CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG DSP KHẢ TRÌNH TRONG XỬ LÝ DÀN ANTEN
4.4 Tách tín hiệu đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)
4.4.4 Ước tính phi tuyến của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống truyền
Phần này xét đến các kỹ thuật dựa trên bộ thu phi tuyến để ước tính một tín hiệu mong muốn trong mô hình hệ thống MIMO. Ở đây giả thiết có mô hình MIMO cơ bản được đưa ra bởi (119). Khác với phần trước, tất cả các ước tính được tạo ra là sự kết hợp tuyến tính của vectơ quan sát, các bộ ước tính được đề cập trong phần này sử dụng các kỹ thuật phi tuyến thường thu được hiệu quả cao hơn tách sóng tuyến tính. Các bộ tách sóng tuyến tính tốt nhất thường có hiệu quả thấp hơn bộ tách sóng gần giống cực đại (phi tuyến) tối ưu. Các bộ tách sóng phi tuyến có thể nối liền khoảng cách giữa hiệu suất tuyến tính tốt nhất và hiệu suất tối ưu không ràng buộc, cần thiết để cung cấp các tùy chọn hiệu năng cao cho các ứng dụng thực tế. Chúng ta sẽ tìm hiều một số kết quả đạt được gần đây trong lĩnh vực này.
4.4.4.1 Tách sóng gần giống cực đại
Một quan sát x từ mô hình hệ thống MIMO theo (119) và giả thiết rằng bộ thu đã biết kênh và phân bố chung của u, có thể xây dựng công thức ước tính gần giống cực đại chung là
( )
ˆ arg max |
ud
d v d
u P u v x
= ∈Ω =
trong đó Ωud là tập hợp tất cả các giá trị có thể có của ud. Rõ ràng từ công thức này bộ tách sóng gần giống cực đại chung có thuộc tính mong muốn, tối thiểu hóa xác suất lỗi
quyết định chung, ví dụ P u( ˆd ≠ud). Tuy nhiên lỗi quyết định chung tối thiểu, không phải lúc nào cũng chỉ ra rằng các quyết định riêng sẽ cho xác suất lỗi tối thiểu [6]. Để giảm tối đa các xác suất lỗi riêng các ký hiệu mong muốn, chúng ta phải xét thêm về bộ tách sóng gần giống cực đại riêng. Bộ tách sóng gần giống cực đại riêng cũng tìm cách tối đa hóa xác suất có điều kiện, nhưng chỉ đối với một đầu vào kênh mong muốn chứ không phải đối với nhiều đầu vào kênh. Bộ tách sóng gần giống cực đại riêng cho đầu vào mong muốn thứ lcó thể được xây dựng theo công thức sau:
( ) ( ) ( ( ) )
ˆ arg max |
ud
d v d
u P u v x
= ∈Ω =
l
l l
trong đó Ωud( )l là tập hợp tất cả các giá trị có thể của ud( )l . Từ công thức này ta dễ thấy bộ tách sóng gần giống cực đại riêng tối thiểu hóa xác suất lỗi quyết định cho ud( )l , ví
dụ P u( ˆd( )l ≠ud ( )l ).
Để có được hiệu năng tối ưu của tách sóng gần giống cực đại thì phải trả giá. Thứ nhất, cần phải biết thông tin về kênh MIMO là ma trận kênh H và phân bố chung của u để tính toán các ước tính gần giống cực đại riêng và/hoặc chung. Thứ hai, các ký hiệu trong u được chọn từ các ký tự hạn chế, thông thường không phân biệt được phân bố chung của u. Điều này có nghĩa rằng tối đa hóa của các chức năng gần giống thường yêu cầu một sự tìm kiếm toàn diện thông qua tập hợp các giá trị có thể chấp nhận đối với ud
có thể đòi hỏi tính toán tốn kém. Ví dụ trong trường hợp bộ tách sóng muốn tính một ước tính gần giống cực đại cho 100 ký hiệu nhị phân, Ωud sẽ có 2100 phần tử. Trong trường hợp bất kỳ, bộ tách sóng gần giống cực đại chung hoặc riêng là một bộ tách sóng quan trọng trong đó nó thiết lập đường cơ sở bởi tất cả các bộ tách sóng khác (tuyến tính hay phi tuyến) được đo. Ngày nay, các bộ tách sóng thể hiện hiệu năng gần giống cực đại với độ phức tạp tính toán thấp với số lượng lớn các điều kiện hoạt động chung đang thu hút sự chú ý nghiên cứu của các nhà nghiên cứu, như hai bộ tách sóng được xem xét dưới đây.
4.4.4.2 Khử nhiễu nối tiếp
Bộ tách sóng khử nhiễu liên tiếp (SIC) là một thuật toán có độ phức tạp thấp để tách các tín hiệu mong muốn từ các tín hiệu quan sát kênh MIMO. Một trong những nghiên cứu đầu tiên về hoạt động của bộ tách sóng SIC được trình bày trong [12], trong đó đã chỉ ra rằng SIC có thể hoạt động tốt trong một số trường hợp.
Bộ tách sóng SIC hoạt động dựa trên vectơ quan sát x như sau:
1. Trước tiên bộ tách sóng SIC quyết định chọn thứ tự cho t tín hiệu đầu vào kênh mà nó sẽ ước tính. Như vậy có t! khả năng nhưng chỉ chọn ra một thứ tự chung để
thực hiện tách sóng. Các tín hiệu có chất lượng tốt nhất được tách sóng đầu tiên, và các tín hiệu có chất lượng thấp nhất được tách sóng sau cùng. Thứ tự tách sóng là l1,...,lt. 2. Đặt k = 1 và bắt đầu quan sát phần còn lại, nghĩa là: xr1 =x.
3. Đầu vào kênh thứ lk được ước tính từ quan sát phần còn lại, sử dụng một trong số các kỹ thuật ưu tiên, thông là một kỹ thuật có độ phức tạp thấp như là lọc ghép.
Kết quả ước tính là uˆd( )lk .
4. Ước tính này khi đó được nhân với cột lkcủa H và được trừ đi từ phần quan sát để tạo ra một quan sát còn lại mới: 1 ˆ ( )
k k k
r r l d k
x =x − −h u l .
5. Nếu có nhiều tín hiệu để ước tính, tăng k và lặp lại bước 3.
Thuật toán SIC đôi khi được gọi là thuật toán “bóc vỏ hành” có nghĩa là các lớp của tín hiệu thu được bóc theo cách giống như các lớp của một củ hành. Rõ ràng, nếu việc khử tại bước 4 là hiệu quả, tổng nhiễu trên các tín hiệu khác trong quan sát giảm.
Khi tách sóng SIC xuất hiện sự khử nhiễu không hiệu quả tại bước 4, nó có thể tăng nhiễu tổng được tạo ra trên các tín hiệu mong muốn khác và giảm độ tin cậy tách sóng.
Bộ tách sóng SIC kết hợp với nhiều mã xoắn tốc độ thấp được đưa ra để đạt đến giới hạn dung lượng của các kênh đa truy nhập trải phổ với tạp âm Gaussian nền trong [11]. Đạt được giới hạn dung lượng này yêu cầu việc xử lý kết hợp tất cả các truyền dẫn, trong đó mỗi truyền dẫn đồng thời yêu cầu có một năng lượng ký hiệu riêng. Các năng lượng ký hiệu riêng này được tính toán như các hàm của năng lượng ký hiệu nhiễu và công suất tạp âm nền. Phân tích trong [11] chỉ ra rằng khi số lượng bộ phát lớn, hệ thống truyền thông này tiến rất gần đến giới hạn Shannon.
Bộ tách sóng SIC yêu cầu thông tin đầy đủ về ma trận kênh MIMO nhưng rõ ràng không yêu cầu thông tin về phân bố đầu vào chung. Thuật toán bộ tách sóng SIC có thể được thay đổi sao cho không phải ước tính tất cả các tín hiệu (SIC một phần) hoặc nhiều đường sử dụng thuật toán SIC phải được thực hiện. Nhiều đường thường là thuận lợi trong các hệ thống cụ thể vì các tín hiệu đầu tiên được quyết định không cần lợi thế của bất kỳ sự khử nhiễu nào trên đường đầu tiên trong khi các tín hiệu này sẽ được quyết định trên một sự quan sát còn lại với nhiễu kỳ vọng thấp trên các đường đến sau.
4.4.4.3 Khử nhiễu song song
Bộ tách sóng khử nhiễu đồng thời (PIC) là thuật toán tách sóng phi tuyến độ phức tạp thấp, hiệu quả cho việc tách các tín hiệu mong muốn từ các quan sát kênh MIMO.
Giống như SIC, bộ tách sóng PIC thực hiện ước tính và khử nhiễu từ quan sát gốc để tạo ra một quan sát với các tín hiệu còn lại với nhiễu kỳ vọng thấp. Bộ tách sóng PIC được đề xuất đầu tiên cho các hệ thống truyền thông tổ ong số, trong đó nó được gọi là “bộ tách sóng đa tầng”. Thuật toán cơ bản cho bộ tách sóng PIC như sau:
1. Bộ tách sóng PIC xây dựng một phép ước tính của một số hoặc tất cả vectơ đầu vào kênh MIMO (bao gồm kết hợp của các ký hiệu mong muốn hay không mong muốn bất kỳ) sử dụng một kỹ thuật đơn giản như là lọc ghép hoặc tách sóng khử về 0.
Khi đó các ước tính này được nhân với các cột liên hợp của chúng trong ma trận kênh MIMO H và lấy quan sát gốc x trừ đi để được quan sát còn lại xr. Khác với bộ tách sóng SIC, tất cả các thao tác này được thực hiện đồng thời.
2. Mỗi đầu vào kênh mong muốn khi đó được ước tính từ quan sát còn lại sử dụng một kỹ thuật đơn giản như lọc ghép. Và điều này cũng được thực hiện đồng thời.
Bộ tách sóng PIC là một thuật toán thỏa mãn ngay từ đầu. Nếu ước tính vectơ tại bước 1 là chính xác, thì các nguồn nhiễu sẽ bị khử và độ tin cậy của các ước tính cho các tín hiệu mong muốn tăng trong bước 2. Tuy nhiên, bộ tách sóng PIC cũng có chung vấn đề về độ nhạy khử nhiễu như bộ tách sóng SIC. Nếu nhiễu được ước tính không chính xác trong bước 1, nó có thể tăng thêm trong quan sát còn lại, khiến cho kết quả các ước tính trong bước 2 còn kém hơn nếu không có sự tham gia của khử nhiễu.
Thực tế, bộ tách sóng PIC có một số cải tiến hơn bộ tách sóng SIC bao gồm: cấu trúc song song của nó có trễ tách sóng thấp hơn cấu trúc nối tiếp của bộ tách sóng SIC.
Vì vậy, với các tín hiệu thu với các công suất bằng nhau, bộ tách sóng PIC thực hiện các ước tính với hiệu năng bằng nhau cho tất cả các đầu vào kênh, trong khi bộ tách sóng SIC cung cấp hiệu năng không đều nhau cho các đầu vào kênh. So sánh hiệu năng SINR của bộ tách sóng PIC và SIC cho các hệ thống tổ ong số tham khảo [10].
Nhiều tầng của bộ tách sóng PIC cũng được thực hiện đơn giản. Trong trường hợp này, nếu mỗi tầng cải thiện chất lượng các ước tính ký hiệu mong muốn thì nhiều tầng của tách sóng PIC sẽ hội tụ tới các ước tính ký hiệu chất lượng tốt. Tuy nhiên, rất có thể rằng bộ tách sóng PIC sẽ không hội tụ tới một giải pháp tốt và thực tế có thể phân kỳ.
Khi sử dụng ít tầng trong tách sóng PIC thì chất lượng ước tính được cải thiện rất nhiều, trong khi đó nếu sử dụng nhiều tầng tách sóng PIC thực tế lại làm cho các ước tính ở các tầng sau có chất lượng thấp hơn ở tầng đầu tiên [6].
Gần đây các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc phát triển bộ tách sóng phi tuyến lai với cấu trúc PIC, việc ước tính nhiễu không tin cậy trong bước 1. Bộ tách sóng PIC mới này được đưa ra để tăng các ưu điểm về hiệu năng hoạt động quan trọng của các bộ tách sóng PIC mã xoắn, tất nhiên sẽ tăng thêm độ phức tạp của bộ tách sóng này.