Kỹ thuật truyền thông MIMO có nhiều ưu điểm được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền thông hiện nay nhờ khai thác tốt tính phân tập không gian nhưng yêu cầu các máy thu phát phải có nhiều anten. Trong thực tế, vì những hạn chế của kích thước, năng lượng và chi phí của thiết bị vô tuyến, đặc biệt là thiết bị cầm tay di động, nên việc đặt nhiều anten vào thiết bị là không tối ưu. Ngoài ra, truyền sóng vô tuyến có đặc tính tự nhiên là phát quảng bá (broadcast), khi máy nguồn (source) phát tín hiệu cần truyền đến máy đích (destination) thì một thiết bị thứ 3 nào đó trong không gian lan truyền tín hiệu vẫn nhận được tín hiệu do máy đích phát ra và xem nó là can nhiễu. Nếu máy thứ 3 có thể thực hiện một vài xử lý tín hiệu đối với tín hiệu thu được và phát chuyển tiếp đến máy đích giúp máy đích có thể nhận được một phiên bản khác của tín hiệu được truyền, khi đó máy thứ 3 được gọi là máy chuyển tiếp (relay) như trong Hình 2.1. Hệ thống truyền thông có phương thức hợp tác truyền tín hiệu giữa các máy như trên còn gọi là truyền thông hợp tác.
Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông hợp tác
Trong mạng hợp tác, máy relay có thể phát lại một bản sao tín hiệu được truyền bởi máy nguồn nên tạo ra một mảng anten ảo. Tương tự như mảng anten vật lý, mảng anten ảo cũng có thể chống lại hiện tượng fading đa đường vì máy đích cũng thu được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu được truyền ở máy nguồn như trong hệ thống phân tập không gian, do đó có thể tăng chất lượng hệ thống truyền thông.
Trong phần này, ta phân tích hiệu quả hợp tác qua thông số SNR tín hiệu thu ở máy đích và dung lượng kênh của hệ thống hợp tác kiểu AF, DF. Hệ thống có một máy nguồn, một máy relay và một máy đích, mỗi máy chỉ có một anten được minh họa như trong Hình 2.2, trong đó ,P Ps r là công suất phát tương ứng của máy nguồn và máy relay. Kênh truyền giữa các máy là kênh fading có nhiễu AWGN nên mô hình tín hiệu thu phát như Công thức (1.2) của chương 1. Quá trình truyền hợp tác được thực hiện qua hai pha trực giao, mỗi pha có thể sử dụng khe thời gian khác nhau trong TDMA hoặc dùng các kênh tần số khác nhau trong FDMA để tránh can nhiễu giữa 2 pha.
Hình 2.2: Hệ thống hợp tác có một máy relay
Pha 1: máy nguồn phát tín hiệu đến máy đích, vì tính chất phát quảng bá nên máy relay cũng thu được tín hiệu này. Tín hiệu thu được ở 2 máy lần lượt là :
sd s sd sd
y = P h x+w (2.1)
sr s sr sr
y = P h x+w (2.2)
Pha 2 : máy relay thực hiện xử lý tín hiệu cho tín hiệu ysr thu được từ máy nguồn trong pha 1, sau đó giúp máy nguồn chuyển tiếp đến máy đích. Tín hiệu thu được ở máy đích trong pha 2 :
( )
rd r rd sr rd
y = P h Q y +w (2.3)
trong đó (Q ysr) là tín hiệu ysr được xử lý ở máy relay phụ thuộc vào kiểu hợp tác được sử dụng. Các hệ số hsd,hsr và hrd lần lượt là hệ số kênh truyền giữa máy nguồn-máy đích (kênh s-d), máy nguồn-máy relay (kênh s-r) và máy relay-máy đích (kênh r-d), có dạng là các biến phức ngẫu nhiên Gaussian có trung bình bằng 0 và phương sai η η ηsd2 , sr2, rd2 . Các nhiễu wsd,w wsr, rd là các biến phức ngẫu nhiên Gaussian có trung bình bằng 0 và phương sai σ σ σsd2, sr2, rd2 , giả sử
2 2 2
0
sd sr rd N
σ =σ =σ = .