Như đã được giới thiệu, để đạt được một sự tăng tuyến tính của dung năng hệ thống MU-MIMO với số lượng anten chúng ta cần hợp kênh không gian người dùng và đa luồng dữ liệu cho mỗi người dùng. Một lưu lượng cao trên đường lên đa người dùng có thể đạt được thông qua một máy thu MMSE với khử nhiễu nối tiếp (SIC). Tuy nhiên, như trước, giới thiệu một mất mát nếu chúng ta cố gắng giảm thiểu sự nhiễu giữa các dòng dữ liệu truyền từ hai anten gần nhau nằm ở thiết bị đầu cuối người dùng.
Page 52 Các kỹ thuật, như V-BLAST là truyền luồng dữ liệu độc lập với tất cả hay chỉ một nhóm các anten, là kém tối ưu vì nó không cho phép sự phối hợp xử lý đầy đủ tại các anten trên thiết bị đầu cuối người dùng. Để cải thiện hiệu suất hệ thống, chúng ta có thể sử dụng phương pháp tương tự như trong SMMSE. Ở đây, một thuật toán mới được giới thiệu đề cập với vấn đề này tương tự như SMMSE bởi việc liên tục tính toán các hàng của ma trận nhận được cho mỗi anten truyền riêng. Bằng cách áp dụng SIC đã cải thiện thêm tính phân tập, tương tự như SMMSE-THP, nhưng với một sự khác biệt. Trên đường lên chúng ta không cần phải sử dụng một modun điều khiển nào, đây một lợi thế nhỏ của SIC đối với THP.
Các bộ lọc giải mã SMMSE-SIC có nguồn gốc từ bộ lọc tối ưu thu tuyến tính MMSE bởi bỏ qua sự góp phần của sự nhiễu giữa các tín hiệu từ một mạng anten người sử dụng tới MSE của người dùng này và ảnh hưởng của các người dùng được giải mã trước đó. Bây giờ chúng tôi giả định rằng người dùng được sắp xếp theo một cách mà người dùng đầu tiên được giải mã đầu tiên, sau đó là người dùng thứ hai, thứ ba, v…v. Khi ma trận mã trước của người dùng trên các đường lên 𝑄𝑖, 𝑖 = 1, . . . , 𝐾
được xác định, bộ lọc thu MMSE 𝐷𝑖 thu được bằng cách sử dụng tối ưu hóa sau đây:
𝐷𝑖 =argmin
𝐷𝑖 𝐸 𝐷𝑖 𝐻𝑖𝑇𝑄 𝑖𝑥 𝑖 + 𝑛 − 𝑥𝑖 ℱ2 (3,10)
Các ma trận 𝐻𝑖, 𝑄 𝑖 và vecto 𝑥 𝑖 được xác định trong trường hợp này là:
𝐻𝑖 = 𝐻𝑖 𝐻𝑖+1 ⋮ 𝐻𝐾 ; 𝑄 𝑖 = 𝑄𝑖 0 ⋯ 0 0 𝑄𝑖+1 ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 ⋯ 𝑄𝐾 ; 𝑥 𝑖 = 𝑥𝑖 𝑥𝑖+1 ⋮ 𝑥𝐾 (3.11)
Trong đó 𝐻𝑖, 𝑄𝑖 và 𝑥𝑖 lần lượt là ma trận ma trận kênh, ma trận mã trước đường lên, vector dữ liệu của người dùng thứ 𝑖.
Trong phương trình (3.10), đã bao gồm việc xử lý tại các thiết bị đầu cuối người dùng trong các tiêu chí tối ưu. Tuy nhiên, trong một kịch bản nhiều người dùng, các thiết bị đầu cuối người dùng ước tính kênh hiệu dụng trên đường xuống đó cũng bao gồm việc xử lý và được thực hiện tại các trạm cơ sở. Kể từ khi xử lý tại các trạm cơ sở không nhất thiết phải giống nhau trên đường lên và đường xuống, nó là hợp lý để giả định rằng các thiết bị đầu cuối người dùng không có thông tin chính xác trạng thái kênh. Chúng ta có thể phân biệt hai tình huống. Trong trường hợp đầu tiên người sử dụng truyền sử dụng một trong những kỹ thuật mà không yêu cầu CSI ở máy phát. Trong trường hợp thứ hai trạm gốc tạo ra các ma trận mã trước tối ưu 𝑄𝑖 và sau đó nạp tiếp chúng vào thiết bị đầu cuối người dùng. Hạn chế công suất có thể sử dụng cho các
Page 53 thiết bị đầu cuối người dùng, độ lợi phân tập có nhiều thích hợp hơn so với độ lợi ghép kênh không gian.
Vì vậy, chúng ta cho rằng người dùng truyền dữ liệu hoặc sử dụng STC hoặc sử dụng các vector riêng chủ đạo bên phải của kênh hiệu dụng đường lên của người dùng. Trong cả hai trường hợp ma trận giải mã Da được tạo ra ở trạm cơ sở, giả định rằng
𝑄𝑖 = 𝐼𝑀
𝑅𝑖, ∀𝑖, và những phần sau chúng ta sẽ luôn luôn sử dụng giả định này.
Cũng giống như đối đường xuống, nhiễu từ người sử dụng đồng kênh tới tín hiệu truyền từ anten thứ 𝑗 của người dùng thứ 𝑖 là được khử một cách độc lập từ các anten đã được sắp xếp khác. Vì vậy, hàng thứ 𝑗 của ma trận giải mã 𝐷𝑎𝑖 của người dùng thứ 𝑖, tương ứng với anten truyền thứ 𝑗 của người dùng thứ i bằng với hàng đầu tiên của ma trận 𝐷𝑎𝑖,𝑗, mà được thiết kế như sau:
𝐷𝑎𝑖,𝑗 =argmin 𝐷𝑎 𝑖,𝑗 𝐸 𝐷𝑎𝑖,𝑗 𝐻𝑖 𝑗 𝑇𝑧 𝑖(𝑗 )+ 𝑛 − 𝑧 𝑖(𝑗 ) ℱ 2 , ∀ 𝑖, 𝑗 (3.12)
Ma trận 𝐻𝑖 𝑗 và vector 𝑧 𝑖(𝑗 ) được định nghĩa trong trường hợp này là:
𝐻𝑖(𝑗 ) = ℎ𝑖,𝑗𝑇 𝐻𝑖+1 . . . 𝐻𝐾 ; 𝑧 𝑖(𝑗 ) = 𝑧𝑖,𝑗 𝑧𝑖+1 . . . 𝑧𝐾 (3.13)
ở đây ℎ𝑖,𝑗𝑇 là hàng thứ 𝑗 của ma trận kênh 𝐻𝑖 của người dùng thứ 𝑖, và 𝑧𝑖,𝑗 là phần tử thứ 𝑗 của vector phụ trợ 𝑧𝑖 của người dùng thứ 𝑖, 𝑧𝑖 ∈ ℂ𝑀𝑅𝑖×1, ở đây 𝑧𝑖 = 𝑄𝑖𝑥𝑖, vector 𝑛 ∈ ℂ𝑀𝑇×1 là tạp âm tại đầu vào của mạng anten thu tại trạm cơ sở. Phần tử của vector 𝑧𝑖 được giả định với cùng lý do như trong trường hợp của SMMSE với trung bình 0, đơn vị phương sai là các biên ngẫu nhiên đồng đều phức, phân phối đều và độc lập. Phần tử của vector n là các biến ngẫu nhiên Gauss phức với trung bình 0 và phương sai là 𝜎𝑛2.
Mỗi hàng của ma trận thu 𝐷𝑎𝑖 tương ứng với một anten truyền được tính toán liên tiếp. Hàng thứ 𝑗 của ma trận thu 𝐷𝑎𝑖 bằng hàng thứ nhất của ma trận sau:
𝐷𝑎𝑖,𝑗 = 𝐻𝑖 𝑗 ∗ 𝐻𝑖(𝑗 )𝑇𝐻𝑖 𝑗 ∗+ 𝜎𝑛2𝐼𝑀𝑇 −1 (3.14)
ở đây 𝜎𝑛2 là phương sai của tạp âm Gauss trắng cộng sinh trung bình 0 tại đầu vào của một anten thu.
Page 54 Để định nghĩa hạng của người dùng, chúng ta sẻ sử dụng giống như phương pháp “thử và sai” cho SMMSE THP. Bình phương trung bình đúng (MSE) tương ứng với anten truyền thứ 𝑗 của người dùng thứ 𝑖 bằng:
𝑚𝑠𝑒𝑖,𝑗 = 𝜎𝑛2 𝐻𝑖(𝑗 )𝑇𝐻𝑖 𝑗 ∗+ 𝜎𝑛2𝐼𝑀𝑇 −1 1,1
(3.15)
Chúng ta định nghĩa tổng MSE của người dùng thứ 𝑖 như sau:
𝑚𝑠𝑒𝑖 = 𝑚𝑠𝑒𝑖,𝑗 𝑀𝑅𝑖
𝑗 =1
(3.16)
Chúng ta tìm kiếm người dùng với các msei tối thiểu, giải điều chế dữ liệu của nó và sau đó trừ đi tín hiệu tái tạo từ các tín hiệu nhận được. Sau đó, chúng ta hình thành ma trận kênh kết hợp mới 𝐻𝑖 𝑗 mà không có ma trận kênh của người dùng này và sử dụng nó trong phương trình (3.14). Chúng ta lặp lại các bước cho đến khi ma trận kênh kết hợp 𝐻𝑖 𝑗 rổng. Đó là thuật toán SMMSE-SIC và được viết lại như sau:
Chúng ta sử dụng các ký hiệu sau đây: SMMSED(•) là hàm giải mã SMMSE như đã được mô tả trước đây, 𝑃𝑘 là một ma trận phụ trợ mà để lưu trữ ma trận giải mã được tạo ra bằng cách sử dụng bộ lọc thu SMMSE và S là một tập hợp các chỉ số của người dùng được xử lý. Trong mỗi bước chúng ta tìm thấy những người dùng với tổng số tối thiểu MSE cho mỗi anten và đặt nó như cái đầu tiên. Sau đó, chúng ta hình thành ma trận kênh kết hợp mới 𝐻𝑎𝑢𝑥 mà không có ma trận kênh 𝐻𝑘𝑖 của người dùng này. Chúng ta lặp lại các bước cho đến khi ma trận kênh kết hợp rổng.
3.4. Kết luận chƣơng
Chương này chúng ta đã tìm hiểu được một số kỹ thuật thu/phát trong hệ thống MU-MIMO. Kỹ thuật xữ lý đa truy cập phân chia không gian sử dụng trong hệ thống MIMO để giải quyết vấn phục vụ đồng thời nhiều người dùng. Với đường xuống có nhiều kỹ thuật đã được áp dụng để đạt được dung năng tổng giải pháp với mã trước
Page 55 SMMSE, với một thuật toán mới đã được đề xuất nhằm giải quyết với những nhược điểm của mã trước MMSE bằng cách liên tục tính toán các cột của ma trận mã trước
𝐹𝑎 tương ứng với các anten thu khác nhau. Với đường lên để đạt được dung năng tổng trong hệ thống MU-MIMO, tại bộ thu tại trạm cơ sở chúng ta đưa ra một giải pháp thông qua bộ thu SMMSE với việc sử dụng kết hợp khử nhiễu nối tiếp (SIC). SIC là một kỹ thuật để đạt được một sự tăng tuyến tính của dung năng hệ thống MU-MIMO với số lượng anten chúng ta cần hợp kênh không gian người dùng và đa luồng dữ liệu cho mỗi người dùng. Để chúng ta có cái nhìn rỏ hơn về chất lượng, hiệu suất của bộ thu tối ưu này, chương tới sẽ mô phỏng các giải pháp cho bộ thu tín hiệu trong hệ thống MIMO đa người dùng và đánh giá kết quả đạt được theo mô hình lý thuyết đã phân tích.
CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG