Mã CI được Steve Shattil, một nhà khoa học tại Idris Communications đề xuất đầu
tiên [54,76, 104]. Hình 1.9 trình bày kỹ thuật giao thoa sóng mang CI. Theo kỹ thuật CI, những tín hiệu có cùng pha và biên độ được gán cho tất cả sóng mang con của tín hiệu. Ký
hiệu số sóng mang con là Nsub, vector tín hiệu biểu diễn pha và biên độ của mỗi sóng mang con là S 1 1 ... 1 T, tín hiệu CI miền thời gian ở sđược biểu diễn như sau:
0 ... 0 T H sub s F S N (1.16)
Trong đó, là ma trận FFTF cóNsubđiểm và được biểu diễn theo biểu thức:
1 1 11 2 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 sub sub sub
sub sub sub
sub sub N j j N N sub N N N j j N N e e F N e e (1.17)
Hình 1.9.
Biểu thức (1.16) cho thấy tín hiệu CI tương đương với một xung. Vì vậy, ta có thể lấy ước lượng đáp ứng xung tại bộ thu. Tuy nhiên, theo công thức dịch thời gian của biến đổi Fourier, khi bù pha tuyến tính được gán cho mỗi sóng mang con thì chu kỳ xung trong miền thời gian có thể bị trễ với độ dốc tương ứng với độ dốc bù pha tuyến tính trong miền tần số.
Khi áp dụng kỹ thuật MIMO, bằng cách kiểm soát chu kỳ dịch của các xung, ta có thể truyền nhiều đáp ứng xung một lúc từ các phần tử anten phát cho mỗi phần tử anten thu trên miền thời gian mà không bị chồng chéo với nhau. Tại bộ thu ta có thể phân biệt rõ mỗi đáp ứng xung bằng cách sử dụng cửa sổ thời gian với chiều dài của nó theo thời gian trễ dự kiến tối đa của đường truyền trễ. Do đó, có thể xác định CSI cho tất cả liên kết của các phần tử anten thu và phát.
eo
Tuy nhiên, do tín hiệu CI có tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) biến thiên th năng lượng của mỗi sóng mang con ở điểm lấy mẫu nhất định, tín hiệu CI bị dàn trải trong miền tần số để giảm PAPR. Bên cạnh đó, ta phải sử dụng mã trải phổ như một mã BS cụ thể cho quá trình tìm kiếm ô [105]. Do vậy, theo nguyên lý đã đề cập, bằng cách sử dụng kỹ thuật CI kết hợp với kỹ thuật CDM, ta có thể ước lượng CSI cho tất cả liên kết của các phần tử anten phát và thực hiện quá trình tìm kiếm ô với số thành phần trải phổ ít hơn.
Các ưu điểm của mã CI: PAPR thấp.
Độ nhạy thấp đối với méo phi tuyến. Độ nhạy thấp đối với bù tần số sóng mang.
Khả năng chống sai lệch tín hiệu thu tốt (spectral nulls).
1.4.3 Giải pháp tại bộ thu MIMO đa ngƣời dùng và ƣớc lƣợng kênh
Phần này trình bày vấn đề thiết kế bộ thu đa người dùng MIMO và vấn đề ước lượng kênh đối với hệ thống MIMO đa người dùng tập trung vào việc xác định , mô hình và
cấu trúc bộ thu tối ưu.
Để phát triển kiến trúc bộ thu MIMO đa người dùng, cần xác định một mô hình
chung cho tín hiệu thu của bộ thu MIMO trong môi trường đa người dùng mô hình hóa và
kênh vật lý cho hệ thống MIMO đa người dùng. Xét hệ có có Kngười dùng, NT anten phát và NR anten thu, truyền qua một khung thời gian ký hiệu , B tín hiệu thu được tại đầu ra
của anten thứ được biểu diễn qua biểu thức sau:p
1 , , , 1 1 0 ( ) T ( ) ( ), 1,..., N K B p k j k j p s p R k j i r t b i g t iT n t p N (1.18) Trong đó: , k j
b i là ký hiệu được phát bởi người dùng k tại anten thứ jtrong khoảng ký hiệu thứ i.
, , (.)
k j p
g là dạng sóng của ký hiệu từ anten thứ của người dùng j kđến đầu ra của anten thu thứ p.
s
T là chu kỳ ký hiệu. (.)
p
n là nhiễu của anten thu thứ p.
Mô hình dạng sóng gk j p , , (.) như sau: , , ( ) , ( ) , , ( ) k j p k j k j p g t s u f t u du (1.19) Trong đó: , (.) k j
, , (.)
k j p
f là đáp ứng xung của kênh giữa anten phát thứ j của người dùng k
và đầu ra anten thu thứ p.
Nhằm giảm thiểu số lượng các tham số trong mô hình này, ta giả thiết rằng các tín hiệu được chuẩn hóa để có tổng năng lượng bằng một đơn vị, tức là:
2
, 1, 1,..., , 1,...,
k j T
s t dt k K j N (1.20)
Trong thực tế, các tín hiệu truyền dẫn có các mức năng lượng khác nhau và không phải bằng một đơn vị, phản ánh công suất ruyền dẫn của các đầu cuối của người dùng t khác nhau. Tuy nhiên, với quan điểm thiết kế bộ thu, tham số quan trọng có tính chất quyết định là công suất nhận được phụ thuộc vào công suất phát của người sử dụng và độ khuếch đạicủa kênh giao thoa. Như vậy, để thuận tiện, ta có thể tập trung tất cả các hệ số của các tín hiệu vào đ áp ng xung ứ của kênh fk j p, , (.), và đơn giản hóa giả thiết các tín hiệu được chuẩn hóa năng lượng tại bộ phát Bên cạnh đó. , ta không thể tách biệt độ khuếch đại kênh và công suất phát trên công suất thu. Ngoài ra, ta giả thiết thêm thời gian truyền dẫn của
các tín hiệu là trong một chu kỳ ký hiệu Ts.
, ( ) 0, 0,
k j s
s t t T (1.21)
Tương tự như với điều kiện ràng buộc chuẩn hóa (1.20) , giả thiết (1.21) không làm
mất tính tổng quát vì độ rộng thời gian của tín hiệu nhận được có thể lớn hơn một chu kỳ ký hiệu do sự phân tán trong đáp ứng kênh và ta có thể mô hình hóa được hiệu ứng này.
Mô hình thông dụng khảo sát đáp ứ ng kênh là mô hình kênh đa đường rời rạc:
, , , , , , , , 1 ( ) L ( ) k j p k j p k j p f t h t (1.22)
Trong đó δ(.), là xung Dirac, hk j p , , , , k j p , , , 0 biểu diễn hệ số khuếch đại kênh và
độ trễ truyền dẫn tương ứng của đường thứ ℓ của kênh giữa anten phát thứ của người j
dùng kvà đầu ra của anten thu thứ . Trong trường hợp này, dạng sóng p gk j p , , (.) có dạng:
, , , , , , , , , 1 ( ) L ( ) k j p k j p k m k j p g t h s t (1.23)
Theo mô hình trên, tín hiệu nhận được tại một anten thu ptừ một anten phát jứng với một người sử dụng cụ thể là sự chồng chập của bản sao đã được khuếch đại k L và trễ của tín hiệu (·) truyền từ s anten đó.
Cấu trúc bộ thu MIMO đa người dùng có thể được phân chia thành hai thành phần: phần Front-end (đầu cuối hay phần cứng) và phần thuật toán quyết định (hay phần mềm) -
như mô tả trên hình 1.10. Trên thực tế, những phần này có thể không hoàn toàn khác biệt vì với sự tiến bộ của công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR), phần đầu cuối-
có thể thực hiện bằng phần mềm trên các bộ DSP.
Hình 1.10.
Giả thiết nhiễu trắng Gauss, biến đổi logarithm của (1.20) theo công thức Cameron-
Martin [82] như sau:
' ' ' ' 1 1 ' ' ' ' , , , , 1 1 0 , 1 , 1 , 0 1 ( , , ; , , ) 2 T T N N K B K B k j k j k j k j k j i k k j j i i b i z i b i b i C k j i k j i (1.24) Trong đó, k 1,..., ; K j 1,...,N iT ; 0,..., B 1 , , , , , , , , 1 1 ( ) ( ) L P k j k j p p k j k j p s p z i h r t s t iT dt (1.25) Với k k, ' 1,..., ; , ' ,..., K j j N i iT , , ' 0,..., B 1 , , , ', ', ', , , , , ', ' ', ', ', ' 1 , ' 1 , , ; ', ', ' P L k j p k j p ' k j ( k j p s) k j ( k j p ' )s p C k j i k j i h h s t iT s t i T dt (1.26) , k j z i ở (1.25) bao gồm ba phép toán: - Tích phân xk m p l , , , [ ]i r t s p( ) k j, (t k j p, , , iT dts) - Tương quan: , , , , , , , , 1 [ ] P k m l k j p k m p l p y i h x i - Tổng: , , , 1 [ ] L k j k m l z i y i
Phép toán đầu tiên là lọc phối hợp, tín hiệu đầu ra của anten thu được lọc với một bộ lọc phù hợp (matched filter) với tín hiệu nhận được trên mỗi đường từ mỗi anten phát trong một chu kỳ ký hiệu tương ứng với mỗi người dùng.
Phép toán thứ hai, các tín hiệu ở đầu ra của bộ lọc phối hợp được tương quan trên
mảng anten thu với tập các hệ số khuếch đại anten/kênh hk j p , , , . Đâyđược xem làđịnh hướng búp sóng khai thác sự phân tập không gian.
Phép toán thứ ba, các đầu ra của bộ tạo búp sóng được lấy tổng (bộ kết hợp đa
đường) để kết hợp tất cả các đường trong kênh đa đường. Bộ kết hợp đa đường thông thường được thực hiện bằng bộ tương quan với các hệ số kênh đa đường. Phép toán thứ hai
và thứ ba có thể kết hợp với nhau để tạo thành bộ định hướng búp sóng hoàn chỉnh. Ba
phép toán này tạo thành phần đầu cuối (phần cứng) của bộ thu đa người dùng tiêu chuẩn- ,
còn được gọi là bộ lọc phù hợp không gian – thời gian.
1.4.3.3 Tách
Tách đa người dùng với khả năng xử lý tín hiệu tiên tiến thường ải thiện hiệu năng c
hệ thống tuy nhiên có độ phức tạp tính toán cao. Chính vì thế, các bộ tách đa người dùng tuyến tính và phi tuyến được đề xuất nhằm giảm độ phức tạp tính toán trong khi phải đảm bảo được hiệu năng theo yêu cầu [96]. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp hệ thống có kích thước lớn việc thực hiện trực tiếp các kỹ thuật tối ưu này vẫn rất phức tạp. ác kỹ thuật , C tách đa người dùng trên cơ sở phương pháp đệ quy không đạt được hiệu quả về mặt thời gian (tức là hội tụ kém) trong các hệ thống MIMO [37, 44]. Các phương pháp đệ quy là
một trong những kỹ thuật thiết thực nhất để thực hiện việc tách đa người dùng [9]. Tách đa người dùng dựa trên đệ quy tuyến tính không gian thời gian- . Tách đa người dùng dựa trên đệ quy phi tuyến không gian thời gian- . Táchđa người dùng dựa trên đệ quy không gian-thời gian.
Việc sử dụng nhiều anten ở phía phát và thu làm tăng đáng kể công suất phát. Tuy nhiên, việc công suất tăng này dựa trên một giả thiết quan trọng: có thể xác định chính ta xác tất cả các hệ số đặc tính kênh giữacác anten phát và các anten thu. Trong thực tế, đặc tính kênh vô tuyến biến thiên phức tạp và cần quy trình ước lượng kênh vô tuyến để đánh giá các đặc trưng của kênh Tổng quát, kênh chọn lọc tần số và thời gian. Khi sử dụng .
nhiều anten thì chọn lọc không gian đóng vai trò quan trọng trong kênh. Một số mô hình
vật lý như mô hình kênh Jakes thường đơn giản hóa mô hình đa đường. Trong đó mỗi ,
đường được thừasố hóa bởi một giá trị góc tới tại mảng anten thu hoặc một giá trị góc tới tại mảng anten phát có bổ sung trễ truyền dẫn và giá trị biên độ phức. Các mô hình này
hình kênh, người ta cố gắng sử dụng một mô hình chung cho phép mô tả mộ lớp lớn các t
kênh quan sát được:
Các phương pháp huấn luyện cơ bản truyền thống. Các phương pháp huấn luyện cơ bản tăng cường. Ước lượng kênh với các chuỗi huấn luyện tối ưu.
Ước lượng kênh tại các sóng mang con hoa tiêu: LS, MMSE.
Ước lượng kênh dựa trên DFT.
1.4.4 Giải pháp dùng mã hóa không gian thời gian-
Mã không gian-thời gian STC (Space-Time Code) mang lại hiệu quả truyền tin trong môi trường pha đinh sử dụng nhiều anten. Trước đó, vấn đề pha đinh đa đường- - trong
các hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều anten chủ yếu tập trung vào các kỹ thuật như phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập anten thu. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ phân tập anten thu ở máy đầu cuối tỏ ra không hiệu quả do yêu cầu về sự đơn giản, nhỏ gọn và giá rẻ của thiết bị đầu cuối. Vì những lý do thương mại nên việc áp dụng nhiều anten chỉ được đề xuất áp dụng tại trạm gốc [19, 34].
Phương pháp mã hóa không gian thời gian về bản chất là sự kết hợp giữa mã hóa, -
điều chế, phát và thu phân tập và được xem như là trường hợp tổng quát của phân tập phát.
Trong các hệ thống MIMO sử dụng hệ thống mã hóa không gian thời gian STC, -
các anten được thiết kế với khoảng cách đủ lớn để các tín hiệu tại các anten không ảnh hưởng tới nhau. Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và có tán xạ mạnh khiến các tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn độc lập. Thay vì tìm cách chống lại hiện tượng pha-đinh đa đường, mã hóa không gian thời gian lợi dụng tính chất
này để nâng cao dung lượng kênh truyền. Với một chuỗi ký hiệu vào, bộ mã hóa không
gian - thời gian sẽ chọn các điểm tương ứng trên giản đồ chòm sao để truyền đồng thời tại tất cả các anten qua đó tăng độ khuếch đại, ghép kênh và độ khuếch đại phân tập.
Có 3 loại mã không gian thời gian, bao gồm:-
Mã khối không gian thời gian STBC (Space –- Time Block Code)
Mã khối không gian thời gian thực hiện trên một khối các ký hiệu đầu vào và tạo -
ra một ma trận đầu ra mà các cột biểu diễn thời gian và các hàng biểu diễn số anten. Các loại mã không gian thời gian nói chung không có độ khuếch đại mã hóa trừ khi ta kết hợp với bộ mã ngoài. Đặc tính cơ bản của loại mã này là phân tập đầy đủ và giải mã đơn giản.
Mã lưới không gian thời - gian STTC ( Space - Time Trellis Code )
Mã lưới không gian thời gian thực hiện xử lý một ký hiệu đầu vào ở một thời -
điểm, tạo ra một chuỗi các ký hiệu vectơ mà chiều dài của chuỗi thể hiện số lượng các anten. Nhược điểm của phương pháp này là khó thiết kế và việc mã hóa, giải mã phức tạp.
Mã lớp không gian thời gian BLAST ( Bell – Laboratories Layered Space Time) Hình 1.11 mô tả sơ đồ khối mã không gian thời gian- .
Hình 1.11. không gian-k
Xét một hệ thống thông tin MIMO, ở ph trạm gốc sử dụng ía NT anten và phía thu sử dụng NR anten. Tại mỗi khe thời gian, ta phát i
j
C ,I = 1,…,NT đồng thời từ NT anten phát.
Giả sử kênh pha đinh là phẳng và độ khuếch đại kênh từ bộ phát đến bộ thu biểu - j
diễn bởi ℎi,j. Độ khuếch đại của kênh truyền được mô hình hóa bằng một số các mẫu của các biến ngẫu nhiên Gauss phức độc lập có phương sai bằng 0.5 trên mọi chiều. Giả sử các
tín hiệu nhận được ở các anten khác nhau là độc lập về pha đinh. Tại thời điểm - t, tín hiệu nhận được ở anten xác định bằngj : , NT i i j t i j t t r h c n (1.27) Với i t
n là các thành ph n nhi u Gauss ph c có tr trung bình bầ ễ ứ ị ằng 0 và phương sai
( = 1/(2Es/N0) = 1/(2SNR)) trên m chiỗi ều. Năng ợlư ng trung bình c a các kí t phát ra ủ ự
t mừ ỗi anten được chu n hoá b ng mẩ ằ ột đơn vị.
Giả ử ộ s b thu biết trước được thông tin tr ng thái kênh (CSI) và vi c tính ma trạ ệ ận quyết định được th c hi n ự ệ như sau:
2 , 1 1 1 R T i i j t i j t t j i N N r h c (1.28)
Trên toàn b các t mã ộ ừ c c c c c c c1 11 2 ...1 2 n 1... 2 1 n 1...1n và ta ph i ch n các t ả ọ ừmã h p lý sao ợ
cho t ng này có giá tr nh nh ổ ị ỏ ất.
Hình 1.12.
1.4.5 Những vấn đề còn tồn tại
Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ đáp ứng sự tăng trưởng lưu lượng trong bối ,
cảnh khan hiếm phổ tần, hệ thống thông tin di động sẽ phải sử dụng công nghệ MIMO quy mô lớn với số lượng lớn các phần tử anten. Mặc dù đã có rất nhiều giải pháp được đề xuất