CDMA
Nhiễu đa truy nhập MAI có tác động rất lớn tới các hệ thống MIMO-MC-CDMA,
giới hạn năng lực và tăng tỉ lệ lỗi bit BER, dẫn đến hiệu năng của hệ thống bị giảm. Do đó, việc nghiên cứu về MAI rở thành một yếu tố rất quan trọng trong việc phân tích hiệu năng t
của các hệ thống MIMO-MC-CDMA.
Trong các hệ thống MC-CDMA, mỗi người dùng được gán một mã trải phổ duy
nhất trong miền thời gian. Do tính trực giao của các mã trải phổ hạn chế được nhiễu đa truy nhập. Tuy nhiên, trên thực tế, sự trực giao giữa các mã trải phổ rất khó bảo toàn do sự không đồng bộ và độ trễ kênh truyền ở phía thu. Nhược điểm này gây ra nhiễu đa truy nhập làm suy giảm hiệu năng hệ thống.
Hầu hết các công trình nghiên cứu đều được thực hiện trên đặc tính của các hệ
xỉ Gauss tiêu chuẩn (SGA) [ ], xấp xỉ Gaus được cải tiến (IGA) [66 87] và đơn giản hóa
IGA (SIGA) [53]. Những xấp xỉ này được sử dụng rộng rãi vì tính dễ sử dụng của chúng nhưng có thể tồn tại những nhược điểm lớn. Ví dụ, SGA đánh giá quá cao hiệu năng của hệ thống, do đó việc sử dụng các phép xấp xỉ gặp vấn đề khi số lượng người dùng nhỏ [87].
Một cách tiếp cận khác được chấp nhận để xác định BER của các hệ thống MC- CDMA là loại trừMAI hoàn toàn. Hầu hết các kỹ thuật này về cơ bản là mở rộng của các kỹ thuậ khử nhiễu liên ký hiệu (ISI) đã được nghiên cứu trước đó. Một nghiên cứu về tỷ số tín t
hiệu trên tạp âm (SNR) của các kênh pha-đinh Rician tại đầu ra của bộ thutương ứng được thực hiện bởi [ ]. Hiệu suất BER của hệ thống DS21 -CDMA trong các kênh pha-đinh không
Rayleigh không chọn lọc tần số cho các chuỗi xác định sử dụng phương pháp SGA được đánh giá trong [ ]. Kỹ thuật đặc trưng (CF) được sử dụng để đánh giá hiệu suất của phương 17 pháp đa truy nhập phân chia theo mã (SSMA) trong môi trường AWGN trong [ ]. Phương 28
pháp CF được sử dụng để đánh giá hiệu suất của DS-SSMA trong các kênh pha-đinhnhiều kênh với sự giao thoa giữa các đường chéo được áp dụng trong [ ] mà không tính đến hiệu 27
ứng MAI. Một kỹ thuật số Fourier xấp xỉ được sử dụng trong [72 73, ] để đánh giá hiệu suất BER trong môi trường pha-đinh Rayleigh chọn lọc và không chọn lọc.
1.4 Các giải pháp đã đƣợc đề xuất
1.4.1 Giải pháp tiền mã hóa
Trong hệ thống MIMO đa người dùng, một bộ phát đa anten có khả năng trao đổi
thông tin đồng thời với nhiều bộ thu (mỗi bộ thu có một hoặc nhiều anten). Kỹ thuật này được gọi là đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA). Từ quan điểm thực hiện, thuật toán tiền mã hóa cho các hệ thống SDMA có thể được chia thành các loại tiền mã hóa tuyến tính và phi tuyến. Các phương pháp tiền mã hóa tuyến tính thường đạt được hiệu quả hợp lý với độ phức tạp thấp hơn nhiều [38]. Các phương pháp tiền mã hóa yến tính bao tu
gồm truyền đạt tỷ lệ cực đại (MRT), tiền mã hóa cưỡng bức không (ZF) và tiền mã hóa
Wiener [69]. Ngoài ra còn có các giải pháp tiền mã hóa được thiết kế để phản hồi tốc độ thấp về thông tin trạng thái kênh, định hướng búp sóng ngẫu nhiên [71]. Tiền mã hóa phi
tuyến được thiết kế dựa trên khái niệm mã hoá DPC (Dirty Paper Code), cho thấy rằng bất
kỳ nhiễu nào được phát hiện ở bộ phát có thể được triệt tiêu đi mà không vi phạm tài
nguyên vô tuyến nếu có thể áp dụng sơ đồ tiền mã hóa tối ưu trên tín hiệu truyền [38].
Hệ thống MIMO điểm điểm có thể đạt được hiệu năng tối đa nhưng hệ thống - MIMO đa người dùng không thể đồng thời tối đa hóa hiệu năng cho tất cả người dùng. Đây được xem như một bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu rong đó mỗi mục tiêu tương ứng . T ,
với tối đa hóa hiệu năng của một trong những người sử dụng [29]. Cách thông thường để đơn giản hóa vấn đề này là chọn một chức năng thuộc tiện ích hệ thống Ví dụ, tổng . công
của hệ thống. Hơn nữa, có thể có nhiều người dùng luồng dữ liệu hơn, yêu cầu một thuật toán lập lịch để quyết định người dùng để phục vụ tại một thời điểm nhất định.
Kỹ thuật tiền mã hóa quan trọng trong các hệ thống MIMO theo hai lý do chính sau. Lý do thứ nhất nếu các kỹ thuật tiền mã hóa được áp dụng ở các tín hiệu nguồn trước ,
khi truyền thì có thể ngăn chặn được sự suy giảm hiệu suất gây ra bởi can nhiễu và méo
dạng kênh. Do đó, hiệu năng của hệ thống MIMO sẽ được cải thiện Thứ hai. , các BS có
năng lực tính toán tốt hơn và vấn đề cung cấp năng lượng thường không đặt thành vấn đề ở
phía phát. Do đó, cấu trúc bộ thu của người dùng sẽ được đơn giản hóa và có thể tiết kiệm một cách đáng kể về công suất, điều này rất quan trọng trong việc khảo sát tính di động của người dùng.
Các kỹ thuật tiền mã hóa quan trọng thường được sử dụng trong các hệ thống
MIMO bao gồm [61]:
Tiền mã hóa tuyến tính: ZF, MMSE.
Tiền mã hóa Tomlinson-Harashima.
Tiền mã hóa phi tuyến: Vector ngẫu nhiên…
1.4.2 Giải pháp dùng mã CI
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