Hệ thống MIMO 3

Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST
Chương 3:
ĐA NGƯỜI DÙNG MIMO-VBLAST
3.1. MỞ ĐẦU
Trên cơ sở đặc tính kênh vô tuyến, mô hình và hiệu năng của kênh MIMO đã
được trình bầy ở chương trước, ta thấy rằng khi dùng nhiều anten phát/thu cho phép
truyền tốc độ dữ liệu cao, dung lượng tăng tuyến tính theo min(số anten phát/thu)
trong môi trường giầu tán xạ tại SNR đủ lớn. Nhiều giải thuật tách tín hiệu đã được
đề xuất nhằm khai thác dung lượng cao của kênh MIMO, trong đó giải thuật V-
BLAST (Vertical Bell-Labs Layered Space-Time) dùng cấu trúc phân lớp được xem
là thích hợp hơn cả. Giải thuật này cung cấp hiệu năng xác suất lỗi tốt hơn so với các
máy thu tuyến tính truyền thống nhưng vẫn có mức độ phức tạp đủ thấp. Trong phạm
vi và mục tiêu của đề tài, chương này ta xét các bộ tách sóng đa người dùng trên
đường lên trong trường kênh MIMO: Xét ba loại máy thu đa người dùng điển hình:
Máy thu giải tương quan; máy thu MMSE; máy thu MPIC trong môi trường kênh
SISO. Đề cập ngắn gọn giải thuật V-BLAST được kết hợp với các máy thu đa người
dùng nhằm đạt được dung lượng kênh cao trong khi đó vẫn chia sẻ cùng tài nguyên
phổ tần trên kênh MIMO. Kỹ thuật giảm chệch ước tính cũng được đề cập cho máy
thu MPIC trong cả hai môi trường kênh SISO và MIMO. Trong truyền thông vô
tuyến các kỹ thuật đa truy nhập như: TDMA, FDMA, CDMA được sử dụng để chia
sẻ hiệu quả tài nguyên phổ khả dụng, đặc biệt là CDMA trong đó kỹ thuật để đạt
được sự cải thiện dung lượng cho CDMA là tách sóng đa người sử dụng. Theo đó,
chương này được tổ chức và trình bày như sau:
Phần 3.2: Tách sóng đa người dùng cho kênh SISO: Cụ thể là ta xét tóm tắt bốn
loại máy thu đa người dùng cho đường lên gồm: (i) máy thu truyền thống; (ii) máy
thu giải tương quan; (iii) máy thu sai số trung bình quân phương tối thiểu (MMSE);
(iv) máy thu khử nhiễu song song đa tầng (MPIC).
Phần 3.3: Kiến trúc không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí
nghiệm Bell V-BLAST: Kiến trúc V-BLAST; xét và so sánh giữa khử nhiễu liên tiếp
SIC và khử nhiễu song song PIC một cách ngắn ngọn.
Phần 3.4: Tách sóng đa người dùng với V-BLAST trên kênh MIMO. Xét mô

hình hệ thống, các cấu trúc máy thu điểm hình, vấn đề khử nhiễu song song đa tầng
PIC.
-52-
Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST
3.2. TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG CHO KÊNH SISO
3.2.1. Mô hình hệ thống
Tín hiệu băng gốc thu r(t) từ K người dùng được công thức hóa như sau:
K
k
k k
k-1
r(t) = h s (t-τ ) + n(t)
∑
(3.1)
k
jθ
k k k k k k k
s (t-τ ) = P b (t-τ )c (t-τ )e
(3.2)
trong đó: s
k
(t) là tín hiệu phát của người sử dụng thứ k; P
k
là công suất tín hiệu thu
của người sử dụng thứ k; c
k
(t) là chuỗi trải phổ người dùng thứ k; b
k
(t) là số liệu
người dùng thứ k;

k
τ
là thời gian trễ từ người dùng thứ k thể hiện cho bản chất không
đồng bộ ở đường lên;
k
θ

là pha thu của người dùng thứ k so với pha tham chiếu; h
k
thể hiện hệ số kênh pha đing và pha ở dạng phức. Hệ số pha đinh được mô hình hóa
là biến ngẫu nhiên Gaussian phức trị trung bình không phương sai 0,5 độc lập thống
kê. Nếu chỉ xét trong môi trường kênh AWGN thì bỏ qua hệ số h
k
; n(t) là tạp âm
Gaussian trắng cộng. Hình 3.1 minh họa hệ thống được định nghĩa bởi công thức
(3.1) và (3.2).
1
h
k
h
2
h
r(t)
n(t)
1 1
c (t-τ )
2 2
c (t-τ )
k k
c (t-τ )

k k
b (t-τ )
2 2
b (t-τ )
1 1
b (t-τ )
Hình 3.1. Mô hình hệ thống đa người dùng trong môi trường kênh SISO
-53-
Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST
3.2.2.1 Máy thu truyền thống
Số liệu đủ để xác định ký hiệu phát b từ đầu ra bộ tương quan y ở dạng vectơ là:
y = RWb + n, (3.3)
trong đó: R là ma trận tương quan có kích cỡ KN
f
xKN
f
; W là ma trận đường chéo
kích cỡ KN
f
xKN
f
có các phần tử là căn bậc hai năng lượng thu của người dùng; b là
các véctơ ký hiệu số liệu của mọi người dùng có độ dài KxN
f
, trong đó mỗi phần tử
tương ứng với ký hiệu số liệu; K là số người dùng tích cực; N
f
là kích cỡ của các ký
hiệu số liệu phát liên tục (kích cỡ khung).
R

=
R(0)
R(1)
R(0)R(1)
R(-1)
R(-1)
R(0)
R(0)R(1)
R(-1)
0
00
0
0
(3.4)
phần tử R(i) có kích cỡ KxK được xác định là:
l,m l l m m
ρ (i) c (t-τ )c (t+iT-τ )dt
∞
−∞
=
∫
(3.5)
trong đó: T là chu kỳ ký hiệu.
Số đo quyết định cho máy thu truyền thống là:
[ ]
ˆ
sgn[ ] sgn= =b y RWb + n
(3.6)
Cho thấy, ma trận tương quan R ảnh hưởng lên việc quyết định ký hiệu phát,
nghĩa là bộ tách sóng truyền thống đối phó kém đối với nhiễu từ các người dùng khác

đặc biệt ở đường lên (hệ thống không đồng bộ), bởi lẽ khó đảm bảo tính trực giao
cho các chuỗi dấu (chuỗi trải phổ) với mọi dịch thời. Vì vậy, với bộ tách sóng truyền
thống không thể tránh được nhiễu đa người dùng MUI trong hệ thống không đồng
bộ.
-54-
Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST
3.2.2.2 Máy thu giải tương quan
Bộ tách sóng tuyến tính là bộ tách sóng có số đo quyết định là
[ ]
ˆ
sgn
=
b Ty
(3.7)
trong đó: T là biến đổi tuyến tính, với trường hợp máy thu truyền thống T = I, I là
ma trận đơn vị.
Máy thu giải tương quan có T=R
-1
, vì vậy các ký tự ước tính được biểu diễn là:
ˆ
sgn
 
=
 
-1
b Wb + R n
(3.8)
với giả thiết là hoàn toàn biết về pha và thời gian trễ
Biến đổi tuyến tính T được suy ra từ việc tối đa hóa hàm khả năng giống ML
hoặc giảm thiểu hàm giá phương trình (3.9):

( ) ( )
T
1
( )
−
=Λ b y - Rb R y - Rb
(3.9)
Ước tính tuyến tính tốt nhất của b là:
-1
est
b = R y
(3.10)
Ta tìm được các ký hiệu tách sóng trong (3.8) bằng hàm lấy dấu sign lên từng
phần tử của b
est
.
3.2.2.3 Máy thu MMSE
Máy thu MMSE là máy thu dùng bộ tách sóng tuyến tính bằng cách giảm thiểu
lỗi trung bình bình phương MSE giữa ký hiệu phát & đầu ra bộ chuyển đổi
 
 
T
E (b - Ty) (b - Ty)
. Trong trường hợp máy thu MMSE, chuyển đổi tuyến tính của
máy thu giải tương quan được dùng ở trên được thay bởi
( )
1
−
=
2

0
T R + N /2W
. Khi này,
hiệu năng của máy thu MMSE tiến đến hiệu năng của máy thu giải tương quan khi
0
N 0®
. MMSE tìm kiếm sự cân bằng giữa việc khử nhiễu & việc giảm sự gia tăng
tạp âm. Vì vậy, máy thu MMSE tốt hơn máy thu giải tương quan tại SNR thấp đồng
thời hiệu năng của nó tiến đến hiệu năng của máy thu giải tương quan tại SNR cao.
3.2.2.4 Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC
-55-
Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST
Máy thu đa tầng bao gồm nhiều tầng loại bỏ nhiễu, được kết hợp với khái niệm
loại bỏ nhiễu song song. Tại mỗi tầng của MPIC dùng một máy thu bất kỳ nhưng
nhưng độ chính xác của tầng đầu tiên hoặc tầng trước đó ảnh hưởng lên hiệu năng
của toàn máy thu. Ở đây, ta xét tầng đầu tiên dùng máy thu truyền thống để ước tính
độ lợi kênh và ký hiệu số liệu. Các ước tính của mỗi người dùng được dùng để loại
bỏ nhiễu từ người dùng khác bằng cách trừ khử nhiễu ra khỏi tín hiệu mong muốn.
Việc khử nhiễu phụ thuộc vào tính chính xác của ước tính tại tầng trước. Do tính
thiếu chính xác của ước tính dẫn đến việc khử nhiễu không triệt để ở hệ thống thực,
có thể dùng nhiều tầng hoặc kỹ thuật ước tính hữu hiệu hơn. Ngoài ra, dùng kỹ thuật
loại bỏ nhiễu từng phần tại mỗi tầng để cải thiện sơ đồ MPIC nhằm giảm sự lệch
trong các con số thống kê quyết định của MPIC.
Số đo quyết định cho sơ đồ loại bỏ song song S tầng được biểu diễn là:
( )
ˆ
sgn[ ]
s
=b y
(2.11)

trong đó
(s) (s)
k k k k
1
ˆ
y = r (t).c (t-τ )dt
T
∫
(2.12)
(s) (s-1)
k j j j
j¹k
ˆ
r (t) = r(t) - y c (t-τ )
∑
(2.13)
trong đó
(s)
k
r
là tín hiệu tầng s của người dùng thứ k sau khi loại bỏ nhiễu;
k
ˆ
τ
là ước
tính thời gian trễ của người dùng thứ k. Sự lệch ước tính tăng tuyến tính theo tải của
hệ thống dẫn đến ảnh hưởng lên các thống kê quyết định đặc biệt đối với tầng đầu
tiên. Ở các tầng sau các ảnh hưởng này được giảm thiểu. Giải pháp để giảm ảnh
hưởng của chệch ước tính là đưa hệ số loại bỏ nhiễu từng phần C
(s)

như sau:
(s) (s) (s-1)
k j j j
j¹k
ˆ
r (t) = r(t) - C y c (t-τ )
∑
(3.14)
Hệ số này được gán giá trị tại mỗi tầng trong khoảng
[ ]
0,1
.
3.3. KIẾN TRÚC V-BLAST
-56-
Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST
3.3.1 Kiến trúc V-BLAST
Sơ đồ khối mức cao của V-BLAST được minh họa ở hình 3.2. Vector thu kích
cỡ n
R
x1 được mô hình hóa bởi:
r = H.a + n (3.15)
T
x
R
x
T
x
R
x
Bộ mã

hóa vectơ
Xử lý tín
hiệu
V-BLAST
Kênh
MIMO
Số
liệu
phát
1
a
T
n
a
Số
liệu
thu
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống V-BLAST
trong đó: H là ma trận kênh kích cỡ n
R
xn
T
, mỗi phần tử h
i,j
là hệ số pha đing phức từ
anten phát j đến anten thu i, và được mô hình hóa bởi biến ngẫu nhiên Gauss phức
độc lập trị trung bình 0 và phương sai 0,5; a là vector ký hiệu phát kích cỡ n
T
x1; n là
vector thành phần AWGN trên mỗi anten thu có trị trung bình 0 và phương sai

2
n
δ
Ma trận rỗng hóa G được mô tả bởi (3.16) và (3.17) cho tiêu chuẩn ZF và
MMSE theo ma trận giả đảo của H:
( )
1−
+ +
=G H H H
(3.16)
1
2
2

n
d
−
+ +
 
= +
 
 
δ
G H H H
δ
(3.17)
trong đó
2
2
n

d
δ
δ
là nghịch đảo của tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại mỗi anten thu, H
+
biểu diễn
ma trận chuyển vị liên hợp phức của ma trận kênh H.
3.3.2 So sánh giữa SIC và PIC
-57-