuống LTE Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tham khảo báo khoa học, luận văn thạc sỹ từ trường đại học quốc gia khác giới, với trang web tìm hiểu Luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý Hội đồng để luận văn trở thành cơng trình thực có ích CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương này, giới thiệu tổng quan kiến thức chung công nghệ LTE, kỹ thuật OFDM mơ hình hệ thống MIMO 1.2 CƠNG NGHỆ LTE 1.3 KỸ THUẬT OFDM 1.4 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA KỸ THUẬT OFDM 1.5 HỆ THỐNG MIMO Hình 1.18 - Mơ hình hệ thống MIMO với Nt anten phát Nr anten thu CHƯƠNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO - LTE 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương trình bày hệ thống MIMO - OFDM thực phân tích lý thuyết kỹ thuật tiền mã hóa truyền dẫn đường xuống hệ thống MIMO -LTE 2.2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 2.3 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HĨA ZERO FORCING 2.3.1 Mơ hình tổng quan Xét hệ thống tổng quan với N anten phát (Tx) M anten thu (Rx) Vì khơng có xử lý tăng cường tín hiệu thiết bị di động riêng lẻ (MU), nên cấu hình hệ thống khơng phân biệt có phối hợp anten thu với hay không Như cách tổng quát, tín hiệu nhận tất anten khoảng tín hiệu thứ i viết lại thành : r(i) = H x(i) + w(i) (2.2) Ở r(i)=[r(i)1, r(i)2, r(i)M]T tín hiệu thu M anten thu, có dạng vector Mx1 H ma trận kênh truyền với hm,n độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ n đến anten thu thứ m, có kích thước MxN x(i) = [x(i)1, x(i)2, x(i)N]T tín hiệu phát N anten phát, có dạng vector Nx1 w(i) = [w(i)1, w(i)2, w(i)M]T nhiễu Gaussian trắng (AWGN), có dạng vector Mx1 Trong kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing, vector tín hiệu truyền biểu diễn sau : x(i) = f H* (H H*)-1 b(i) = f T b(i) (2.3) (i) (i) Ở b = [b 1, b(i)2, b(i)N]T vector liệu khoảng thời gian thứ i T = H* (H H*)-1 ma trận tiền mã hóa H* ma trận chuyển vị Hermitian ma trận H f hệ số tỷ lệ nhằm đảm bảo E(||x(i)||) = 1, với f  / tr[(H H *)1 ] (2.4) Ở tr[.] biểu diễn cho hàm tổng thành phần đường chéo ma trận Hình 2.2 - Sơ đồ khối kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing 2.3.2 Kênh truyền mơ hình MIMO 2x2 với tiền mã hóa Zero Forcing Trong mơ hình MIMO 2×2, hoạt động hai anten phát biểu diễn sau: Giả sử ban đầu có chuỗi tín hiệu cần truyền (x1, x2, x3, x4 xN) Đối với trường hợp anten phát, gửi x1 khe thời gian thứ nhất, x2 khe thời gian thứ hai, x3 khe thời gian thứ tiếp tục đến xN Tuy nhiên, có anten phát, chúng ghép thành nhóm hai tín hiệu Trong khe thời gian đầu tiên, x1 x2 gửi từ anten thứ anten thứ hai Trong khe thời gian thứ hai, x3 x4 gửi từ anten thứ anten thứ hai, x5 x6 gửi khe thời gian thứ ba tiếp tục Chú ý nhóm hai tín hiệu gửi chúng khe thời gian, cần N/2 khe thời gian để hoàn tất việc truyền tải, tốc độ liệu tăng gấp đơi Hình 2.3 - Mơ hình kênh MIMO anten phát anten thu Giả thiết rằng, Các kênh truyền fading phẳng Giá trị kênh truyền anten phát độc lập với giá trị kênh truyền anten phát khác Đối với anten phát thứ i truyền đến anten thu thứ j, tín hiệu phát nhân với số phức ngẫu nhiên hj,i Vì kênh xem xét kênh Rayleigh Giá trị kênh truyền anten phát anten thu độc lập thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Trên anten thu, nhiễu w hàm mật độ xác suất Gauss với     N0 Hệ số kênh truyền hj,i xác định 2.3.3 Kỹ thuật tiền mã hóa ZF hệ thống MIMO 2x2 Bây tìm hiểu cơng thức tốn học trình truyền dẫn, ảnh hưởng nhiễu hai tín hiệu gây lẫn Trong khoảng thời gian đầu tiên, tín hiệu nhận anten thu thứ là, x  r1  h1,1 x1  h1, x  w1  h1,1 h1, .   w1 x2  (2.5) Tín hiệu nhận anten thu thứ hai là, x  (2.6) r2  h2,1 x1  h2, x  w2  h2,1 h2,    w2  x2  h1,1 kênh từ anten phát thứ đến anten thu thứ h1,2 kênh từ anten phát thứ hai đến anten thu thứ h2,1 kênh từ anten phát thứ đến anten thu thứ hai h2,2 kênh từ anten phát thứ hai đến anten thu thứ hai x1, x2 tín hiệu phát w1, w2 nhiễu anten thu thứ thứ hai Để thuận tiện, phương trình biểu diễn dạng ma trận sau:    r1   h1,1 h1,   x1   w1  .     r   h    2,1 h2,   x2   w2  (2.7) Tương đương, r = H x + w (2.8) Giả sử b1, b2 liệu cần phát ban đầu Để tín hiệu đầu thu r = b, trước phát đi, b thực tiền mã hóa thành tín hiệu x Hay x tín hiệu sau tiền mã hóa b, với x = T b Kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing áp dụng phương pháp cho H T = I Do ta dễ dàng có, T = H*.(H*.H)-1 Như vậy,  r1   h1,1 h1,   x1   w1  .     r   h    2,1 h2,   x2   w2   h1,1 h1,   h1,1 h1,   h2,1 h2,  h2,1 h2,     *   h1,1 h1,   h1,1 h1,  *      h2,1 h2,  h2,1 h2,       1 b   w       b2  w2  1 0  b1   w1   b1   w1   .           0 1 b2  w2  b2  w2  Như vậy, với kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing tín hiệu thu loại bỏ hồn tồn phần nhiễu tín hiệu khác gây 2.4 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA SELECTIVE CHANNEL INVERSION 2.4.1 Giới thiệu Như trình bày phần kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing kiến thức nhiễu sử dụng để loại bỏ nó, kỹ thuật tiền mã hóa Selective Channel Inversion đề xuất ý tưởng sử dụng kiến thức để hưởng lợi từ nhiễu Ý tưởng đề xuất nâng cao chất lượng hệ thống thông qua việc khai thác phần nhiễu xuyên kênh (ICI) Cụ thể phần tích cực nhiễu ICI giữ lại khai thác, phần tiêu cực loại bỏ phương pháp tiền mã hóa Bằng cách đó, chất lượng tín hiệu chuyển đến đầu thu thiết bị di động (MU) tăng cường mà không cần tăng thêm lượng tín hiệu truyền trạm gốc MIMO (BS) Tuy nhiên để có lợi ích dẫn đến tăng độ phức tạp trình sử lý BS Trong phần nay, mục tiêu hướng đến việc phân tích lý thuyết đánh giá kỹ thuật tiền mã hóa SCI so với kỹ thuật tiền mã hóa ZF Kỹ thuật tiền mã hóa SCI đề xuất, thay sử dụng kiến thức nhiễu hệ thống MIMO để tránh nó, phương pháp sử dụng phần nhiễu ICI tích cực để tăng cường tín hiệu hữu ích đầu thu Cụ thể, phương pháp đề xuất cải tiến kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing cho hệ thống sử dụng điều chế PSK Kỹ thuật trình bày cách hiệu vùng có tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) thấp Ý tưởng dựa khái niệm, điều chế PSK, nhiễu ICI chia thành hai loại tích cực tiêu cực Bằng cách lựa chọn khơn ngoan kênh, số lượng nhiễu ICI đóng góp độ lợi cho tín hiệu mong muốn giữ lại đầu thu thiết bị di động Do đó, SINR nhận tăng cường mà khơng cần tăng cơng suất phát cho tín hiệu Thực tế tăng cường SINR cho tín hiệu tức cải thiện SINR trung bình Với phân tích lý thuyết sau kết minh họa cho tính ưu việt kỹ thuật tiền mã hóa SCI so với kỹ thuật tiền mã hóa ZF 2.4.2 Đặc điểm nhiễu xuyên kênh Trong phần chứng minh tách biệt nhiễu tích cực nhiễu tiêu cực hệ thống MIMO Xét ma trận R=H•H* ma trận tương quan chéo kênh xem ma trận nhiễu [11] Do đó, kỹ thuật tiền mã hóa Zero Forcing xem loại kỹ thuật tiền mã hóa giải tương quan, 10 hiệu mong muốn bu(i) biểu thị phần tối giản đồ tín hiệu hình 2.4.a () b(i) ICIui,k  b(i) b(i) u ,k  u u k (2.10) Do đó, để đánh giá nhiễu tín hiệu khoảng thời gian phát tín hiệu thứ i, ma trận G cần thành lập G(i) = diag(b(i)) · R · diag(b(i))  1,1  (i ) (i ) b b    2,1    (i ) (i ) b M b1 p M,1  ( b1i ) b (2i ) 1,2  2,2  i b (M) b (2i ) p M,2 ( i  b1i ) b (M) 1, M   i  b (2i ) b (M)  2, M        M, M   (2.11) Giả thiết ||bm(i)||2 = Rõ ràng phần tử matrix G phần biểu thức bên trái (2.10) biểu cho nhiễu ICI Do đó, thơng qua ma trận G(i) mà nhiễu ICI đánh giá tiêu cực hay tích cực Tiêu chuẩn (2.10) viết lại thành (i ) (2.12) G 0 u, k Từ rõ ràng từ thành phần G(i) xác định nhiễu ICI tích cực hay tiêu cực Do đo SINR nhận viết lại thành : (i) SINR e  S + || ICIconstructive || || ICIdestructive ||  N n (2.13) Ở S lượng tín hiệu Nn nhiễu Rõ ràng, cách giữ lại nhiễu tích cực loại bỏ nhiễu tiêu cực, giá trị SINR cao gửi đến đầu thu MU b Đặc tính nhiễu ICI cho điều chế QPSK Đối với điều chế QPSK tín hiệu mong muốn b (i)  {(± ± i) / 2} Do đó, nhiễu ICI tăng khoảng cách từ tín hiệu u thu đến điểm ngưỡng phần thực phần ảo phần nhiễu tích cực, mơ tả phần tối giản đồ tín hiệu QPSK hình 2.4.b 11 G (i) (i)  0&G 0 REAL IMAG (2.14) Ở G(i)  Re{diag(b(i) )}· Re {R· diag(b(i) )} , REAL G(i)  Im{diag(b(i) )}· Im {R· diag(b(i) )} (2.15) IMAG 2.4.3 Tiêu chuẩn để hình thành ma trận tương quan chéo tích cực Việc xây dựng ma trận Rc quan trọng, liên quan đến việc tăng cường chất lượng tín hiệu Ở trình bày ngắn tiêu chuẩn xây dựng ma trận Rc hệ thống MIMO Tiêu chuẩn áp dụng cho điều chế QPSK hầu hết mô Tiêu chuẩn SCI : tất thành phần tiêu cực G(i) thiết lập khơng Rc Điều biễu diễn sau: Cho u = đến M Cho k = đến M, với điều kiện k ≠ u Nếu ( [G(i)REAL]u, k