(Đồ án) đồ án nghiên cứu kỹ thuật tối ưu hóa mạng chuyển tiếp mimo

i

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG
KHÓA: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 13
HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA
MẠNG CHUYỂN TIẾP MIMO

NĂM 2014

h


ii

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG
KHÓA: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 13
HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
MÃ SỐ:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỚI ƯU HÓA
MẠNGCHỦN TIẾP MIMO

Cán bợ hướng dẫn: Thượng tá, TS Nguyễn Trung Tấn

h


iii

NĂM …..

KHOA: VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN THÔNG TIN

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Đợ mật:
Sớ:

NHIỆM VỤ ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP
Họ và tên:

Lớp:

Khóa:

Ngành: Kỹ thuật điện - Điện tử

Chuyên ngành: Điện tử viễn thông

1. Tên đề tài:
2. Các số liệu ban đầu: ……………………………………………………………
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
3. Nội dung bản thuyết minh:
Chương 1:
Chương 2:
Chương 3:
4. Số lượng, nội dung các bản vẽ và các sản phẩm cụ thể (nếu có):
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

h


iv
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………….
5. Cán bộ hướng dẫn:TS Nguyễn Trung Tấn, Thượng tá, Trung tâm KTVT,
Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự.

Ngày giao:

Ngày hoàn thành:
Hà Nội, ngày tháng năm

Chủ nhiệm bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

Thượng tá, TS Nguyễn Trung Tấn

Học viên thực hiện

Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày

h

tháng

năm


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC……...……………………………………………………………..i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ

…….iv

DANH MỤC KÝ HIỆU TỐN HỌC

vi

LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO….......3
1.1 Truyền thông hợp tác… 3
1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác
1.1.3 Ứng dụng của truyền thông hợp tác
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO

3

5

5

1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến 5
1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu 8
1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO 11
1.3 Các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thớng MIMO
1.4 Tóm tắt chương

14

17

Chương 2: TỚI ƯU MẠNG HỢP TÁC MIMO……………………...……..18
2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng 18
2.1.1 Mơ hình tín hiệu

18

2.1.2 Cơng thức bài toán 19
2.1.3 Tối ưu

cho bài toán

20

2.1.4 Tối ưu

cho bài toán

25

2.1.5 Mở rộng đối với các kiến trúc khơng tuyến tính

26

2.1.6 Mở rộng đối với các kênh pha-đinh chọn lọc tần số

28

2.2 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều đa chặng 29
2.3 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặngđa chuyển tiếpsong song 31
2.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng cóliên kết Nguồn-Đích
2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng 33

h

32

ii
Chương 3: KẾT HỢP TỐI ƯU MÁY THU PHÁT TRONG CÁC HỆ THỐNG
MIMO CHUYỂN TIẾP KHÔNG TÁI SINH………………………………….36
3.1 Đặt vấn đề 36
3.2. Mơ hình hệ thống đề xuất

37

3.3 Kết quả mơ phỏng 41
3.3.1 Mơ hình mơ phỏng
3.3.2. Phân tích kết quả

41

42
3.4. Tóm tắt chương

h

44


iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

MIMO

Multiple Input-Multiple Output

Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra

MISO

Multiple Input – Single Output

Nhiều đầu vào - một đầu ra

MRC

Maximal Ratio Combiner

Kết hợp tỉ lệ tối đa

MMSE

Minimum Mean Square Error

MSE

Mean Square Error

Sai số bình phương trung bình

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

SDM

Spatial Division Multiplexing

SNR

Signal to Noise Ratio

Sai số bình phương trung bình
nhỏ nhất

Ghép kênh phân chia theo
khơng gian
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

h


iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mơ hình một hệ thống truyền thông hợp tác đa nút..............................3
Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc...............................................8
Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại.........................................9
Hình 1.4: Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập ....................10
Hình 1.5: Ba phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO....................12
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống

MIMO-SDM..........................................13

Hình 1.7: Một số bộ tách tín hiệu cho hệ thống MIMO-SDM............................14
Hình 1.8: Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho hệ thống MIMO-SDM.............15
Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống MIMO tuyến tính một chiều hai chặng.......18
Hình 2.2: Sơ đồ khối tương đương của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng
khi khơng có đường trực tiếp..............................................................................22
Hình 2.3: BER của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng với các tiêu chuẩn
tối ưu khác nhau..................................................................................................24
Hình 2.4: Cơng suất tiêu thụ khi Đích sử dụng máy thu tuyến tính hoặc DFE...26
Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO một chiều đa chặng..................29
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống MIMO một chiều hai chặng đa nút chuyển tiếp.........32
Hình 2.7: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO tuyến tính hai chiều hai chặng. 34
Hình 3.1: Mơ hình một hệ thống truyền thơng hợp tác MIMO một chiều hai
chặng, khơng tái sinh, tuyến tính.........................................................................37
Hình 3.2:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu
chuẩn ZF và MMSE của QPSK với

...................................42

Hình 3.3:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu
chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với

h

...................................43


v
Hình 3.4: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo hai

tiêu chuẩn ZF và MMSE của QPSK với

............................43

Hình 3.5: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo hai
tiêu chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với

h

............................44


vi
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu

Ý Ý nghĩa

Chữ thường,
in nghiêng
Chữ thường, in
nghiêng, đậm
Chữ hoa, in
nghiêng, đậm

Ví dụ

Biến số
Vec-tơ
Ma trận

Phép tính kỳ vọng
Phép tốn lấy vết của ma trận
Chuẩn Frobenious của ma trận
Phép toán định nghĩa
Ma trận đơn vị bậc
Phép toán lấy chuyển vị
Phép toán lấy chuyển vị
Hermitian
Lô ga rít tự nhiên
Ma trận đường chéo kích thước
với các phần tử trên
đường chéo
Tập ma trận kích thước
với các giá trị phức
Phần tử thứ

của ma trận

h


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công nghệ
thông tin, tốc độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu của người
dùng về các dịch vụ vô tuyến tăng rất nhanh. Kết quả dẫn đến những bức bách
về nhu cầu mở rộng vùng phủ, nâng cao chất lượngvà đặc biệt là gia tăng tốc độ
truy nhập.
Các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới như các hệ thống thông
tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation), các hệ thống phát triển dài hạn
tiên tiến LTE (Long-Term Evolution), cáchệ thống truy nhập vô tuyến băng

rộngWiMAX (Worldwide Interoperability via Microwave Access), hay mạng
cục bộ vô tuyến Wi-Fi (Wireless Fidelity) đã cho phép người dùng có thể đạt
được tốc độ truy nhập hàng trăm Mbps.
Một trong các giải pháp then chốt nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn cao đã
được xác định rõ là truyền dẫn trên kênh đa đầu vào-đa đầu ra MIMO (Multiple
Input-Multiple Output) và truyền thông hợp tác.
Đã có rất nhiều giải pháp tối ưu cho các mạng hợp tác MIMO như lựa
chọn nút trung gian tốt nhất làm nút Chuyển tiếp, các kỹ thuật lựa chọn ăng-ten.
Đặc biệt là hàng loạt các kỹ thuật tối ưu cho các ma trận tại các nút mạng.
Từ ý nghĩa khoa học và thực tiễn trên em nhận thấy, việc nghiên cứu cơ
sở lý thuyết và các giải pháp tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác có vai trò
hết sức quan trọng. Vì vậy, trong đồ án này em xin tập trung nghiên cứu những
khái niệm và các kỹ thuật tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác. Nội dung đồ
án của em gồm:
Chương 1:Làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợp tác và kỹ
thuật MIMO.
Chương 2:Tổng hợp những công trình nghiên cứu liên quan đến tối ưu
hóa mạng truyền thông hợptác MIMO-AF đã đượcthực hiện.

h


Chương 3:Phân tích bài toán đồng thời tối ưu Nguồn-Đích cho một hệ
thống MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính, mô phỏng lại một
số kết quả đã được nghiên cứu, mở rộng khảo sát cho trường hợp 8-PSK và
trường hợp có đường liên kết trực tiếp.
Trong quá trình biên soạn, đồ án khơng tránh khỏi có những sai sót, em
mong được sự góp ý của các Thày giáo và các bạn đọc nói chung. Em xin gửi
lời cảm ơn tới Thày giáo hướng dẫn PGS-TS Trần Xuân Nam, các Thày giáo
nghiên cứu sinh và các Thày giáo trong phòng thí nghiệm Bợ mơn Thơng tin vì

đã giúp đỡ em rất nhiều trong định hướng cũng như thực hiện nội dung đồ án tốt
nghiệp đại học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thày giáo trong Khoa Vô
tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự và gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện và
động viên em hoàn thành đồ án này.

h


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO
1.1 Truyền thông hợp tác
1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác (cooperative communication) là sự cộng tác của
một hay nhiều nút trung gian trên đường truyền để truyền tín hiệu từ nút nguồn
đến nút đích. Do quá trình truyền dẫn giữa nút nguồn và đích được hỗ trợ bởi
các nút trung gian nên tạo thành các đường tín hiệu khác nhau đến phía thu[45] .
Nếu vị trí các trạm trung gian cách xa nhau đủ lớn, các đường tín hiệu trở nên
độc lập với nhau và vì vậy tạo nên các đường phân tập không gian.
Theo số chặng chuyển tiếp có hệ thống truyền thơng hợp tác đơn chặng
(single hop) và hệ thống truyền thông hợp tác đa chặng (multiple hop). Theo số
nút chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn nút và hệ thống truyền
thông hợp tác đa nút. Hình 1.1 là một mô hình hệ thống truyền thơng hợp tác đa
nút[45] .

Hình 1.1: Mơ hình một hệ thống truyền thơng hợp tác đa nút[45] .
1.1.2 Các giao thức trùn thơng hợp tác
Một khía cạnh quan trọng của q trình truyền thơng hợp tác là kênh
chuyển tiếp xử lý tín hiệu nhận được từ nút Nguồn. Phương thức xử lý khác
nhau dẫn đến giao thức truyền thông hợp tác cũng khác nhau. Tổng quát, các

h


giao thức truyền thơng hợp tác có thể được phân loại thành các giao thức chuyển
tiếp cố định và các giao thức chuyển tiếp thích nghi. Trong chuyển tiếp cố định,
các nguồn kênh được phân chia giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp theo một
giao thức cố định. Quá trình xử lý tại nút Chuyển tiếp không theo giao thức đã
sử dụng. Trong giao thức chuyển tiếp khuếch đại-chuyển tiếp (AF: Amplifyand-Forward) cố định, nút Chuyển tiếp nhận bản tin sau đó khuếch đại và phát
bản tin đó tới nút Đích. Một khả năng khác của q trình xử lý tại nút Chuyển
tiếp là giải mã tín hiệu nhận được, mã hóa lại và sau đó phát tới máy thu. Loại
chuyển tiếp này gọi là giao thức chuyển tiếp giải mã-chuyển tiếp ((DF: Detectand-Forward) cố định.
Chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng thực hiện nhưng có nhược
điểm là hiệu quả sử dụng băng thơng thấp. Bởi vì một nửa số tài nguyên kênh
được phân bổ cho nút Chuyển tiếp để phát, vì vậy làm hạn chế tốc độ truyền.
Điều này đặc biệt đúng khi khi kênh giữa Nguồn-Đích tốt, lúc này tỷ lệ phần
trăm các gói tin phát đi từ Nguồn được nhận chính xác tại đích là rất cao, do đó
việc chuyển tiếp sẽ lãng phí. Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi cố gắng khắc
phục vấn đề này.
Trong chuyển tiếp lựa chọn, nếu tỷ số tín hiệu trên tập âm (SNR: Signalto-Noise Ratio) của tín hiệu nhận được tại nút Chuyển tiếp vượt quá một giá trị
ngưỡng nào đó thì tại nút Chuyển tiếp thực hiện cơng việc giải mã-chuyển tiếp
hiệu đó. Mặt khác, nếu kênh truyền giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp chịu tác
động của nhiễu và pha đinh dẫn tới tỷ số SNR thấp hơn giá trị ngưỡng thì nút
Chuyển tiếp ở trạng thái rỗi. Ngoài ra, nếu nút Nguồn biết rằng nút Đích khơng
giải mã đúng thì nút Nguồn có thể phát lại thơng tin tới nút Đích hoặc thơng qua
nút Chuyển tiếp để trợ giúp chuyển tiếp thông tin, quá trình này gọi là chuyển
tiếp tăng cường. Trong trường hợp này, cần thiết có một kênh phản hồi từ nút
Đích tới các nút Nguồn và nút Chuyển tiếp.

h

1.1.3Ứng dụng của truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác có thể được ứng dụng rộng rãi trong các mạng
thơng tin vô tuyến như mạng thông tin di động tế bào, mạng ad hoc di động
(MANET: Mobile Ad hoc Network) và mạng cảm biến không dây (WSN:
Wireless Sensor Network). Kỹ thuật truyền thông hợp tác nhờ vào việc chuyển
tiếp dữ liệu qua các nút (trạm) trung gian vì vậy cho phép kéo dài cự ly liên lạc
giữa nút Nguồn và nút Đích cũng như mở rộng phạm vi vùng phủ. Hơn nữa do
các đường chuyển tiếp được truyền phân tán trong không gian nên cho phép hệ
thống thu được độ lợi phân tập khơng gian (spatial diversty gain) nhờ đó tăng
dung lượng kênh truyền và chất lượng truyền dẫn tín hiệu. Mặt khác, nhờ sử
dụng kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng, các nút trung gian có thể sử dụng cơng suất
phát thấp hơn trong khi vẫn bảo đảm được yêu cầu chất lượng dịch vụ, và làm
giảm đáng kể can nhiễu đến hệ thống.
Các công nghệ truyền dẫn hợp tác và chuyển tiếp đã dần dần được đưa
vào các chuẩn mạng khác nhau, để phát triển hệ thống thông tin di động đáp ứng
các nhu cầu về chất lượng, độ tin cậy, tốc độ dữ liệu, các yêu cầu về dịch vụ.
Các công nghệ này đã được đưa vào trong các chuẩn IEEE 802.16j và LTE cải
tiến (Long Term Evolution-Advanced). Truyền thông hợp tác cũng được ứng
dụng trong hệ thống vô tuyến nhận thức và các mạng cảm biến.
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO
1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thơng tin vơ tún
Trong thơng tin vơ tuyến q trình truyền dẫn luôn chịu ảnh hưởng bởi
các hiện tượng pha-đinh. Pha-đinh được phân loại theo nhiều cách khác nhau,
tùy thuộc vào tham số xem xét, yêu cầu của hệ thống mà có: pha-đinh phạm vi
rộng, pha-đinh phạm vi hẹp, pha-đinh phẳng, pha-đinh chọn lọc theo thời
gian, pha-đinh chọn lọc tần số, pha-đinh nhanh và pha-đinh chậm. Với các
mơ hình kênh khác nhau như: kênh pha-đinh Rayleigh, kênh pha-đinh Rice,
kênh pha-đinh Nakagami. Các hệ thống thông tin khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng

h


của các hiện tượng pha-đinh khác nhau [25] , vì vậy, biện pháp khắc phục ảnh
hưởng của các loại pha-đinh cũng khác nhau.
Để hạn chếảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông,
trong thông tin vô tuyến sử dụng một số biện pháp kỹ thuật như: phương pháp
bù pha-đinh, kỹ thuật phân tập, kỹ thuật san bằng, trong đó các phương pháp
phân tập được sử dụng khá phổ biến[1] ,[25] .
Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của mộtsố đường truyền có các
tham số thống kê độc lập, nhưng truyền tải cùng mộtthông tin giống nhau. Bản
chất của phương pháp phân tập là tín hiệu đượctruyền trên các đường truyền độc
lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinhkhác nhau. Tức là, trong số các tín
hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu được vớichất lượng tốt và có tín hiệu thu được
với chất lượng xấu. Do đó, nếu kết hợpcác tín hiệu này một cách thích hợp,
chúng ta có thể thu được một tín hiệutổng hợp chịu ảnh hưởng của pha-đinh ít
hơn. Kết quả này đồng nghĩa vớiviệc tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy cao
hơn.
Theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụngtrong thơng tin
vơ tuyến có thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân
tập phân cực và phân tập không gian[1] .

 Phân tập thời gian
Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh
hưởng pha-đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về
thời gian sẽ không tương quan với nhau. Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời
điểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều
đường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian.
Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệu pha-đinh
không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ (coherence time)

của kênh truyền. Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời gian là làm
suy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian.

 Phân tập tần số

h


Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, có thể sử dụng một tập
hợp các tần số để truyền đi cũng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số.
Khoảng cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ
(coherence bandwwidth), để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng
không tương quan với nhau. Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự
tiêu tốn phổ tần số. Ngoài ra, do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên
mỗi nhánh cần sử dụng một máy thu phát cao tần riêng.
 Phân tập phân cực
Nghiên cứu cho thấy tín hiệu truyền đi trên hai phân cực trực giao trong
môi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập. Vì vậy, hai phân
cực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực. Do chỉ tồn tại
hai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo
được chỉ là hai. Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất
tin hiệu phát cần chia đều cho hai nhánh, và vì vậy, chất lượng tín hiệu thu cũng
bị suy giảm đi 2 lần hay 3dB.
 Phân tập không gian
Phân tập không gian là sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu, máy phát hoặccả
ở phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không giankhác
nhau. Khoảng cách cần thiết giữa các ăng-ten tối thiểu là một nửa bướcsóng
. Khi sử dụng nhiều ăng-ten ở máy phát, ta có hệ thống phân tập khơng
gian phát, và có phân tập không gian thu nếu sửdụng nhiều ăng-ten thu. Trường
hợp phân tập không gian mà sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thusẽ

tạo nên một hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và phân tập
thu, kênh truyền vô tuyến giữa các ăng-ten máy phát và ăng-ten máy thu được
gọi là kênh MIMO.
Phương pháp phân tập được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong
thông tin vô tuyến là phân tập không gian.Ưu điểm của phương pháp phân tập
không gian là không làm suy giảmhiệu suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần, dễ
sử dụng và trên lýthuyếtkhơng có sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập.

h


1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu
a) Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu
Khi tín hiệu

được truyền qua môi trường pha-đinh Rayleigh tới máy

thu sử dụng phân tập không gian với
được

tín hiệu nhánh. Từ

nhánh phân tập, khi đó máy thu sẽ thu

tín hiệu nhánh trên, để tín hiệu ở đầu ra bộ kết

hợp có chất lượng tốt hơn, có thể sử dụng ba phương pháp kết hợp phân tập
không gian:

 Kết hợp chọn lọc (SC: Selection Combining)

Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được minh họa như Hình 1.2. Tại một
thời điểm , mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và tính toán tỷ số tín
hiệu trên tạp âm (SNR: Signal to Noise Ratio) của từng nhánh phân tập và chọn
ra tín hiệu ở nhánh có tỷ số SNR lớn nhất. Trong thực tế, việc đo lường tỷ số
SNR rất khó thực hiện và, vì vậy, tínhiệu trên nhánh phân tập có tổng công suất
tín hiệu và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn.

Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc[1] .
 Kết hợp số cực đại (MRC: Maximal-Ratio Combining)
Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại được Kahn đề xuất năm 1954. Sử dụng
phương pháp này, tín hiệu của

h

nhánh phân tập được nhân trọng số


(weighted) cân xứng theo tỉ số SNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồng
pha rồi kết hợp (cộng) với nhau. Thực tế, phương pháp kết hợp tỉ số cực đại là
phương pháp kết hợp cho độ lợi lớn nhất. Phương pháp kết hợp này còn được
gọi là phương pháp kết hợp tối ưu (optimum combining). Sơ đồ cấu hình một bộ
kết hợp tỉ số cực đại được trình bày ở Hình 1.3.

Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại[1] .
 Kết hợp đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining)
Tuy phương pháp MRC là phương pháp kết hợp tối ưu cho độ lợi phân
tập lớn nhất trong tất cả các phương pháp kết hợp phân tập thu, nhưng phương
pháp này yêu cầu phải biết chính xác được các trọng số kết hợp

, do đó

tương đối phức tạp. Hơn nữa, độ lợi thu được của phương pháp MRC không lớn
hơn nhiều so với phương pháp kết hợp chọn lọc. Điều này có nghĩa là phần lớn
độ lợi phân tập thu được từ nhánh phân tập có công suất lớn nhất và nếu một
phương pháp kết hợp có thể thu được độ lợi từ nhánh phân tập đó thì tổng độ lợi
thu được hầu như không thay đổi. Quan sát này dẫn đến một phương pháp phân
tập mới, kỹ thuật kết hợp phân tập đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining),
đơn giản hơn phương pháp MRC. Sử dụng phương pháp kết hợp EGC, tín hiệu
tại các nhánh được đồng pha (co-phasing) giống như trong trường hợp MRC,
nhưng sau đó được nhân với các trọng số có cùng độ lớn, rồi kết hợp với nhau.

h


Trường hợp đơn giản nhất là đặt độ lợi của các trọng số bằng hằng số đơn vị.
Như vậy, phương pháp kết hợp EGC chỉ là một trường hợp đặc biệt của phương
pháp MRC.
Hình 1.4 mô tả độ lợi phân tập của các phương pháp khác nhau. Nhìn vào
hình vẽ có thể nhận thấy phương pháp kết hợp tỉ số cực đại cho độ lợi phân tập
lớn nhất, và phương pháp kết hợp chọn lọc cho độ lợi thấp nhất.

Hình 1.4: Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập[1] .
b) Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát
Phân tập phát được tạo nên bởi việc sử dụng nhiều ăng-ten phát kết hợp
với một phương pháp xử lý tín hiệu thích hợp. Một số phương pháp phân tập
phát điển hình được đề xuất gần đây là:
 Phân tập phát tỉ số cực đại (MRT: Maximal-Ratio Transmit)
Bộ phân tập MRT mang lại bậc phân tập giống như của một bộ phân tập
thu MRC. Tuy nhiên do tổng công suất phát được chuẩn hóa thành đơn vị nên bị
thiệt hại về phẩm chất BER.

 Phân tập phát giữ chậm

h


Các bản sao của tín hiệu

được truyền tới máy thu tại các thời điểm

khác nhau và thông qua các ăng-ten phát khác nhau. Các tín hiệu giữ chậm được
máy thu coi như các tín hiệu đa đường. Vì vậy, để tách được các tín hiệu phát,
máy thu sử dụng một bộ san bằng ước lượng chuỗi hợp lệ cực đại (MLSE:
Maximum Likelihood Sequence Estimator) hay một bộ san bằng sai số bình
phương trung bình cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error) để đạt được
độ lợi phân tập

.

Ưu điểm của phương pháp phân tập phát giữ chậm là nó có thể cho độ lợi
phân tập bậc mà không yêu cầu phải mở rộng băng tần, cũng như cần phản hồi
từ máy thu. Một ưu điểm khác của phương pháp này là nó có thể áp dụng trực
tiếp cho các kênh đa đường để thu được thêm độ lợi phân tập đa đường (path
diversity).
 Phân tập phát không gian-thời gian
Hệ thống MIMO có ưu điểm nổi trội là khả năng cho phép tăng dung
lượng kênh truyền vơ tuyến theo hàm tuyến tính của số ăng-tennhỏ nhất sử
dụng. Các cơng trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các
phương pháp truyền dẫn thoả mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ
kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết cho q trình khơi phục ở phía máy thu.
1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO

Một số phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO là: ghép kênh
phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing), mã không
gian-thời gian (STC: Space-Time Codes) và điều chế không gian (SM: Spatial
Modulation) như mô tả ở Hình 1.5.
a) Mã không gian-thời gian
Là kỹ thuật mã hóa tín hiệu cho hệ thống phân tập không gian phát, trong
đó tín hiệu phát được mã hóa cả miền thời gian và miền không gian. MIMOSTC đạt được độ tăng ích phân tập với bậc phân tập lớn nhất

là tăng ích

mã hóa, hạn chế ảnh hưởng của pha đinh, cải thiện phẩm chất hệ thống (giảm
thiểu BER). Các loại mã STC điển hình ban đầu được S. M. Alamouti[38] vàV.

h


Tarokh et al.[42] tìm ra. Mã khơng gian-thời gian có thểđược phân thành hai
loại cơ bản:
- Mã lưới không gian-thời gian (STTC: Space-Time Trellis Codes): loại
mã này có ưu điểm thu được đồng thời cả độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa
nhưng có nhược điểm là phức tạp trên cả phương diện mã hóa và giải mã.
- Mã khối không gian-thời gian (STBC: Space-Time Blocks Codes): loại
mã này có độ phức tạp giải mã thấp, thu được bậc phân tập đầy đủ nhưng không
cung cấp độ lợi mã hóa và chỉ thu được tốc độ đầy đủ, bậc phân tập đầy đủ
vớisố ăng-ten

Hình 1.5: Ba phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO:
a) SDM; b) STC; c) SM.
b) Ghép kênh phân chia theo không gian
PhươngphápSDM tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng

cách truyềnđồng thời một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các ăng-ten phát và
sửdụng các máy thu có độ phức tạp thấp để duy trì BERcho phép.Phương pháp
này cho phép thu được độ tăng ích ghép kênh (multiplexinggain) lớn.
Nguyên lý của phương pháp SDM: ở máyphát (Tx) luồng tín hiệu phát
được chia nhỏ (DEMUX: Demultiplexing) thành luồng nhỏ và truyền đồng

h


thời qua ăng-ten phát. Tại máy thu các luồngtín hiệu sẽ được tách riêng ra rồi
ghép lại (MUX: Multiplexing) với nhau như mô tả ởHình 1.6.

Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống

MIMO-SDM [1] .

Do tín hiệu phát từcác ăng-ten phát khác nhau nên việc tách tín hiệu của
mỗi luồng phát ở máythu sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh (CCI: Co-Channel
Interference) từ các luồng cịn lại. Vì vậy, máy thu chỉ cần sử dụng một bộ tách
tín hiệu tốt có khả năng cung cấp BERthấp, đồng thời lại không yêu cầu q cao
về độ phức tạp tính tốn. Do máyphát sử dụng ở phương pháp SDM chỉ đơn
thuầnlà một bộ phân kênh nên các nghiên cứu về MIMO-SDM đều tập trung vào
việcthiết kế bộ tách tín hiệu ở máy thu.
Mợt số hệ thống MIMO-SDM điển hình được tìm ra bởi G. J. Foschini et
al. 96[17] và P. W. Wolniansky et al.[34] .
c) Điều chế không gian
Kỹ thuật điều chế không gian và khóa dịch không gian (SSK: Space Shift
Keying) là kỹ thuật sử dụng không gian vị trí ăng-ten để truyền các bit dữ liệu,
số bít truyền tăng theo số ăng-ten sử dụng. Kỹ thuật này có thể khắc phục các
nhược điểm của mã không gian-thời gian và ghép kênh theo không gian. Kỹ

thuật này cho phép tăng hiệu quả phổ và hiệu quả sử dụng năng lượng.
Một số công trình tiên phong điển hình đã được các tác giả thực hiện như:
R. Y. Mesleh et al.[35] đề xuất điều chế không gian cho hệ thống truyền dẫn

h


đơn ăng-ten. J. Jeganathan et al.[21] đề xuất khóa dịch không gian (SSK) và
khóa dịch không gian suy rộng cho các hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO
đơn và đa ăng-ten. Younis et al.[9] đã đề xuất điều chế không gian suy rộng cho
hệ thống MIMO đa ăng-ten. Đặc biệt là công trình nổi bật của M. Di Renzo et
al.[30] làm rõ điều chế không gian suy rộng cho các kênh MIMO.
1.3 Các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thớng MIMO
Có mợt sớ bộ tách tín hiệu MIMO-SDM đã được đề xuất gần đây. Dựa
trên thao tác ước lượng tín hiệu có thể phân loại thành: các bộ tách tín hiệu
tuyến tính, các bộ tách tín hiệu phi tuyến và các bộ tách tín hiệu kết hợp tuyến
tính và phi tuyến nhưHình 1.7.

Hình 1.7: Một số bộ tách tín hiệu cho hệ thống MIMO-SDM [1] .
a) Các bộ tách tín hiệu tuyến tính
Các bộ tách tín hiệu tuyến tính điển hình bao gồm: bộ tách tín hiệu cưỡng
bức bằng khơng(ZF:ZeroForcing) và bộ tách tín hiệusai số bình phương trung
bình tối thiểu(MMSE: Minimum Mean Square Error). Ưu điểm của cácbộ tách
tín hiệu tuyến tính là có độ phức tạp tính toán thấp và có thể dễ thực hiệnnhờ các
thuật toán thích nghi phổ biến như: bình phương trung bình nhỏ nhất(LMS:
Least Mean Square), bình phương nhỏ nhất qui hồi (RLS: Recursive Least
Square). Nhược điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính là phẩm chấttách tín

h

hiệu (tỉ số lỗi bít) đạt được tương đối thấp, đặc biệt là khi sử dụngsố lượng ăngten phát lớn.

Hình 1.8: Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho hệ thống MIMO-SDM [1] .
Gần đây, nhờ việc áp dụng kết hợp với thuật toán rút gọn dàn (LR: Lattice
Reduction), các bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE có thể đạt được tỉ số
lỗi bit BER gần tối ưu, trong khi độ phức tạp tính toán hầu như không thay đổi.
Trong thực tế, các bộ tách tín hiệu tuyến tính vẫn có ưu điểm hơn do yêu cầu
quan trọng là độ phức tạp tính toán thấp, nên thường được áp dụng nhiều hơn
trong thực tế.
 Bộ tách tín hiệu ZF
Trong hệ thống MIMO, kênh truyền được biểu diễn là một ma trận mà các
phần tử của nó là các kênh pha-đinh đa đường. Giá trị kênh này không được biết
trước tại bộ thu tín hiệu vô tuyến. Do vậy, người ta thiết kế các bộ ước lượng
kênh nhằm giúp khôi phục giá trị kênh truyền, nhờ đó khôi phục chính xác tín
hiệu phát.
Bộ tách tín hiệu ZF, còn được gọi là bộ tách tín hiệu bình phương nhỏ
nhất (LS: Least Square), có bản chất là giả sử tạp âm bằng không rồi sử dụng
phương pháp bình phương nhỏ nhất để tìm tín hiệu phát . Việc này tương
đương với giải một hệ

phương trình với

ẩn số. Bộ tách tín hiệu ZF chỉ có

thể áp dụng được cho các hệ thống MIMO-SDM trong đó số ăng-ten thu nhiều
hơn số ăng-ten phát.

h