Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông mimo SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.23 MB, 90 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------
LÊ DOÃN THIỆN
THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG
MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGÔ VŨ ĐỨC
Hà Nội - 2016
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Lê Doãn Thiện.
Đề tài luận văn: Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển
tiếp hai chiều sử dụng PNC.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số SV: CB140222
Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22/04/2016 với
các nội dung sau:
-
Bổ sung thêm các trích dẫn tài liệu tham khảo nhằm làm rõ các nội dung mà tác
giả trích dẫn và phần mà tác giả đã đóng góp.
Thay đổi tên ma trận tín hiệu nhận đƣợc tại nút đích N2 để phân biệt với ký
hiệu ma trận tổng - hiệu.
Ngày 25 tháng 04 năm 2016
Giáo viên hƣớng dẫn
Tác giả luận văn
TS. Ngô Vũ Đức
Lê Doãn Thiện
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS Phạm Ngọc Nam
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu
của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của giảng viên TS. Ngô Vũ Đức. Các số liệu, kết quả trình
bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công
trình nào trƣớc đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đƣợc trích dẫn đầy đủ và theo
đúng quy định.
Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016
Tác giả
Lê Doãn Thiện
3 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đƣợc rất
nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp quý báu của Thầy hƣớng dẫn cùng với các
thành viên của phòng System VLSI Lab.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn TS. Ngô Vũ Đức đã
tận tình định hƣớng phƣơng pháp tiếp cận, nghiên cứu khoa học, hƣớng dẫn các vấn
đề chuyên môn cho tôi trong quá trình nghiên cứu, và hoàn thành luận văn này. Tôi
cũng xin trân trọng cảm ơn các thành viên System VLSI Lab đã hƣớng dẫn và góp ý
khoa học cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Viện Điện tử - Viễn thông,
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và tƣ vấn tôi
trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô đã dìu
dắt, truyền đạt những kiến thức quý báu cùng ngọn lửa nhiệt huyết nghiên cứu khoa
học trong thời gian đào tạo tại trƣờng.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp
đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi vƣợt qua các khó khăn để đạt đƣợc những kết
quả nghiên cứu nhƣ ngày hôm nay.
4 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
MỤC LỤC
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................ 2
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 4
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 10
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... 11
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 13
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 13
2. Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................ 15
3. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 17
4. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................ 17
5. Các đóng góp của luận văn ................................................................................... 18
6. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................... 18
Chƣơng I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO ........................................................... 19
1.1 Mô hình hệ thống MIMO .................................................................................... 19
1.1.1 Dung lƣợng kênh MIMO .............................................................................. 20
1.1.2 Các phƣơng pháp truyền dẫn MIMO ............................................................ 21
1.1.3 Ghép kênh chia theo không gian .................................................................. 22
1.1.4 Mã hóa Không gian – Thời gian ................................................................... 22
1.2 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính............................................................................ 24
1.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF ....................................................................................... 26
1.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE ................................................................................ 28
5 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
1.3 Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến ............................................................................ 29
1.3.1 Phân loại các trạm chuyển tiếp ..................................................................... 31
1.3.2 Phân loại các kỹ thuật chuyển tiếp ............................................................... 32
1.3.3 Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến ............................................................. 35
1.4 Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC ................................................................... 35
1.4.1 Sơ đồ không sử dụng mã hóa mạng .............................................................. 36
1.4.2 Sơ đồ mã hóa mạng NC ................................................................................ 36
1.4.3 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý ...................................................................... 38
1.4.4 Nguyên lý PNC dựa trên phép XOR ............................................................ 39
1.4.5 Mô hình mô phỏng PNC trên kênh TWRC .................................................. 42
Chƣơng II: TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ
DỤNG PNC .................................................................................................................. 45
2.1 Mô hình hệ thống ................................................................................................ 45
2.2 Tách tín hiệu tại nút chuyển tiếp ......................................................................... 47
2.3 Mã hóa tín hiệu tại nút chuyển tiếp ..................................................................... 50
2.4 Tách tín hiệu tại nút đích ..................................................................................... 51
2.5 Đánh giá chất lƣợng hệ thống MIMO-SDM-PNC .............................................. 52
2.5.1 Mô hình mô phỏng........................................................................................ 52
2.5.2 Lựa chọn ngƣỡng tối ƣu cho phƣơng pháp quyết định kết hợp chọn lọc ..... 53
2.5.3 Đánh giá phẩm chất BER ............................................................................. 54
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDMPNC .............................................................................................................................. 57
3.1 Kiến trúc bộ tách sóng mức đỉnh ........................................................................ 57
3.2 Xây dựng kiến trúc kiểu pipeline và timing ........................................................ 59
3.3 Kiến trúc bộ tách sóng mức chi tiết .................................................................... 62
3.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả ............................................................................ 66
6 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
3.4.1 Mô hình mô phỏng........................................................................................ 66
3.4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ..................................................................... 68
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 73
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 75
7 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
3GPP
Dự án hợp tác thế hệ thứ ba
BER
Third Generation Partnership
Project
Additive White Gaussian
Noise
Bit Error Rate
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm gốc
CCI
Co-Channel Interference
Nhiễu đồng kênh
DF
Decode and Forward
Giải mã và chuyển tiếp
FPGA
Mảng cổng lập trình đƣợc dạng trƣờng
HSPA
Field Programmable Gate
Array
High Speed Packet Access
IC
Integrated Circuit
Mạch tích hợp
LLR
Log Likelihood Ratio
Tỉ số hợp lệ theo hàm logarith
LMS
Least Mean Square
Trung bình phƣơng nhỏ nhất
LS
Least Square
Bình phƣơng nhỏ nhất
LTE
Long Term Evolution
Phát triển dài hạn
MANET
Mobile Ad-hoc Network
Mạng Ad-hoc di động
MAP
Maximum A posteriori
Probability
Multiple Input Multiple
Output
Maximum Likelihood
Xác xuất hậu nghiệm cực đại
Bộ tách tín hiệu hợp lẽ tối đa
MMSE
Maximum Likelihood
Detector
Minimum Mean Square Error
MRT
Maximal Ratio Transmission
Phát tỉ lệ cực đại
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSE
Mean Square Error
Sai số bình phƣơng trung bình
NC
Network Coding
Mã hóa mạng
PNC
Physical layer Network
Coding
Mã hóa mạng vật lý
AWGN
MIMO
ML
MLD
8 Lê Doãn Thiện
Tạp âm Gauss trắng cộng tính
Tỉ lệ lỗi bit
Truy cập gói tin tốc độ cao
Nhiều đầu vào - nhiều đầu ra
Hợp lệ cực đại
Sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Điều chế biên độ cầu phƣơng
RF
Quadrature Amplitude
Modulation
Quadrature Phase-Shift
Keying
Radio Frequency
RLS
Recursive Least Square
Bình phƣơng nhỏ nhất quy hồi
RN
Relay Node
Nút chuyển tiếp
RS
Relay Station
Trạm chuyển tiếp
SD
Sphere decoding
Bộ tách tín hiệu cầu phƣơng
SDM
Spatial Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo không gian
SIMO
Single Input Multiple Output
Một đầu vào - nhiều đầu ra
SINR
SIR
Signal to Interference plus
Noise Ratio
Signal to Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng với
nhiễu
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SISO
Single Input Single Output
Một đầu vào - một đầu ra
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
STBC
Space-Time Block Code
Mã khối không gian thời gian
STC
Space-Time Coding
Mã không gian thời gian
STE
SpaceTime Encoder
Bộ mã hóa không gian thời gian
STTC
Space-Time Trellis Code
Mã lƣới không gian thời gian
SVD
Bình phƣơng tối thiểu tuyến tính
TS
Singular Value
Decomposition
Traditional Scheme
TWRC
Two-Way Relay Channel
Kênh chuyển tiếp hai chiều
UE
User Equipment
Thiết bị ngƣời dùng
VANET
Vehicle Ad-hoc Network
Mạng Ad-hoc giao thông
V-BLAST
Vertical Bell Labs Layered
Space Time
Wireless Fidelity
Hệ thống không gian thời gian phân lớp
theo chiều dọc của Bell Labs
Chuẩn mạng cục bộ không dây của WiFi Alliance
Tƣơng thích toàn cầu qua truy nhập viba
Cƣỡng bức về không
QAM
QPSK
Wi-Fi
WiMAX
ZF
Worldwide Interoperability
for Microwave Access
Zero Forcing
9 Lê Doãn Thiện
Điều chế khóa dịch pha cầu phƣơng
Tần số vô tuyến
Sơ đồ truyền thống
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu đồng pha ......................................... 40
Bảng 1.2 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu vuông pha ....................................... 41
Bảng 3.1 Độ dài dữ liệu của các đầu vào và đầu ra........................................................... 68
Bảng 3.2 Kết quả tổng hợp các thiết kế của bộ tách sóng ZF trên FPGA ......................... 70
Bảng 3.3 Kết quả tổng hợp các thiết kế của bộ tách sóng MMSE trên FPGA ................. 70
10 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO ................................................................................... 19
Hình 1.2 Sơ đồ phân kênh theo không gian ...................................................................... 22
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti .................................. 23
Hình 1.4 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM....................................................... 24
Hình 1.5 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM ........................................... 25
Hình 1.6 Kỹ thuật chuyển tiếp ........................................................................................... 30
Hình 1.7 Vai trò của trạm chuyển tiếp .............................................................................. 31
Hình 1.8 Chuyển tiếp loại 1 và loại 2 ................................................................................ 32
Hình 1.9 Mô hình chuyển tiếp một chiều .......................................................................... 33
Hình 1.10 Mô hình chuyển tiếp hai chiều ......................................................................... 34
Hình 1.11 Sơ đồ không mã hóa mạng ............................................................................... 36
Hình 1.12 Sơ đồ hóa mạng NC.......................................................................................... 38
Hình 1.13 Sơ đồ hóa mạng lớp vật lý PNC ....................................................................... 38
Hình 1.14 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất ............................ 42
Hình 1.15 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai .............................. 43
Hình 1.16 So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh [12]........... 44
Hình 2.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC ............................. 45
Hình 2.2 Giá trị ngƣỡng
tối ƣu cho trƣờng hợp tách ZF trong hệ thống MIMO-
SDM-PNC [12] .................................................................................................................. 53
Hình 2.3 Giá trị ngƣỡng
tối ƣu cho trƣờng hợp tách MMSE trong hệ thống MIMO-
SDM-PNC [12] .................................................................................................................. 54
Hình 2.4 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách ZF [12] ........... 55
Hình 2.5 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách MMSE [12].... 55
11 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Hình 3.1 Kiến trúc mức đỉnh của bộ tách sóng ZF ........................................................... 57
Hình 3.2 Kiến trúc mức đỉnh của bộ tách sóng MMSE .................................................... 58
Hình 3.3 Kiến trúc của khối G_ZF .................................................................................... 58
Hình 3.4 Kiến trúc của khối G_MMSE ............................................................................. 59
Hình 3.5 Thiết kế pipeline của bộ tách sóng ZF................................................................ 60
Hình 3.6 Thiết kế pipeline của bộ tách sóng MMSE ........................................................ 60
Hình 3.7 Sơ đồ timing của bộ tách sóng ZF ...................................................................... 61
Hình 3.8 Sơ đồ timing của bộ tách sóng MMSE ............................................................... 61
Hình 3.9 Sơ đồ khối TRAN ............................................................................................... 62
Hình 3.10 Sơ đồ khối MUL REAL ................................................................................... 62
Hình 3.11 Sơ đồ khối MUL ............................................................................................... 63
Hình 3.12 Sơ đồ khối SIGMA ........................................................................................... 63
Hình 3.13 Sơ đồ khối ADD ............................................................................................... 64
Hình 3.14 Sơ đồ khối INV ................................................................................................. 64
Hình 3.15 Sơ đồ khối COMP MUL .................................................................................. 65
Hình 3.16 Sơ đồ khối COMP DIV .................................................................................... 65
Hình 3.17 Quy trình kiểm tra ............................................................................................ 67
Hình 3.18 Tín hiệu thu đƣợc trên Modelsim của bộ tách sóng ZF ................................... 68
Hình 3.19 Tín hiệu thu đƣợc trên Modelsim của bộ tách sóng MMSE ............................ 69
12 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến đang đứng trƣớc những thách thức to
lớn cả về cải tiến giải pháp cũng nhƣ cải tiến công nghệ nhằm đáp ứng các yêu cầu
ngày càng cao và khắt khe hơn của ngƣời sử dụng, chẳng hạn: mở rộng phạm vi vùng
phủ; gia tăng tốc độ truy cập; nâng cao phẩm chất và độ tin cậy của hệ thống; sử dụng
hiệu quả năng lƣợng cũng nhƣ phổ tần; và đặc biệt là giảm thiểu độ phức tạp trong
tính toán, xử lý. Để đáp ứng đƣợc những yêu cầu đó thì mạng thông tin vô tuyến đang
phát triển không ngừng, cùng với đó thu hút sự đầu tƣ của các nhà mạng và cung cấp
dịch vụ đã tạo ra những tiến bộ vƣợt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc
độ truy cập của ngƣời dùng. Tốc độ truyền dẫn của mạng thông tin có những bƣớc
phát triển nhanh chóng nhƣ mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi với chuẩn
IEEE 802.11.ac lên tới 6.77Gbps, mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng WiMAX
với chuẩn IEEE 802.16m với tốc độ 1Gbps, hoặc mạng thông tin di động 4G- LTE
Advanced có thể lên tới 3.9Gbps và tƣơng lai là mạng thế hệ thứ 5 đã mang lại cuộc
cách mạng làm thay đổi căn bản tốc độ truyền tải dữ liệu, giúp phát triển các lĩnh vực
khoa học kỹ thuật khác và trải nghiệm ngƣời dùng tốt hơn.
Để đáp ứng đƣợc các hệ thống yêu cầu tốc độ cao nhƣ vậy, thì hệ thống MIMO
(Multiple Input Multiple Output) [1] sử dụng đa ăng-ten đầu ra và đầu vào ra đời, nó
tăng dung lƣợng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín hiệu trên nhiều đƣờng
khác nhau. MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông
không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G),
WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G),...[2]. Để nâng cao hiệu suất và hiệu quả
trải phổ, thì nhiều kỹ thuật khác nhau đã đƣợc kết hợp với MIMO. Trong đó phải kể
đến nhƣ: kỹ thuật mã khối không gian thời gian (STBC) [3] giúp đem lại độ lợi phân
tập nhằm cải thiện phẩm chất tỉ lệ lỗi bit; kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không
gian (SDM) [4] giúp đem lại độ lợi ghép kênh, cho phép tăng tốc độ truyền dẫn tuyến
tính với số ăng-ten phát sử dụng nhằm tăng độ lợi phân tập.
13 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Để đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn và mở rộng vùng phủ, thì kỹ thuật chuyển
tiếp vô tuyến đƣợc sử dụng rộng rãi. Các ví dụ điển hình của kỹ thuật này đƣợc ứng
dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến viba mặt đất, các đƣờng truyền thông tin
vệ tinh, và ngày nay là các hệ thống thông tin di động và thông tin vô tuyến ad-hoc.
Trong hệ thống mạng thế hệ thứ 4 hiện nay (LTE-Advanced), thì nút chuyển tiếp
(relay node) thƣờng hoạt động theo phƣơng thức khuếch đại – chuyển tiếp (Amplifyand-Forward ở lớp vật lý) hoặc giải mã – chuyển tiếp (Decode-and-Forward ở lớp liên
kết dữ liệu). Kỹ thuật chuyển tiếp chia đƣờng truyền trực tiếp thành hai hoặc nhiều
đoạn truyền tín hiệu có chất lƣợng cao, hình thành lên một đƣờng truyền truyền dẫn đa
chặng giữa trạm gốc và ngƣời sử dụng đầu cuối, giúp khắc phục đƣợc những hạn chế
về vùng phủ và tốc độ truyền dữ liệu thấp do bị che chắn hoặc bị mất mát tín hiệu.
Các tín hiệu đƣợc phát đi thƣờng đƣợc mã hóa tại nguồn hoặc đƣợc mã hóa
trên kênh truyền. Nhƣng hiện nay, ngƣời ta áp dụng một phƣơng pháp để tăng thông
lƣợng truyền dữ liệu trong mạng rất hiệu quả đó là kỹ thuật mã hóa mạng (Network
coding) [5]. Với kỹ thuật này, các gói tín sẽ đƣợc xử lý và kết hợp tuyến tính từ các
nguồn khác nhau tại nút chuyển tiếp. Việc ứng dụng kỹ thuật mã hóa này giúp giảm số
pha thời gian truyền dữ liệu cần thiết so với phƣơng pháp lƣu trữ và chuyển tiếp theo
kiểu cũ. Từ đó làm tăng thông lƣợng của hệ thống, đồng thời cũng giúp giảm độ phức
tạp tính toán, tăng tính bảo mật của thông tin. Và khi thực hiện mã hóa mạng ở lớp vật
lý cho mạng vô tuyến ad-hoc còn giúp giảm pha thời gian truyền dữ liệu hơn nữa,
ngƣời ta gọi đó là kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding)
[6].
Chính vì vậy mà việc kết hợp hệ thống MIMO với các kỹ thuật truyền dẫn, mã
hóa và kết nối mạng vào các hệ thống truyền thông vô tuyến nhƣ mạng ad-hoc, mạng
tế bào di động,... là xu thế tất yếu của sự phát triển khoa học công nghệ. Để bắt kịp xu
hƣớng đó, thì việc nghiên cứu hệ thống truyền dẫn MIMO-SDM sử dụng PNC trên
kênh chuyển tiếp hai chiều [7] là một hƣớng nghiên cứu hấp dẫn và mang lại hiệu quả
cao trong tƣơng lai. Nhƣng hiện nay, việc nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn này mới
chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng trên máy tính mà chƣa có nghiên cứu khoa học
14 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
nào đƣợc triển khai trên phần cứng nhằm đánh giá hiệu năng sử dụng của hệ thống
trƣớc khi đƣa vào ứng dụng thực tế.
Với những lý do nêu trên, tôi đã lựa chọn đề tài Luận văn tốt nghiệp là: “Thiết
kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC ”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Hệ thống MIMO đƣợc biết đến nhƣ là một trong những cách hiệu quả nhất để
tăng dung lƣợng kênh truyền trong hệ thống thông tin vô tuyến [1], [8]. Có rất nhiều
bài báo khoa học, công trình nghiên cứu về cách cải tiến hệ thống này, trong đó có
một kỹ thuật rất nối tiếng là hệ thống không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc
của Bell Labs (V-BLAST: Vertical Bell Labs Layered Space Time) [4]. Hệ thống
MIMO-SDM này sử dụng ghép kênh phân chia theo không gian tại máy phát và sử
dụng bộ tách sóng tuyến tính nhằm loại bỏ sự can thiệp nhiễu tại máy thu, từ đó giúp
hệ thống đạt đƣợc độ lợi ghép kênh nhằm tăng hiệu quả trải phổ.
Ahlswede và đồng nghiệp đã giới thiệu kỹ thuật mã hóa mạng (NC) [5] trong
năm 2000 vào hệ thống truyền dẫn. Với kỹ thuật này, các nút mạng trung gian thay vì
chỉ lƣu trữ và chuyển tiếp dữ liệu theo phƣơng pháp truyền thống, mà nó sẽ có chức
năng tổ hợp các gói tin các gói tin từ đầu vào thành các gói tin ở đầu ra nhƣ các điểm
phát. Lúc này, hệ thống truyền dẫn với các nút mạng đƣợc coi là mạng phát đa điểm
với thông lƣợng cao hơn so với hệ thống truyền dẫn truyền thống. Nhƣ vậy, NC giúp
tổ hợp thông tin tại các nút mạng, tạo ra các gói tin mới, định tuyến lại đƣờng truyền
và đƣợc coi là một hình thức truyền thông hợp tác tại các nút mạng. Sau đó vào năm
2003, Li và các đồng nghiệp đã giới thiệu mã mạng tuyến tính (Linear Network
Coding) [18] mở rộng nghiên cứu về NC, đã cho thấy các mạng phát đa điểm chỉ cần
sử dụng mã tuyến tính là có thể đạt đƣợc thông lƣợng yêu cầu trong khi giảm độ phức
tạp của tính toán, giúp kỹ thuật này có thể triển khai vào thực tế.
Từ công trình nghiên cứu NC của Ahlswede và đồng nghiệp, đã tạo tiền đề cho
Zhang và các đồng nghiệp của mình nghiên cứu về mã hóa mạng lớp vật lý (Physical
layer Network Coding) [6] cho mạng vô tuyến ad-hoc vào năm 2006. Các nhà nghiên
có ý tƣởng chính là tạo ra các thiết bị tƣơng tự nhƣ NC nhƣng tại lớp vật lý đối với
15 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
việc thu và giải điều chế các tín hiệu dạng sóng thay cho các bit số. Bằng cách sử
dụng kỹ thuật điều chế và giải điều chế, các thành phần tín hiệu đƣợc ánh xạ thành các
bit dữ liệu. Từ đó PNC cho phép tăng thông lƣợng của hệ thống lên 100% so với
mạng truyền thống và 50% so với mạng NC thông thƣờng. PNC cho phép sử dụng
hầu hết các lý thuyết và các kỹ thuật đang đƣợc áp dụng cho NC đƣợc điều chỉnh để
áp dụng với chính nó. Điểm khác biệt giữa PNC và NC chính là việc mã hóa thông tin
sau khi thu đƣợc chúng từ các đầu vào. Khi có nhiều sóng điện từ trong cùng một
không gian vật lý thì chúng sẽ đƣợc cộng dồn với nhau, thông thƣờng thì việc trộn lẫn
các sóng điện từ này đƣợc coi là một hiện tƣợng gây nhiễu, nhƣng đồng thời nó cũng
đƣợc coi là một dạng mã hóa mạng vô tuyến [6]. PNC coi tính chất xếp chồng của tín
hiệu nhƣ một phép mã hóa tự nhiên, và nó lợi dụng mã hóa mạng tự nhiên ở dạng can
nhiễu vô tuyến thành có ích để dử dụng.
Sau những thành công của việc giới thiệu PNC, Zhang và các đồng sự tiếp tục
áp dụng PNC vào trong các hệ thống MIMO [9] để cải thiện thông lƣợng, hiệu quả sử
dụng phổ và giảm độ phức tạp tính toán. Hệ thống MIMO-PNC này trên kênh truyền
chuyển tiếp hai chiều sử dụng tách tín hiệu tuyến tính tại các nút trung gian để thu
đƣợc tín hiệu tốt với độ phức tạp thấp. Trong nghiên cứu này, các nút chuyển tiếp tạo
ra các thành phần tổng và hiệu của hai đầu vào từ hai nút đích, sau đó mã hóa chúng
thành các gói mã hóa mạng để chuyển tiếp. Trong [10] Chung và các cộng sự đề xuất
sử dụng bộ tách tín hiệu tuyến tính cƣỡng bức về không (ZF) và sai số bình phƣơng
trung bình tối thiểu (MMSE) cho tín hiệu điều chế biên độ cầu phƣơng QAM. Gần
đây, Zhang và cộng sự tiếp tục mở rộng nghiên cứu MIMO-PNC với bộ tách tín hiệu
không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST) tại nút
chuyển tiếp [11]. Nghiên cứu này đề xuất hai bộ tách sóng tuyến tính dựa trên phƣơng
pháp sử dụng tỷ lệ log-likelihood và kết hợp chọn lọc. Tất cả các hệ thống đề xuất này
chỉ xem xét trƣờng hợp các nút nguồn chỉ sử dụng một ăng-ten và do đó không đạt
đƣợc độ lợi ghép kênh.
Chính những điều trên, Hiệp và các cộng sự đã đề xuất ứng dụng kỹ thuật PNC
trong các hệ thống MIMO-SDM cho kênh chuyền chuyển tiếp hai chiều [7], [12] mà ở
đó, tất cả các nút nguồn đều có hai ăng-ten, trong khi nút chuyển tiếp có bốn ăng-ten.
16 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Các nút nguồn sử dụng MIMO-SDM để trao đổi dữ liệu của chúng thông qua nút
chuyển tiếp. MIMO-SDM cho phép truyền hai luồng dữ liệu song song, nên hệ thống
này đạt đƣợc độ lợi ghép kênh gấp đôi so với các hệ thống trong [9], [10], [11]. Hệ
thống thực hiện tách các ký hiệu mã hóa mạng nhờ sử dụng bộ tách sóng tuyến tính
kết hợp với luật quyết định dựa trên hàm log (Log-Likelihood Ratio) và kết hợp chọn
lọc đƣợc đề xuất trong [11] đƣợc mở rộng để đối phó với nhiễu đồng kênh (CCI) giữa
hai luồng dữ liệu phát. Hệ thống MIMO-SDM-PNC này có cùng độ phân tập với
MIMO-PNC trong [9] nhƣng lại đạt đƣợc gấp đôi độ lợi ghép kênh.
Cho tới tận bây giờ, có rất nhiều bài báo khoa học nghiên cứu thiết kế và thực
hiện các bộ tách sóng cho hệ thống MIMO trên FPGA [13], [14], [15], nhƣng vẫn
chƣa có công trình nghiên cứu nào xem xét và đánh giá thiết kế bộ tách sóng cho hệ
thống MIMO-SDM-PNC dựa trên thiết kế phần cứng, mà trong khi đó, đây là bƣớc rất
quan trọng trƣớc khi tiến hành sản xuất mạch tích hợp.
3. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là giải quyết thành công các vấn đề mà đã
đƣợc phân tích ở phần trƣớc, cụ thể là:
-
Đề xuất và thực hiện thiết kế hai bộ tách sóng tại nút đích cho truyền thông
MIMO-SDM trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC trên FPGA
dựa trên thuật toán tách sóng tuyến tính ZF và MMSE có độ phức tạp thấp và
khả năng ứng dụng thực tiễn.
-
Đánh giá hiệu quả thiết kế thông qua tài nguyên tiêu thụ, thông lƣợng và tốc độ
của hệ thống.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài nghiên cứu là:
-
Kênh vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.
-
Kỹ thuật truyền thông MIMO-SDM.
-
Kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý PNC.
-
Bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE và thiết kế thực hiện trên FPGA.
17 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
5. Các đóng góp của luận văn
Luận văn đã đạt đƣợc các kết quả nghiên cứu và đóng góp đề xuất mới và thực
hiện thiết kế hai bộ tách sóng tại nút đích cho truyền thông MIMO-SDM trên kênh
truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC trên FPGA có độ phức tạp thấp và khả
năng ứng dụng thực tiễn. Đề xuất mới này có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng
dụng cho việc sản xuất mạch tích hợp sau này.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn là sử dụng ngôn ngữ Verilog
để thiết kế kiến trúc hai bộ tách sóng trên Xilinx Virtex7-XC7VX690T FPGA. Xây
dựng mô hình kiểm tra kết quả tính toán trên FPGA bằng cách sử dụng phần mềm
Matlab để tạo các giá trị đầu vào ngẫu nhiên và so sánh kết quả tính toán đầu ra. Đánh
giá hiệu quả thiết kế thông qua tài nguyên tiêu thụ, thông lƣợng và tốc độ của hệ thống
bằng phần mềm ISE của Xilinx.
18 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Chƣơng I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO
1.1 Mô hình hệ thống MIMO
Trong thông tin vô tuyến, hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1]
là một phƣơng pháp tăng dung lƣợng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín
hiệu trên nhiều đƣờng khác nhau, bằng cách sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten đầu ra
(hình 1.1) [16]. MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông
không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G),
WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G),... và đây là một ứng cử viên sáng giá
cho thế hệ mạng viến thông tiếp theo (5G).
Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten ở
máy phát và máy thu nhƣ ở hình 1.1. Chuỗi tín hiệu phát { sn} đƣợc mã hóa theo cả
hai miền không gian (theo hƣớng các ăng-ten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không
gian thời gian (STE: SpaceTime Encoder). Tín hiệu sau khi đƣợc mã hóa không gianthời gian đƣợc phát đi nhờ N anten phát. Máy thu sử dụng phân tập thu với M ăng-ten
thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra,
và vì vậy, đƣợc gọi là kênh MIMO M x N. Để tránh ảnh hƣởng giữa các ăng-ten phát
hoặc giữa các ăng-ten thu với nhau thì khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử
ăng-ten ít nhất là một nửa bƣớc sóng.
19 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Ở đây, mỗi ăng-ten thu nhận đƣợc không chỉ các tín hiệu trực tiếp dành cho nó,
nhƣng cũng nhận đƣợc tín hiệu từ các đƣờng truyền khác. Nhƣ vậy, đáp ứng kênh
đƣợc thể hiện nhƣ một ma trận H. Đƣờng truyền trực tiếp hình thành giữa ăng-ten thứ
nhất ở máy phát và ăng-ten thứ nhất tại máy thu đƣợc đại diện bởi đáp ứng kênh h11,
tƣơng tự với các đƣờng truyền khác. Nhƣ vậy, ma trận kênh truyền có kích thƣớc M x
N.
Ma trận véc-tơ y nhận đƣợc ở máy thu đƣợc biểu diễn bằng công thức (1.1):
với các ma trận đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
*
+;
*
+;
[
];
*
+.
1.1.1 Dung lượng kênh MIMO
Dung lƣợng kênh truyền đƣợc định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa với một
xác suất lỗi tƣơng đối nhỏ nào đó. Đối với kênh truyền không sử dụng phân tập, có độ
lợi h, chịu ảnh hƣởng của tạp âm cộng trắng Gauss thì dung lƣợng kênh truyền có thể
đƣợc tính theo công thức Shannon nhƣ sau [17]:
| |
[
]
trong đó, W là băng tần của kênh truyền tính bằng Hz và | | chính là tỉ số tín
hiệu trên tạp âm (SNR) tại đầu vào máy thu. Từ công thức (1.2) chúng ta thấy rằng
với một kênh vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không
gian (SISO: Single Input Single Output) thì dung lƣợng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở
đầu vào máy thu theo luật logarith. Vì vậy, muốn tăng dung lƣợng kênh truyền thì chỉ
có cách tăng công suất phát. Tuy nhiên, do mối quan hệ logarith nên dung lƣợng kênh
truyền SISO tăng rất chậm.
MIMO đƣợc đề xuất để khắc phục hạn chế về dung lƣợng kênh truyền của các
hệ thống SISO. Với N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, trong môi trƣờng pha-đinh
20 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
Rayleigh giàu tán xạ và biến đổi chậm, kênh MIMO N x M nhƣ ở hình 1.1, cho phép
đạt đƣợc dung lƣợng kênh truyền:
,
(
)
Xem xét công thức (1.3), chúng ta thấy rằng dung lƣợng của kênh MIMO tăng
tuyến tính theo số ăng-ten phát hoặc thu và có thể đạt đến r = min(M,N) lần dung
lƣợng của một kênh truyền SISO.
1.1.2 Các phương pháp truyền dẫn MIMO
Kết quả nghiên cứu về dung lƣợng kênh truyền MIMO đã thúc đẩy một làn
sóng nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn nhằm đạt đƣợc dung lƣợng lý thuyết mong
muốn. Tiếp theo công trình chung với Gans, Foschini [16] đề xuất một hệ thống
truyền dẫn theo lớp kết hợp với mã hóa nhằm đạt đƣợc dung lƣợng kênh truyền mong
muốn nhƣ kết quả ở công thức (1.3). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Foschini [16]
cho thấy dung lƣợng kênh truyền MIMO ở (1.3) thực tế chỉ là một đƣờng giới hạn
trên có thể đạt đƣợc nhờ kết hợp các phƣơng pháp mã hóa và thuật toán có độ phức
tạp hay giữ chậm không có giới hạn. Vì vậy, để có đƣợc các hệ thống truyền dẫn
MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các công trình nghiên cứu về MIMO
đã tập trung vào việc đề xuất các phƣơng pháp truyền dẫn thỏa mãn đƣợc sự cân bằng
giữa độ lợi thu đƣợc từ kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết. Các phƣơng pháp truyền
dẫn này có thể phân loại thành hai nhóm sau:
-
Ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing):
Phƣơng pháp này tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng cách
truyền đồng thời một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các ăng-ten phát và sử
dụng các máy thu có độ phức tạp thấp để duy trì tỉ số lỗi bít cho phép.
-
Mã hóa không gian thời gian (STC: Space-Time Coding): Khác với phƣơng
pháp ghép kênh theo không gian, mã không gian-thời gian kết hợp việc mã hóa
giữa các luồng tín hiệu để tối đa hóa độ tăng ích phân tập (diversity gain) nhằm
giảm thiểu tỉ số lỗi bít (BER).
21 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
1.1.3 Ghép kênh chia theo không gian
Hình 1.2 Sơ đồ phân kênh theo không gian
Nguyên lý của phƣơng pháp phân kênh theo không gian rất đơn giản [16]: ở
máy phát (Tx), luồng tín hiệu phát đƣợc chia nhỏ (DEMUX) thành N luồng nhỏ sn(t)
và truyền đồng thời qua N ăng-ten phát. Tại máy thu, các luồng tín hiệu sẽ đƣợc tách
riêng ra rồi ghép lại (MUX) với nhau. Phƣơng pháp phân kênh theo không gian này
đƣợc mô tả ở hình 1.2. Do tín hiệu phát từ ăng-ten khác nhau nên việc tách tín hiệu
của mỗi luồng phát ở máy thu sẽ chịu ảnh hƣởng nhiễu đồng kênh từ các luồng còn
lại. Vì vậy, máy thu cần sử dụng một bộ tách tín hiệu tốt có khả năng cung cấp tỉ số
lỗi bít (BER) thấp, đồng thời lại không yêu cầu quá cao về độ phức tạp tính toán. Do
máy phát sử dụng ở phƣơng pháp phân kênh theo không gian này chỉ đơn thuần là một
bộ phân kênh, các nghiên cứu về MIMO-SDM đều tập trung vào việc thiết kế bộ tách
tín hiệu ở máy thu.
1.1.4 Mã hóa Không gian – Thời gian
Mã hóa không gian-thời gian là phƣơng pháp mã hóa cho các hệ thống phân
tập phát. Phƣơng pháp mã hóa không gian-thời gian đƣa đồng thời tƣơng quan trong
cả hai miền không gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách
tín hiệu ở máy thu nhằm đạt đƣợc độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa. Mã
không gian-thời gian có thể đƣợc phân loại thành hai loại: mã khối không gian-thời
gian (STBC: Space-Time Block Code) và mã lƣới không gian-thời gian (STTC:
Space-Time Trellis Code). Mã STBC có ƣu điểm thiết kế và giải mã đơn giản. Tuy
22 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
nhiên, mã STBC lại chỉ cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cung cấp độ lợi mã
hóa. Ngƣợc lại, mã STTC cho phép thu đƣợc cả độ lợi phân tập và mã hóa, nhƣng
việc thiết kế và giải mã lại phức tạp. Trong các sơ đồ mã hóa không gian-thời gian thì
phƣơng pháp STBC do Alamouti đề xuất năm 1998 đƣợc đánh giá là phƣơng pháp
hiệu quả nhất [17]. Phƣơng pháp của Alamouti sử dụng phƣơng pháp mã hóa và giải
mã đơn giản, tuy nhiên lại cho phép đạt đƣợc đầy đủ cả tốc độ mã và độ phân tập cho
các bộ tín hiệu phức.
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti
Hình 1.3 mô tả cấu hình một hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti
sử dụng hai ăng-ten phát và hai ăng-ten thu. Số lƣợng ăng-ten phát bị giới hạn bằng N
= 2 trong khi số ăng-ten phát M có thể tăng lên bất kỳ để thu đƣợc độ lợi phân tập tốt
hơn. Nguyên lý, mã hóa của Alamouti nhƣ sau: tại thời điểm k , ăng-ten phát thứ nhất
phát đi sk trong khi ăng-ten phát thứ hai phát đi sk+1, với dấu * biểu diễn phép toán lấy
liên hợp phức. Tại thời điểm tiếp theo, ăng-ten phát thứ nhất phát đi –s*k+1, trong khi
anten phát thứ hai phát đi s*k. Do tín hiệu phát đi từ hai ăng-ten phát trực giao với
nhau nên việc giải mã đƣợc đơn giản hóa nhờ sử dụng các bộ kết hợp (combiner)
tuyến tính kết hợp với tách tín hiệu hợp lẽ tối đa (MLD: Maximum Likelihood
Detector).
23 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
1.2 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính
Dựa theo tính chất tuyến tính của phƣơng pháp tách tín hiệu, các bộ tách tín
hiệu MIMO-SDM đƣợc phân loại thành hai nhóm lớn là các bộ tách tín hiệu tuyến
tính và các bộ tách tín hiệu phi tuyến (hình 1.4) [16]:
Các bộ tách tín hiệu
MIMO-SDM
Tách tín hiệu tuyến
tính MMSE, ZF
Tách tín hiệu phi
tuyến ML, SD, QRD
Tách tín hiệu kết hợp SIC,
PIC, ML-MMSE
Hình 1.4 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM
Các bộ tách tín hiệu tuyến tính tiêu biểu bao gồm: Bộ tách tín hiệu ZF (ZeroForcing: cƣỡng bức bằng không) và bộ tách tín hiệu MMSE (Minimum Mean-Square
Error: sai số bình phƣơng tối thiểu). Ƣu điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính này
là có độ phức tạp tính toán thấp và dễ thực hiện nhờ thuật toán thích nghi phổ biến
nhƣ LMS (Least Mean Square: bình phƣơng trung bình nhỏ nhất), RLS (Recursive
Least Square: bình phƣơng nhỏ nhất qui hồi),… Nhƣợc điểm của các bộ tách tín hiệu
tuyến tính này là phẩm chất tách tín hiệu (tỉ số lỗi bít) đạt đƣợc tƣơng đối thấp, đặc
biệt là khi sử dụng số lƣợng ăng-ten phát lớn. Gần đây, nhờ việc áp dụng với thuật
toán lattice-reduction các bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE có thể đạt đƣợc tỉ
số lỗi bít (BER) gần tối tƣu, trong khi độ phức tạp tính toán hầu nhƣ không đổi.
Ngƣợc lại với các bộ tách tín hiệu tuyến tính thì các bộ tách tín hiệu phi tuyến
có ƣu điểm là có phẩm chất BER tốt hơn, nhƣng lại phải chịu nhƣợc điểm về độ phức
tạp tính toán lớn. Trong các bộ tách tín hiệu phi tuyến, bộ tách tín hiệu ML (Maximum
Likelihood: hợp lệ cực đại) là bộ tách tín hiệu tối ƣu, tức là có phẩm chất BER tốt
24 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ sĩ2016
nhất. tuy nhiên, độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu ML lại lớn nhất (biến thiên
theo hàm mũ), vì vậy, bộ tách tín hiệu này rất ít khi đƣợc sử dụng trong thực tế. Gần
đây, các nhà nghiên cứu đã đề xuất áp dụng thuật toán giải mã cầu (sphere decoding)
vào bộ tách tín hiệu ML nhằm giảm độ phức tạp tính toán của nó đến mức có thể áp
dụng đƣợc trong thực tế. Các bộ tách tín hiệu sử dụng thuật toán giải mã cầu, gọi tắt là
các bộ tách tín hiệu SD, hiện tại đang là các bộ tách tín hiệu đƣợc đánh giá là có triển
vọng nhất do chúng có phẩm chất nhƣ bộ tách tín hiệu tối ƣu ML trong khi lại có độ
phức tạp tính toán biến thiên theo đa thức.
Xét một cách tổng quát thì vào thời điểm mà yêu cầu về độ tính toán thấp vẫn
là quan trọng nhƣ hiện nay thì các bộ tách tín hiệu tuyến tính có ƣu điểm hơn và
thƣờng đƣợc áp dụng trong thực tế nhiều hơn. Chính vì vậy, mà trong luận văn này,
tôi chỉ tập trung nghiên cứu vào các bộ tách tín hiệu tuyến tính.
Phần lõi của một bộ tách tín hiệu tuyến tính là bộ kết hợp tuyến tính biểu diễn
bởi ma trận trọng số (weight matrix) W (hình 1.5). Dựa trên ma trận trọng số này, vétơ tín hiệu ƣớc lƣợng đƣợc ̂ là kết quả của phép kết hợp (nhân) tuyến tính giữa véc-tơ
tín hiệu thu y và ma trận trọng số W:
̂
Hình 1.5 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM
Các giá trị ƣớc lƣợng đƣợc ̂ này sau đó sẽ đƣợc đƣa qua một bộ quyết định để
lựa chọn đầu ra cho bộ tách tín hiệu:
25 Lê Doãn Thiện
