CHƯƠNG 2 TIỀN MÃ HĨA CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM
4.2 Trường hợp mạng nhiề uơ
4.2.2 Thuật tốn cấp phát kênh và tiền mã hĩa cho hệ thống MIMO-OFDMA
Ý tưởng của thuật tốn xuất phát từ việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh đến hiệu quả của kỹ thuật tiền mã hĩa. Để thực hiện ý tưởng này, kỹ thuật cấp phát kênh theo vị trí như đã mơ tả ở Chương 3 sẽ được áp dụng cho trường hợp hệ thống MIMO. Thêm vào đĩ, việc áp dụng phương pháp lựa chọn sĩng mang cho hệ thống nhiều thuê bao MIMO-OFDMA như mơ tả trong [46] cũng được sử dụng.
Điểm khác biệt trong trường hợp cấp phát kênh cho hệ thống MIMO so với hệ
thống SISO được xét đến trong thuật tốn là tính tốn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR). Khác với hệ thống SISO, hệ thống MIMO được phân tích thành MS dịng dữ liệu. Việc áp dụng kỹ thuật tiền mã hĩa sẽ ảnh hưởng đến mức độ tập trung cơng suất trên mỗi dịng dữ liệu. Do vậy việc tính tốn tỷ số tín hiệu trên nhiễu cĩ thể được áp dụng trên từng dịng dữ liệu. Trong trường hợp khơng áp dụng tiền mã hĩa, do tính chất ngẫu nhiên phân bố của kênh truyền là đồng nhất nên thì tỷ số tín hiệu
trên nhiễu của các dịng dữ liệu là như nhau. Trong trường hợp cĩ tiền mã hĩa. Kênh MIMO được phân chia thành MS dịng dữ liệu với mức cơng suất được điều chỉnh là khác nhau. Khi đĩ tỷ số tín hiệu trên nhiễu trên mỗi dịng dữ liệu được tính theo cơng thức (4-20). Tuy nhiên để đảm bảo chất lượng thơng tin nhận được thì tỷ
số tín hiệu trên nhiễu đồng kênh cộng tạp âm tối thiểu SINRmin của kênh MIMO trong cơng thức (4-21) phải lớn hơn mức ngưỡng cho trước.
Thuật tốn thực hiện như sau:
- Đầu tiên kênh truyền được cấp phát cho các thuê bao dựa trên tỷ số SINRmin
của kênh MIMO và phải đảm bảo điều kiện sĩng mang truyền cấp phát cho thuê bao mới khơng ảnh hưởng đến các thuê bao đang hoạt động.
- Tiếp theo đĩ kỹ thuật tiền mã hĩa được áp dụng khi thực hiện việc truyền thơng tin dữ liệu trên các sĩng mang con mà thuê bao được cấp phát.
Các bước thực hiện thuật tốn như sau
Bước 1: Lựa chọn MS cĩ nhu cầu trao đổi thơng tin
Bước 2: Tìm kiếm tất cả các sĩng mang con cịn rỗi của BSj. Đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu trên các sĩng mang con này theo cơng thức ZF hoặc MMSE. Nếu thỏa mãn điều kiện lớn hơn mức ngưỡng (SINRmin) thì tạm thời cấp phát cho MSi
Bước 3: Tính nhiễu đồng kênh sẽ tác động lên các MS khác đang hoạt động khi MSi
đi vào hoạt động. Nhiễu đồng kênh này được dự đốn thơng qua vị trí của các MS trong hệ thống. theo cơng thức (3-50). Nếu nhiễu đồng kênh dự đốn cộng nhiễu cĩ sẵn lớn hơn mức ngưỡng thì khơng tiếp tục cấp phát sĩng mang con cho k MSi nữa. Cịn khơng sẽ cấp phát thật sự sĩng mang con cho k MSi.
Bước 4: Tính tổng số sĩng mang con đã cấp phát cho MSi. Nếu nhỏ hơn Nmaxthì tiếp tục lặp lại với các sĩng mang con cịn rỗi tiếp theo. Cịn khơng sẽ dừng lại việc cấp phát thêm sĩng mang con cho MSi và tiếp tục thực hiện cấp phát cho MS tiếp theo.
Bước 5: Sau khi MSi được cấp phát sĩng mang con , hệ thống thực hiện tính tốn k
ma trận tiền mã hĩa F trên sĩng mang con cho thuê bao k MSi. MSi sẽ sử dụng ma trận tiền mã hĩa này để thực hiện việc mã hĩa và giải mã tín hiệu cĩ áp dụng tiền mã hĩa.
4.2.3 Kết quả mơ phỏn
Hệ thống mạng nhiều ơ trường hợp MT= M2, R=2 gồm bẩy ơ như Hình 3- MIMO trong trường hợp phỏng Monte Carlo thì sử
Hình 4-9: K
Hình 4-10: Ảnh hưởng của
ng
sử dụng cơng nghệ MIMO-OFDMA được m 2, MS=1. Với mơ hình mạng tương tự như
17. Các tham số hệ thống MIMO tương tự p một ơ mục 4.1.3.2. Tuy nhiên kênh truyề ử dụng kênh trong nhà ngồi trời (Indoor-Ou
Kết quả cấp phát kênh cho hệ thống MIMO 2×2
a nhiễu đồng kênh đến chất lượng tiền mã hĩa v hĩa mơ phỏng trong mơ hình mạng ự như hệ thống ề n dùng để mơ utdoor) [110]. 2 à khơng tiền mã
Hình 4-11: Trường hợp kê trường hợp cĩ tiền m ã
Kết quả trên Hình 4-9 c thống tăng khi giảm mức thì phương pháp cấp ph sĩng mang con hơn ph
SINRmin nhỏ và số lượng thấy rằng khi tăng số lượ pháp cĩ điều khiển cơng suất. Điều này cĩ thể giả cĩ thể đáp ứng được các Từ kết quả trên Hình 4-1 chất lượng tín hiệu trong kỹ thuật tiền mã hĩa. Tu ngưỡng nhiễu đồng kênh hệ thống. Khi đĩ việc tăn của hệ thống cũng khơng
ênh khơi phục hồn hảo-So sánh chất lượng hệ t ã hĩa và khơng tiên mã hĩa. Với trung bình 6 thu
cho thấy số lượng sĩng mang con cấp phát c SINRmin. Cĩ thể thấy rằng trong trường h hát kênh khơng điều khiển cơng suất cấp p hương pháp cĩ đều khiển cơng suất. Tuy MS tăng lên thì ta cĩ kết quả ngược lại. Mặ ợ ng MS thì xu hướng của đường cấp phát kê g suất tăng nhanh hơn so với đường khơng đ ải thích rằng khi tăng số lượng MS thì sẽ cĩ
yêu cầu cấp phát do đĩ làm tăng số lượng kê 0, nhận xét rằng khi cĩ ảnh hưởng của nhiễu g trường hợp cĩ tiền mã hĩa vẫn tốt hơn khi
uy nhiên trong cả hai trường hợp, việc thiế h sẽ là một tham số để giới hạn mức chất lượ ng tỷ số SNR đến một mức nào đĩ thì chất lư g tăng nhiều như sự tăng của SNR nữa.
thống trong các uê bao / 1 ơ
t được trong hệ hợp SINRmin cao hát được nhiều y nhiên khi với ặt khác ta cĩ thể nh theo phương điều khiển cơng thêm nhiều MS ênh cấp phát. u đồng kênh thì khơng áp dụng ết lập một mức ợng dịch vụ của ượng truyền dẫn
Từ Hình 4-11 ta thấy việc áp dụng tiền mã hĩa làm nâng cao dung lượng hệ thống trong trường hợp cĩ nhiễu đồng kênh. Hiệu quả của tiền mã hĩa tăng lên khi tăng số bít sử dụng để truyền các thơng tin đặc tính của kênh truyền.
4.3 Kết luận
Trong chương này ta thấy rằng dung lượng của hệ thống MIMO-OFDMA tăng lên khi tăng số lượng thuê bao trong tất cả các trường hợp từ một ơ đến nhiều ơ. Trong trường hợp riêng với từng thuê bao, tỷ số tín hiệu trên nhiễu của sĩng mang phụ thuộc vào giá trị kỳ dị của kênh dù sử dụng phương pháp ZF hay MMSE. Tuy nhiên sự khác biệt giữa hai phương pháp này khơng lớn. Đối với hệ thống nhiều ơ, dung lượng và số lượng sĩng mang con cấp phát được tùy thuộc vào phương pháp cấp phát và chế độ điều khiển cơng suất. Điều khiển cơng suất cho phép cấp phát sĩng mang một cách mềm dẻo và linh động hơn trường hợp khơng điều khiển cơng suất nhất là trong trường hợp SINRmin nhỏ với số lượng thuê bao lớn.
Việc áp dụng kỹ thuật tiền mã hĩa sẽ làm tăng dung lượng hệ thống cho dù cĩ ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và nhiễu trắng. Việc thiết lập một mức ngưỡng nhiễu cho trước sẽ đảm bảo được chất lượng dịch vụ của hệ thống được ổn định trong cả hai trường hợp cĩ và khơng tiền mã hĩa.
KẾT LUẬN
Luận án đã nghiên cứu về kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng thơng tin di động sử dụng cơng nghệ MIMO-OFDMA. Qua luận án, tác giả đã xây dựng một cách cĩ hệ thống về đặc điểm dung lượng và các kỹ thuật cấp phát kênh cho các hệ thống vơ tuyến sử dụng cơng nghệ OFDMA và MIMO-OFDMA cĩ đặc điểm được xem xét lần lượt như sau
- Các hệ thống cĩ từ một đến nhiều anten thu phát - Cĩ từ một đến nhiều thuê bao
- Cĩ từ một ơ đến nhiều ơ tái sử dụng 100% hay một phần tần số
Các kết quả đạt được trong luận án là các kết quả mang tính lý thuyết. Đây là các đĩng gĩp mới của luận án vào lý thuyết các hệ thống thơng tin vơ tuyến ở trong nước cũng như trên thế giới và cĩ thể chia thành 3 nhĩm chính với nội dung như sau:
1. Kết quả về nghiên cứu áp dụng kỹ thuật tiền mã hĩa nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của mạng thơng tin di động sử dụng cơng nghệ MIMO-OFDMA: Kết quả này cĩ thể chia thành hai kết quả nhỏ áp dụng cho trường hợp hệ thống một ơ và nhiều ơ
a. Nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần hệ thống MIMO-OFDM bằng kỹ thuật
tiền mã hĩa. Ở mục tiêu này, tác giả nghiên cứu và áp dụng một phương pháp so sánh ma trận để tìm ra ma trận tiền mã hĩa tối ưu để mã hĩa dữ liệu trước khi truyền. Kết quả cho thấy hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống tăng lên khi áp dụng tiền mã hĩa cho cả hai trường hợp kênh khơi phục hồn hảo và khơng hồn hảo [46].
b. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh đến hiệu quả của việc tiền mã hĩa trong mạng di động nhiều ơ sử dụng cơng nghệ MIMO-OFDMA. Trong phần này tác giả áp dụng kỹ thuật cấp phát kênh theo vị trí cho trường hợp
kênh truyền giữa các BS và MS là kênh MIMO và sử dụng kỹ thuật tiền mã hĩa để nâng cao thơng lượng của hệ thống. Để thực hiện việc cấp phát kênh
cho các thuê bao, tỷ số tín hiệu trên nhiễu đồng kênh và nhiễu trắng cho trường hợp kênh MIMO đã được tính tốn dựa trên giá trị kỳ dị nhỏ nhất của kênh. Sau khi kênh được cấp phát, tín hiệu dữ liệu trước khi truyền đi sẽ được tiền mã hĩa bằng một ma trận tiền mã hĩa tối ưu được nhận biết trước bởi cả bên phát và thu. Kết quả cho thấy trong trường hợp cấp phát kênh MIMO thì việc áp dụng phương pháp cấp phát kênh theo vị trí cũng nâng cao được dung lượng và đảm bảo chất lượng dịch vụ của hệ thống. Việc áp dụng kỹ thuật tiền mã hĩa trong trường hợp cĩ ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh giúp nâng cao thơng lượng hệ thống hơn so với trường hợp khơng áp dụng tiền mã hĩa ngay trong cả cĩ điều kiện hạn chế dung lượng của kênh hồi tiếp.
2. Đề xuất phương pháp cấp phát kênh động cho mạng di động sử dụng cơng nghệ OFDMA dựa trên thơng tin vị trí của thuê bao: Tác giả cĩ sáng tạo khi áp dụng phương pháp cấp phát kênh theo vị trí cho các thuê bao trong mạng di động sử dụng cùng tần số hay một phần tần số. Các kết quả nghiên cứu áp dụng cho hệ thống nhiều ơ cĩ thể chia thành hai trường hợp cĩ nhận biết và khơng nhận biết vị trí thuê bao.
a. Trường hợp cĩ nhận biết vị trí thuê bao [5], thơng qua sự nhận biết vị trí của các thuê bao, việc cấp phát kênh cho các thuê bao do BS thực hiện dựa trên việc xác định một mức ngưỡng nhiễu đồng kênh cho trước nhưng phải đảm bảo là sĩng mang con cấp phát cho thuê bao mới khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu của các thuê bao cũ đang hoạt động. Việc mơ phỏng được thực hiện trong các trường hợp cấp phát kênh ngẫu nhiên và cấp phát kênh cĩ lựa chọn MS tối ưu. Trong mỗi trường hợp kỹ thuật điều khiển cơng suất và khơng điều khiển cơng suất cũng được nghiên cứu phân tích. Kết quả cho thấy hiệu quả sử dụng phổ tần cũng như số lượng sĩng mang con cấp phát
cho hệ thống được cải thiện và chất lượng hoạt động của các thuê bao trong hệ thống được đảm bảo.
b. Trường hợp khơng nhận biết vị trí thuê bao [45]: Khơng giống như trong
trường hợp cấp phát kênh nhận biết theo vị trí của các thuê bao, trong trường hợp này tác giả thực hiện việc cấp phát kênh cho hệ thống mạng nhiều ơ tái sử dụng 100% tần số nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thuê bao trong hệ thống thơng qua kỹ thuật dự đốn nhiễu đồng kênh. Việc dự đốn được ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh đến các thuê bao đang hoạt động khi cấp phát sĩng mang con mới cho các thuê bao mới sẽ đảm bảo được chất lượng dịch vụ của hệ thống. Kết quả mơ phỏng cho thấy chất lượng của hệ thống được đảm bảo và cải thiện tốt hơn so với các hệ thống khác [45].
3. Đề xuất được phương pháp cấp phát kênh động cho mạng di động sử dụng cơng nghệ MIMO-OFDMA khi biết trạng thái kênh truyền.
Trong trường hợp hệ thống MIMO-OFDMA tác giả đã áp dụng phương pháp cấp phát kênh dựa trên việc tính tốn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của kênh MIMO theo phương pháp ZF hoặc MMSE. Thêm vào đĩ, tác giả cũng nghiên cứu ảnh hưởng của độ dài khung truyền dẫn và ảnh hưởng của tần số Doppler đến hiệu quả việc cấp phát. Kết quả cho thấy dung lượng của hệ thống tăng lên khi tăng số lượng thuê bao và hồn tồn bị ảnh hưởng bởi độ dài khung truyền cũng như tần số Doppler [44].
Từ các kết quả đạt được của luận án cĩ thể nhận xét rằng: Cĩ một đặc điểm chung là trong trường hợp đối với kênh (Rayleigh) pha-dinh biến thiên theo thời gian và tần số thì dung lượng của các hệ thống đều phụ thuộc và tăng lên khi số lượng MS tăng. Do vậy tận dụng các đặc điểm của kênh vơ tuyến nhiều người dùng sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần của mạng.
Đối với các mạng nhiều ơ, dung lượng tối đa của hệ thống tăng khi tăng số lượng thuê bao. Dung lượng thực sự của hệ thống hồn tồn phụ thuộc vào kỹ thuật cấp phát. Do vậy các thuật tốn cấp phát kênh phải đảm bảo sao cho nhiễu đồng kênh
trong hệ thống là tối thiểu trong khi dung lượng và hiệu quả cấp phát là lớn nhất. Các phương pháp cấp phát kênh theo vị trí hay theo chất lượng dịch vụ của hệ thống cĩ thể đảm bảo được điều này. Tuy nhiên cũng cĩ thể thấy rằng việc cấp phát kênh ưu tiên bao giờ cũng cho dung lượng là tối ưu so với phương pháp cấp phát kênh đảm bảo quyền bình đẳng giữa các thuê bao.
Ngồi việc áp dụng các kỹ thuật cấp phát kênh tốt thì hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống vẫn cĩ thể được cải thiện thêm nữa nhờ vào các kỹ thuật mã hĩa và tiền mã hĩa. Trong luận án này đã trình bày về việc áp dụng kỹ thuật tiền mà hĩa cho các hệ
thống mạng di động. Nhược điểm của việc áp dụng tiền mã hĩa là yêu cầu các thơng tin đặc tính kênh truyền phải được nhận biết tại bên phát. Tuy nhiên ưu điểm của tiền mã hĩa là nâng cao hiệu quả sử dụng băng thơng của hệ thống trong khi đảm bảo cơng suất phát của các thuê bao là khơng thay đổi.
Phương hướng phát triển của đề tài: Các nghiên cứu thực hiện trong luận án nhằm phục vụ cho hướng phát triển trong tương lai của các hệ thống di động 3G,4G với nhiều người sử dụng. Các hướng nghiên cứu cĩ thể phát triển dựa trên đề tài là
- Mở rộng nghiên cứu kỹ thuật và hiệu quả cấp phát kênh cho các hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD và các mạng Adhoc.
- Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng phổ bằng kỹ thuật tiền mã hĩa đối với các hệ thống nhiều ơ với nhiều anten thu phát hoạt động cĩ sự kết hợp giữa các BS.
DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
[1]. Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Quốc Trung, “Phương pháp cấp phát kênh động cho mạng thơng tin di động sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật và cơng nghệ các Trường đại học kỹ thuật, Số 76- năm 2010, trang 1-6.
[2]. Quoc Khuong Nguyen, Van Duc Nguyen, Quoc Trung Nguyen, Thị Minh Tu Nguyen, “A Precoding method for closed-loop MIMO-OFDM systems",
International Conference on Advanced Technologies for Communication-ATC-10-