Giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống MIMO MC CDMA quy mô lớn (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DOÃN THANH BÌNH

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
MIMO-MC-CDMA QUY MÔ LỚN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DOÃN THANH BÌNH

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
MIMO-MC-CDMA QUY MÔ LỚN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN HỮU TRUNG

Hà Nội – 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa
từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và
trung thực.
Giáo viên hướng dẫn khoa học

Hà Nội, ngày…..tháng….năm 2017
Tác giả luận án

PGS. TS Nguyễn Hữu Trung

Doãn Thanh Bình

i


LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sỹ này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Bộ môn Điện tử hàng không
vũ trụ, Viện Điện tử viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học
của PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung. Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối
với Thầy về định hướng khoa học, chỉ dẫn thực hiện những nhiệm vụ cần thiết cũng như
tạo mọi điều kiện thuận lợi để công trình nghiên cứu này được hoàn thành.
Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, trường Đại học Điện lực, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ
môn Điện tử hàng không vũ trụ và Phòng Khảo thí đảm bảo chất lượng đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã thông cảm, động viên giúp đỡ
nghiên cứu sinh có thêm nghị lực để hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

DOÃN THANH BÌNH

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ..................................................................... xi
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 6
1.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................... 6
1.2 Mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn. ................................................... 6
1.2.1 Hệ thống MIMO .................................................................................................. 6
1.2.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn ............................................................................. 11
1.2.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ............................................. 14
1.2.4 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MC-CDMA............... 15
1.2.4 Hệ thống MIMO-MC-CDMA ........................................................................... 17
1.3 Vấn đề giao thoa đa truy nhập trong các hệ thống MIMO-MC-CDMA ................... 20
1.4 Các giải pháp đã được đề xuất .................................................................................. 21
1.4.1 Giải pháp tiền mã hóa ........................................................................................ 21
1.4.2 Giải pháp dùng mã CI ........................................................................................ 22
1.4.3 Giải pháp tại bộ thu MIMO đa người dùng và ước lượng kênh ........................ 24
1.4.4 Giải pháp dùng mã hóa không gian-thời gian .................................................... 28

1.4.5 Những vấn đề còn tồn tại ................................................................................... 30
1.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 31
CHƢƠNG 2 ĐỀ XUẤT KIẾN TRÚC ĐỊNH HƢỚNG ĐA BÚP SÓNG THEO LÝ
THUYẾT HỆ THỐNG...................................................................................................... 32
2.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................. 32
2.2 Mô hình hệ thống ...................................................................................................... 33
2.2.1 Mô hình tín hiệu ................................................................................................. 33
2.2.2 Định hướng búp sóng tối ưu thống kê ............................................................... 36
2.3 Đề xuất định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống ......................................... 41
2.3.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................... 41
2.3.2 Giải bài toán ....................................................................................................... 41
2.3.3. Phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí Min-Max ...................................... 43
2.4 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 44
2.4.1 Phương pháp mô phỏng ..................................................................................... 44
2.4.2 Các kịch bản và kết quả mô phỏng .................................................................... 45
2.4.3 Đánh giá kết quả ................................................................................................ 52

iii


2.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 53
CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG MIMOCDMA ĐA SÓNG MANG QUY MÔ LỚN .................................................................... 54
3.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................. 54
3.2 Cơ sở toán học ........................................................................................................... 55
3.2.1 Phân tích giá trị kỳ dị tổng quát-GSVD ............................................................. 55
3.2.2 Nghịch đảo suy rộng .......................................................................................... 56
3.3 Mô hình hệ thống ...................................................................................................... 56
3.3.1 Mô hình hệ thống MIMO kết hợp xử lý GSVD ................................................ 56
3.3.2 Hệ thống MIMO-CDMA đa sóng mang quy mô lớn kết hợp xử lý GSVD ...... 57
3.3.3 Mô hình kênh MIMO ......................................................................................... 61

3.3.4 Giải mã bằng giải thuật zero-forcing ................................................................. 64
3.4 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 66
3.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 70
CHƢƠNG 4 ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG ĐA TRUY NHẬP MIMO MC – CDMA QUY
MÔ LỚN HỖN HỢP ĐỊNH HƢỚNG ĐA BÚP SÓNG VÀ GHÉP KÊNH KHÔNG
GIAN ................................................................................................................................... 71
4.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................. 71
4.2 Mô hình hệ thống ...................................................................................................... 72
4.2.1 Mô hình tín hiệu và bộ phát ............................................................................... 72
4.2.2 Mô hình định hướng đa búp sóng ...................................................................... 74
4.2.3 Mô hình kênh ..................................................................................................... 75
4.3 Tách đa người dùng ................................................................................................... 77
4.3.1 Kết hợp độ khuếch đại bằng nhau EGC ............................................................. 78
4.3.2 Cưỡng bức không ZF ......................................................................................... 78
4.3.3 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại MRC .......................................................... 79
4.4 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 79
4.4.1 Mô phỏng đánh giá hiệu năng của hệ thống ...................................................... 80
4.4.2 Mô phỏng xây dựng đồ thị búp sóng của các thuật toán định hướng búp sóng 86
4.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 89
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 90
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .......................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 92

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO ...................................................................................... 7
Hình 1.2. Mô hình hệ thống MIMO quy mô lớn ................................................................. 12
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống CDMA ................................................................................ 14

Hình 1.4. Nguyên tắc chung của MC-CDMA ..................................................................... 15
Hình 1.5. Bộ phát MC-CDMA ............................................................................................ 16
Hình 1.6. Bộ thu MC-CDMA .............................................................................................. 17
Hình 1.7. Mô hình bộ phát MIMO-MC-CDMA ................................................................. 18
Hình 1.8. Mô hình thu tín hiệu ............................................................................................ 20
Hình 1.9. Khái niệm về kỹ thuật CI..................................................................................... 23
Hình 1.10 .Cấu trúc bộ thu MIMO đa người dùng tiêu chuẩn ............................................ 26
Hình 1.11. Sơ đồ khối mã không gian-khời gian ................................................................ 29
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống MIMO và mã không gian thời gian .......................................... 30
Hình 2.1. Hệ định hướng búp sóng...................................................................................... 34
Hình 2.2 Bộ định hướng Frost beamformer ........................................................................ 39
Hình 2.3. Cầu hình của anten mảng ULA ........................................................................... 45
Hình 2.4. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SNR thay đổi từ -30 ÷10dB ......................... 47
Hình 2.5. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SIR thay đổi ................................................. 49
Hình 2.6. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi góc sai lệch giữa hướng ............................... 50
sóng tới của tín hiệu và của can nhiễu thay đổi ................................................................... 50
Hình 2.7. Đồ thị biến thiên của NRMSE theo số lượng anten ........................................... 52
Hình 3.1.Mô hình hệ thống GSVD-MIMO ......................................................................... 57
Hình 3.2.Sơ đồ khối bộ phát MIMO - CDMA .................................................................... 57
Hình 3.3.Sơ đồ khối bộ thu MIMO - CDMA ...................................................................... 57
Hình 3.4. Cấu hình hệ thống gồm một BTS và hai người sử dụng U1 và U2 ...................... 61
Hình 3.5. Bộ phát MIMO-MC-CDMA kết hợp thuật toán GSVD ...................................... 62
Hình 3.6. Bộ thu MIMO-MC-CDMA kết hợp thuật toán GSVD ....................................... 62
Hình 3.7. So sánh dung lượng hệ thống MIMO-MC-CDMA (a) sử dụng phương pháp
GSVD, (b) SVD, (c) so sánh hai phương pháp với cấu hình MIMO 128x16. .................... 68
Hình 3.8. Mô phỏng tỉ lệ lỗi BER với hệ thống MIMO-MC-CDMA có sử dụng tiền mã hóa
............................................................................................................................................. 69
Hình 4.1. Mô hình hệ thống MIMO MC-CDMA quy mô lớn đề xuất ................................ 74

v

Hình 4.2.Mô hình bộ cân bằng MIMO và bộ tách MUD tại phía thu ................................. 77
Hình 4.3. Đồ thị xác suất lỗi bit (BER) theo SNR .............................................................. 81
Hình 4.4. Đồ thị xác suất lỗi bit BER theo số lượng người dùng........................................ 83
Hình 4.5. Đồ thị xác suất lỗi bit BER theo số lượng anten. ................................................ 84
Hình 4.6. Đồ thị xác suất lỗi bit BER theo công suất can nhiễu đa truy nhập MAI............ 86
Hình 4.7. Đồ thị búp sóng của thuật toán MVDR. .............................................................. 87
Hình 4.8. Đồ thị búp sóng của thuật toán LCMV. .............................................................. 87
Hình 4.9. Đồ thị búp sóng của thuật toán Frost. .................................................................. 88
Hình 4.10. Đồ thị búp sóng của thuật toán tối thiểu hóa búp song phụ bằng phương pháp
Min-Max .............................................................................................................................. 88

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ....... 46
Bảng 2.2. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi ......... 48
Bảng 2.3. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi ......... 49
Bảng 2.3. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi thay đổi số lượng anten ...........51
Bảng 4.1. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ............. 80
Bảng 4.2. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ............. 82
Bảng 4.3. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi số lượng anten thay đổi .......83
Bảng 4.4. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ............. 85

vii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

The Third Generation Partnership Project

Dự án của đối tác thế hệ thứ 3

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BC

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BIBO

Bounded Input-Bounded Output

Giới hạn đầu vào - giới hạn đầu ra

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CAGR

Compound Annual Growth Rate

Tốc độ tăng trưởng hàng năm

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CI

Channel Interference

Nhiễu kênh

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến thông minh

CSI

Channel State Information

Trạng thái kênh

CSIR

Co-Channel Interference Receiver

Nhiễu đồng kênh thu

CSIT

Co-Channel Interference Transmit

Nhiễu đồng kênh phát

DPC

Dirty Paper Coding

Mã hóa giấy bẩn

DS-CDMA

Direct-Sequence Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
trải phổ chuỗi trực tiếp

DSP

Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số

3GPP
A
AWGN
B

C

D

E
EB

Exabytes

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp độ khuếch đại cân bằng

FDMA

Frequency-Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

Generalized Singular Value
Decomposition

Phân tích giá trị kỳ dị tổng quát

F

G
GSVD

viii


H
HDTV

High-Definition Television

Truyền hình độ nét cao

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược

INR

Interference to Noise Ratio

Tỷ số can nhiễu trên nhiễu

IoT

Internet of Things

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

IPTV

Internet Protocol Television

Truyền hình giao thức Internet

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên ký hiệu

ISR

Interference to Signal Ratio

Tỷ số can nhiễu trên tín hiệu

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

LCMV

Linearly Constrained Minimum Variance

Beamforming

Tối thiểu hóa phương sai có ràng
buộc tuyến tính

LS-MIMO

Large Scale-Multiple Input Multi Output

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra quy mô lớn

LS-MIMOMC-CDMA

Large Scale-Multiple Input Multiple
Output Multi-Carrier Code-Division
Multiple Access

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra quy mô lớn kết hợp đa truy
nhập phân chia theo mã đa sóng
mang

LTE-A

Long Term Evolution Advanced

Hệ thống thông tin dài hạn đã
nâng cấp

M
M2M

Machine to Machine

Máy đến máy

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MC-CDMA

Multi-Carrier Code-Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
đa sóng mang

MC-SSMA

Multi-Carrier Spread Spectrum Multiple
Access

Đa truy nhập phổ rộng đa sóng
mang

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MLSE

Minimal Least-Square Errors

Sai số bình phương tối thiểu

MMSE

Minimum Mean Squared Error

Sai số bình phương trung bình tối
thiểu

MRC

Maximum Ratio Combining

Kết hợp tỷ số cực đại

MUD

Multi User Detector

Bộ tách đa người dùng

MRT

Maximum Ratio Transmit

Phát tỷ số cực đại

MU-MIMO

Multi User- Multiple Input Multiple
Output

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra đa người dùng

MVDR

Minimum Variance Distortionless
Response

Đáp ứng phương sai tối thiểu
không méo dạng

I

L

ix


N

Normalized Root Mean Square Error

Sai số toàn phương trung bình
chuẩn hóa.

Open Systems Interconnection Reference
Model

Mô hình tham chiếu kết nối các hệ
thống mở

Probability-Density-Function

Hàm mật độ xác suất

QAM

Quadrature amplitude modulation

Điều chế pha cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RMSE

Root-Mean-Square Error

Sai số toàn phương trung bình

SDMA

Space-Division Multiple-Access

Đa truy nhập phân chia theo
không gian

SGA

Standard Gaussian Approximation

Xấp xỉ Gauss tiêu chuẩn

SHF

Super High Frequency

Tần số siêu cao

SISO

Single Input Single Output

Đơn đầu vào đơn đầu ra

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SSMA

Spread Spectrum Multiple Access

Đa truy nhập trải phổ

STBC

Space – Time Block Code

Mã khối không gian - thời gian

STC

Space - Time Code

Mã không gian - thời gian

STTC

Space – Time Trellis Code

Mã lưới không gian - thời gian

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

UCA

Uniform Circular Array

Dàn anten đồng dạng tròn đều

UHF

Ultra High Frequency

Tần số cực cao

ULA

Uniform Linear Array

Dàn anten đồng dạng tuyến tính

URA

Uniform Rotation Array

Dàn anten đồng dạng xoay đều

Vector Perturbation

Vector nhiễu loạn

Zero Forcing

Cưỡng bức không

NRMSE
O
OSI
P
PDF
Q

R

S

T
TDMA
U

V
VP
Z
ZF

x


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu

Ý nghĩa

A

Ma trận nghịch đảo suy rộng của ma trận A

A*

Ma trận chuyển vị phức của ma trận A

H-

Ma trận nghịch đảo của ma trận H

PG

Chiếu trực giao lên không gian không

xˆ

Ước lượng của x

x t 

Vi phân của x  t 

E 
.

Trị trung bình hay kỳ vọng

wH

Ma trận Hermite

Wki

Trọng số của bộ lọc phối hợp.



Ma trận đường chéo

xi


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
1.1. Mạng thông tin vô tuyến đƣơng đại và những thách thức
Quá trình phát triển mạng thông tin đáp ứng đích “Ba bất kỳ” (any time, any where,
any form) không đồng đều trên phạm vi toàn cầu; phụ thuộc vào trình độ khoa học, công
nghệ và tiềm lực kinh tế của mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ. Tuy nhiên, mạng thông tin vô
tuyến đang thực hiện truyền thông giữa người - người, giao tiếp người - máy, liên kết tích

hợp máy - máy (M2M) qua các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện tốc độ cao.
Cùng với sự bùng nổ về số lượng các thiết bị thông minh, sự hội tụ của lĩnh vực
IoT, rất nhiều thiết bị được kết nối, tương tác thời gian thực, dẫn đến khái niệm “Xã hội kết
nối - Networked Society”. Cụ thể, lưu lượng dữ liệu đa phương tiện truyền qua mạng
thông tin di động tăng đột biến (dữ liệu lưu lượng di động toàn cầu tăng 0,82 exabytes
tương đương 81% trong 2013, dự báo tăng 11 lần từ năm 2013 đến 2018 ứng với mức tăng
trưởng 61% hàng năm, ước tính đạt 15,9 EB mỗi tháng) [18], và sự dịch chuyển từ lưu
lượng thoại sang các dịch vụ và ứng dụng dựa trên dữ liệu đang diễn ra mạnh mẽ bởi sự
tăng trưởng vượt bậc ở số lượng các thiết bị di động thông minh.
Nguồn tài nguyên phổ vô tuyến lại rất hạn chế (hầu như phổ tần số vô tuyến có sẵn
đã được phân bổ cho ứng dụng khác nhau) gây ra sự khan hiếm phổ tần [42, 101]. Điều đó,
đòi hỏi các kiến trúc của thiết bị, mạng phải có sự cải thiện về hiệu quả sử dụng phổ và sử
dụng năng lượng. Và, mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (the Fourth Generation, 4G,
cellular communication network) dựa trên chuẩn Long Term Evolution Advanced (LTE-A)
phát triển bởi the Third Generation Partnership Program (3GPP) được xác nhận đang cải
thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ (các mạng hiện nay đã đạt tới ngưỡng lý thuyết, đặc
biệt trong các khu vực đông dân cư) [4, 32, 43].

1.2. Về sự phát triển thông tin di động tƣơng lai
Trong các tài liệu chuyên ngành có hai hướng căn bản để tăng dung lượng của
mạng vô tuyến di động là tăng hiệu suất sử dụng phổ và tăng băng thông khả dụng của hệ
thống. Tuy nhiên, các hệ thống thông tin di động hiện nay đang sử dụng dải tần UHF từ
450MHz đến 3GHz, gần như đã được cấp phép cho các ứng dụng. Một trong các giải pháp
đang được phát triển hiện nay nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ là truyền thông kết hợp
trên nền Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio, CR). Đây là hệ thống vô tuyến xây dựng
trên cơ sở hệ thông minh tương tự hệ truyền thông đa bước không dây, có khả năng quản
lý phổ tần động, ước lượng và thay đổi thông số cấu hình hệ truyền thông thứ cấp (không
đăng ký) trên cơ sở những hiểu biết về các kênh vô tuyến lân cận để tận dụng phổ tần của
hệ thống truyền thông đã được cấp phép (sơ cấp). Tuy có sự cải thiện đáng kể hiệu quả sử
dụng phổ tần về mặt phân tích tín hiệu trên lớp truyền dẫn (mô hình OSI), nhưng truyền

1


thông trên nền vô tuyến nhận thức chưa minh chứng về khả năng ứng dụng trong hệ thống
thông tin di động tương lai vì sự phức tạp trong hiện thực hóa hệ thông minh [16, 99].
Bên cạnh việc tận dụng thông minh nguồn phổ tần có sẵn, nhiều nghiên cứu tiến
hành trên cơ sở khai thác băng tần mm (từ 3-300GHz) [6, 22, 86, 115], lớn hơn nhiều so
với băng tần của hệ thống 3G/4G. Việc sử dụng băng tần lớn, bước sóng ngắn hơn nhiều,
công nghệ mm cho phép sử dụng số lượng lớn những phần tử anten trong kích thước nhỏ.
Và, vùng bao phủ của bước sóng mm nhỏ hơn đáng kể so với vùng bao phủ của hệ thống
3G/4G, dẫn đến công nghệ kiến trúc cell nhỏ.

1.3. Hệ thống CDMA đa sóng mang và truyền dẫn (lớp vật lý) nhiều
chiều
Hệ thống Đa truy nhập phân chia theo mã - Đa sóng mang (Multicarrier-Code
division multiple access, MC-CDMA) là sự kết hợp kỹ thuật CDMA với điều chế đa sóng
mang nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ truyền dẫn, tính bền vững với pha-đinh chọn lọc tần
số, sử dụng băng thông hiệu quả cho các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo [7, 56,
83, 90, 91]. Bên cạnh đó, kỹ thuật nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) sử dụng kiến trúc
đa anten ở cả phía phát và phía thu, bổ sung chiều không gian, tăng bậc tự do hệ thống,
khai thác độ khuếch đại phân tập, nâng cao tốc độ cũng như dung lượng hệ thống. Điều chế
đa sóng mang thực hiện điều chế các luồng dữ liệu song song tốc độ thấp trên các sóng
mang con làm giảm giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) gây ra trong môi trường pha-đinh
Rayleigh và dễ dàng hiện thực hóa trên DSP [5, 9, 112]. Hệ thống MIMO MC-CDMA khai
thác triệt để sự phân tập lần lượt theo không gian, tần số và theo mã, nâng cao dung lượng
do sử dụng kỹ thuật MIMO đối với thông tin đa người dùng ở đường xuống điểm-đa điểm
được thực hiện nhờ phương thức ghép kênh theo không gian (spatial multiplexing) [70].
Trạm BTS sử dụng nhiều anten có thể truyền đồng thời các luồng thông tin độc lập tới một
số thiết bị di động ở các vị trí khác nhau (hiện hệ thống 4G LTE cho phép tới tám phần tử

anten tại trạm gốc; nhà điều hành NTT Docomo đã thử nghiệm thành công truyền dẫn gói
dữ liệu đường lên ở tốc độ 10Gbps, cấu hình hệ thống MIMO-(16x8) [95]). Vậy, nhằm
nâng cao hiệu quả phổ và hiệu quả năng lượng, đáp ứng sự tăng trưởng lưu lượng trong bối
cảnh khan hiếm phổ tần, hệ thống thông tin di động sẽ phải sử dụng công nghệ MIMO quy
mô lớn (LS-MIMO) với số lượng lớn các phần tử anten.
Có thể xem LS-MIMO là công nghệ truyền dẫn lớp vật lý nhiều chiều có số chiều
lớn (high multi-dimensional) ở miền không gian (spatial domain), thì công nghệ truyền
thông sóng millimet (mm) đạt nhiều chiều ở miền tần số. Và, hệ thống thông tin di động
tương lai sẽ được xây dựng trên cơ sở công nghệ LS-MIMO, truyền sóng mm, công nghệ
cell nhỏ [30, 60, 65, 85]. Vậy, nghiên cứu, đặc trưng hóa hệ thống thông tin di động đương
đại, đề xuất kiến trúc mô hình trên cơ sở mở rộng quy mô hệ thống và đề xuất các giải

2


pháp tương ứng nhằm nâng cao hiệu năng, tính bền vững của hệ thống có tính cấp thiết
phục vụ phát triển hệ thống thông tin di động tương lai.

2. Tính cấp thiết của đề tài
Mạng thông tin di động đang trong quá trình phát triển nhanh chóng với tầm nhìn
đa kết nối, đa tương tác thời gian thực, hỗ trợ các dịch vụ di động tốc độ siêu cao, dung
lượng siêu cao. Trong đó, các hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) quy mô lớn kết hợp
với phương thức điều chế đa sóng mang, đa truy nhập theo mã đóng vai trò rất quan trọng
trong việc tối ưu tín hiệu trước khi truyền, tăng hiệu suất trong khi truyền, khôi phục tín
hiệu tối ưu tại bộ thu, khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao trong môi trường đa đường
(chẳng hạn, trong môi trường indoor),…
Độ phức tạp do mối quan hệ tương hỗ giữa các khâu của quá trình xử lý tín hiệu
của hệ MIMO quy mô lớn tăng theo số lượng các anten; nhất là khi hệ thống làm việc
trong môi trường thay đổi phức tạp, nhiễu động và phải thỏa hiệp giữa hiệu năng của hệ
thống với chất lượng phục vụ (QoS) người dùng. Từ đó, việc tối ưu hóa hệ thống thực hiện

riêng rẽ theo tiêu chí, phân đoạn theo các khâu, thường không dẫn đến kết quả tối ưu như
mong muốn. Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một mô hình mang tính tổng quát theo lý
thuyết hệ thống để phát triển hệ thống MIMO quy mô lớn kết hợp với phương thức điều
chế đa sóng mang, đa truy nhập theo mã ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động thế
hệ sau.

3. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm vào các mục tiêu chính sau đây:


Nghiên cứu đề xuất mô hình định hướng đa búp sóng quy mô lớn ứng dụng cho các
hệ thống thông tin di động thế hệ sau.



Nghiên cứu đề xuất thuật toán tối ưu chất lượng hệ thống MIMO-MC-CDMA quy
mô lớn.



Nghiên cứu phát triển kiến trúc, mô hình hệ thống truyền dẫn cho hệ MC-CDMA
nhiều đầu vào nhiều đầu ra với số lượng lớn anten (LS-MIMO) và mô hình toán
học tương ứng nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ dưới tác động của nhiễu đa
anten và nhiễu đa người dùng.

3.2. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của công trình này tập trung chủ yếu vào mô hình hệ thống
MC-CDMA nhiều đầu vào nhiều đầu ra quy mô lớn (LS-MIMO-MC-CDMA) và các thuật
toán cải thiện hiệu năng phục vụ các hệ thống thông tin di động thế hệ sau.

3


3.3. Phạm vi nghiên cứu


Nghiên cứu các kiến trúc và mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn áp
dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ sau.



Nghiên cứu các thuật toán trên cơ sở các kiến trúc và mô hình đề xuất để nâng cao
hiệu năng hệ thống dựa trên lý thuyết hệ thống và tiêu chí tối ưu đa biến.

3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng
mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kết hợp với đánh giá hiệu năng của hệ thống thông
qua mô phỏng trên máy tính.

4. Các đóng góp khoa học của luận án


Đề xuất mô hình định hướng đa búp sóng quy mô lớn theo lý thuyết hệ thống trên
cơ sở mô hình giảm bậc ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ sau.



Đề xuất cấu trúc mô hình hệ thống MIMO-CDMA đa sóng mang quy mô lớn trên
cơ sở phân tích giá trị kỳ dị tổng quát (nghịch đảo suy rộng) nhằm tối ưu chất lượng

hệ thống.



Đề xuất kiến trúc MIMO-MC-CDMA quy mô lớn (LS) áp dụng cho hệ thống thông
tin di động thế hệ sau sử dụng cấu trúc anten mảng trụ kết hợp tiền mã hóa định
hướng búp sóng phát theo mỗi mode riêng tổng quát và ghép kênh theo không gian.



Đề xuất thuật toán hỗn hợp tiền mã hóa theo phương thức định hướng búp sóng
phát theo mỗi mode riêng tổng quát và ghép kênh theo không gian tối ưu theo lý
thuyết hệ thống.

5. Bố cục của luận án
Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương với các nội dung được tóm tắt như sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, trình bày 3 nội dung chính. Thứ
nhất, làm rõ bản chất công nghệ MIMO, kỹ thuật quy mô lớn (LS-MIMO) trong các hệ
thống MC-CDMA, hệ thống đóng vai trò chủ chốt trong mạng thông tin di động băng rộng
tương lai (LS-MIMO-MC-CDMA) và những thách thức. Thứ hai, khái quát về các đề xuất
cải thiện hiệu năng trên lớp truyền dẫn của hệ thống LS-MIMO-MC-CDMA trên cơ sở
tham chiếu tới những công bố của các tác giả trước và hệ thống hóa những hạn chế tồn tại
theo cấu trúc vật lý và lý thuyết. Thứ ba, về định hướng giải quyết nâng cao hiệu năng lớp
truyền dẫn, hiệu suất sử dụng năng lượng trên cơ sở mô hình, cấu trúc hệ thống và xử lý tín
hiệu.
Chƣơng 2: Đề xuất kiến trúc định hƣớng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống,
với quy trình phân tích và thiết kế các hệ định hướng đa búp sóng có quy mô lớn theo cách

4

tiếp cận của lý thuyết hệ thống trên cơ sở xem xét tác động của các tham số hệ thống bằng
tập các hàm mục tiêu áp dụng trong những điều kiện tới hạn, khó truy cập dữ liệu đo hoặc
dữ liệu đo có kích thước lớn được trình bày. Quy trình bao gồm việc xây dựng mô hình
giảm bậc tối ưu và xác định nghiệm bền vững đối với hệ thống định hướng búp sóng. Cuối
cùng, trình bày sự thống nhất giữa kết quả mô phỏng với lý thuyết, minh chứng tính ưu
việt của mô hình đề xuất.
Chƣơng 3: Đề xuất giải pháp tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-CDMA đa sóng
mang quy mô lớn, trình bày hệ thống đa truy nhập theo mã (CDMA) đa sóng mang
(multicarrier) là phương pháp đa truy nhập theo mã kết hợp với điều chế đa sóng mang
nhằm tăng cường tính bền vững của hệ thống trước pha-đinh chọn lọc tần số, giao thoa
băng hẹp và tận dụng tối ưu băng tần có sẵn. Chương này trình bày mô hình hệ thống
MIMO-CDMA đa sóng mang quy mô lớn xây dựng trên cơ sở thuật toán phân tích giá trị
kỳ dị tổng quát (GSVD) và nghịch đảo suy rộng với phép chiếu trực giao trên cơ sở phân
tách ma trận kênh kích thước lớn nhằm tối ưu chất lượng hệ thống và kiểm chứng kết quả
mô phỏng trên Matlab. Từ đó rút ra kết luận về khả năng thực thi của hệ thống MIMOCDMA đa sóng mang quy mô lớn.
Chƣơng 4: Đề xuất hệ thống đa truy nhập MIMO MC-CDMA quy mô lớn hỗn
hợp định hƣớng đa búp sóng và ghép kênh không gian, trình bày đề xuất kiến trúc hệ
thống đa truy nhập theo mã đa sóng mang nhiều đầu vào nhiều đầu ra quy mô lớn (Massive
/ Large scale MIMO MC-CDMA) ứng dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ 5 (5G).
Hệ thống có kiến trúc hỗn hợp sử dụng cấu trúc anten mảng trụ thực hiện kết hợp tiền mã
hóa theo phương thức định hướng đa búp sóng và ghép kênh theo không gian. Hệ thống
được tối ưu theo tiêu chí lý thuyết hệ thống Min-Max nhằm tối thiểu hóa búp sóng phụ,
nén tối đa tổn hao truyền sóng. Kết quả mô phỏng thống nhất với giải tích hiệu năng theo
lý thuyết.
Phần kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận án: Phần này trình bày
tóm tắt các kết quả đạt được của luận án và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài,
cũng như các nghiên cứu dự kiến sẽ được thực hiện trong tương lai.

5

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề
Đã có nhiều giải pháp nhằm nâng cao chất lượng (tốc độ dữ liệu, độ tin cậy của
thông tin, tính bền vững của tín hiệu…) bao gồm: Nâng cấp chất lượng đường truyền,
nghiên cứu các phương thức điều chế mới, tăng công suất thu/phát của hệ thống... Tuy
nhiên để đạt được giải pháp tối ưu (vừa đảm bảo chất lượng thông tin, vừa đảm bảo hiệu
quả kinh tế) thì việc nghiên cứu phát triển các loại mã, các phương pháp điều chế, xử lý tín
hiệu mới là các giải pháp thích hợp.
Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao trong khi băng tần
lại hạn chế. Yêu cầu này dẫn đến việc nghiên cứu áp dụng hệ thống nhiều đầu vào nhiều
đầu ra (MIMO) cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới. Trong những năm gần đây,
việc nghiên cứu phát triển các hệ thống MIMO đạt nhiều thành tựu đáng kể. Hệ thống
MIMO sử dụng nhiều anten phát, nhiều anten thu trên cơ sở áp dụng kỹ thuật phân tập và
mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả sử dụng phổ mà không phải
tăng công suất phát hay băng tần. Hệ thống MIMO quy mô lớn (LS-MIMO) với việc sử
dụng số lượng lớn các phần tử anten cả phía phát và phía thu sẽ phát huy tối đa những ưu
thế về dung lượng kênh, tốc độ đường truyền cũng như hiệu quả sử dụng phổ [30].
Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit
(BER), tăng ảnh hưởng của pha-đinh chọn lọc tần số, nhiễu xuyên ký hiệu ISI… Nhưng
yêu cầu về chất lượng dịch vụ cũng không vì thế mà giảm. Để giải quyết vấn đề này, kỹ
thuật điều chế đa sóng mang được áp dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ
mới, đó là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MC-CDMA [7, 56, 83,
91, 108].
Sự kết hợp giữa kỹ thuật MIMO quy mô lớn và MC-CDMA đem lại những tiềm
năng to lớn cho hệ thống thông tin thế hệ tiếp theo [30, 70]. Chương một tập trung nghiên
cứu về những vấn đề cơ bản của hệ thống MIMO MC- CDMA quy mô lớn làm nền tảng
cho những nghiên cứu ở các chương tiếp theo.

1.2 Mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn.
1.2.1 Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO (Multi input – Multi output), nhiều đầu vào nhiều đầu ra là các hệ
thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở bộ phát và bộ thu như biểu diễn
trên hình 1.1. Chuỗi tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng
các anten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian-thời gian (STE: Space-Time
Encoder). Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian-thời gian x được phát đi nhờ NT anten

6


phát. Bộ thu sử dụng phân tập thu với N R anten thu. Kênh tổng hợp giữa bộ phát (TX) và
bộ thu (RX) có NT và N R đầu ra, được gọi là kênh vô tuyến MIMO NT x N R .
Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống MIMO được biểu diễn như sau [51]:

 y1   h11 h12
 y  h h
 2    21 22

 

 
 yN R   hN R 1 hN R 2

h1NT   x1   n1 

h2 NT   x2   n2 
  
   

hN R NT   xNT   nNT 

(1.1)

Trong đó:
T



x   x1 , x2 ,..., xNT  là tín hiệu phát.



y   y1 , y2 ,..., yNR  là tín hiệu nhận được.



n là vectơ nhiễu AWGN N R chiều.



H là ma trận kênh truyền.



hi , j là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j.

T

Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO

1.2.2.1 Dung lượng hệ thống MIMO
Dung lượng kênh truyền được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt
được với một xác suất lỗi bit tương đối nhỏ tùy ý. Đối với mô hình thu phát truyền thống
một anten phát và một anten thu (hệ thống SISO) thì theo định lý Shanon [112] dung lượng
của hệ thống trong môi trường tạp âm AWGN được biểu diễn như sau:

CSISO  B log2 (1 

P
)
BN0

7

(1.2)


Trong đó: B là băng thông, P là công suất thu trung bình, N 0 là mật độ phổ công
suất tạp âm.
Trong trường hợp xảy ra hiện tượng pha-đinh đa đường và giả sử băng thông được
chuẩn hóa là 1Hz thì dung lượng của hệ thống được biểu diễn như sau:

CSISO  log2 (1 

(1.3)

P 2
h )
N0

2

Trong đó: h là đáp ứng xung thỏa mãn điều kiện E{ h } = 1 và E{.} là toán tử kỳ
vọng,

P 2
h là tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tại đầu vào bộ thu.
N0

Từ công thức (1.3) ta nhận thấy, với một kênh truyền vô tuyến có độ rộng băng tần
nhất định không sử dụng phân tập không gian thì dung lượng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở
đầu vào bộ thu theo quy luật logarit. Do đó, muốn tăng dung lượng kênh truyền thì chỉ có
cách tăng công suất phát. Tuy nhiên, do mối quan hệ logarit nên dung lượng kênh truyền sẽ
tăng rất chậm.
Hệ thống MIMO được đề xuất nhằm khắc phục hạn chế về dung lượng kênh truyền
của các hệ thống SISO. Với NT anten phát và N R anten thu, trong môi trường pha-đinh
Rayleigh nhiều tán xạ và biến đổi chậm, kênh truyền MIMO NT x N R như biểu diễn trên
hình 1.1, hệ thống MIMO cho phép đạt được dung lượng kênh truyền như sau [112]:

CMIMO  log2 det( I N 
R

(1.4)

P
HH H )
NT N0

Trong đó: I N R là ma trận đơn vị kích thước N R x N R , . là chuyển vị Hermit.
H

Nhìn vào công thức (1.4) ta nhận thấy, khi sử dụng nhiều anten ở phía phát và phía
thu sẽ tạo ra nhiều tuyến dữ liệu không gian kết nối giữa bộ phát và bộ thu. Đồng thời
trong trường hợp các kênh độc lập và phân bố giống nhau, dung lượng của hệ thống
MIMO tăng gấp min ( NT , N R ) lần so với hệ thống SISO [8, 9, 38, 92].
1.2.1.2 Ưu điểm của hệ thống MIMO
Hệ thống kênh truyền MIMO có những ưu điểm nổi trội cụ thể như sau [19]:


Độ tăng ích mảng: Độ tăng ích mảng là tỷ số SNR thu được cải thiện do hiệu ứng
kết hợp các tín hiệu vô tuyến tại bộ thu. Việc kết hợp tín hiệu có thể được thực hiện
thông qua quy trình xử lý tín hiệu không gian tại mảng anten thu. Độ tăng ích mảng
tăng cường khả năng chống nhiễu, giúp cải thiện vùng phủ sóng và phạm vi của
mạng thông tin di động.

8




Độ tăng ích phân tập: Như ta biết, mức tín hiệu tại bộ thu trong hệ thống thông tin
di động hoặc các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung thăng giáng do hiệu ứng
pha-đinh. Độ tăng ích phân tập không gian làm giảm pha-đinh trên cơ sở bộ thu
nhận được nhiều bản sao độc lập của tín hiệu phát theo không gian, tần số hoặc thời
gian. Với việc tăng số lượng các bản sao độc lập của tín hiệu sẽ làm tăng chất
lượng, độ tin cậy của tín hiệu thu được. Kênh truyền MIMO với NT anten phát và
N R anten thu tạo ra NT x N R kết nối độc lập, do vậy bậc phân tập không gian sẽ là

NT x N R .


Độ tăng ích phân kênh không gian: Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu thông
qua phân kênh không gian, tức là truyền đồng thời nhiều luồng dữ liệu độc lập trên
cùng băng tần hoạt động. Mỗi luồng dữ liệu có chất lượng kênh bằng với chất
lượng kênh trong hệ thống SISO vì vậy sẽ làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp
min ( NT x N R ) lần.



Giảm và tránh can nhiễu: Can nhiễu trong hệ thống thông tin di động là do nhiều
người dùng sử dụng chung tài nguyên tần số hoặc thời gian. Hệ thống MIMO cho
phép giảm can nhiễu là do hệ thống MIMO khai thác yếu tố không gian để làm tăng
cách biệt giữa các người dùng khác nhau. Việc giảm và tránh can nhiễu giúp tăng
phạm vi và vùng phủ của mạng thông tin di động, đồng nghĩa với chất lượng truyền
dẫn tốt hơn. Hay nói cách khác là tỷ lệ lỗi bit (BER) giảm.

Như vậy, hệ thống MIMO đạt được nhiều ưu điểm như đã trình bày, việc ứng dụng
hệ thống MIMO trong các hệ thống thông tin di động sẽ giúp cải thiện dung lượng, tăng độ
tin cậy và vùng phủ sóng của hệ thống tin di động .
1.2.1.3 Một số khái niệm cơ bản trong MIMO
a. Nhiễu trắng
Nhiễu trắng là một loại tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng
nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn băng tần truyền dẫn. Nhiễu trắng
có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss. Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng
theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa, nhiễu trắng có mật độ công suất phân bố trong
khoảng tần vô hạn đồng nghĩa với công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, ta chỉ cần
tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống đang xem xét.
b. Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI)
Băng tần của kênh truyền nói chung bị giới hạn. Khi một xung được truyền qua
kênh có băng tần giới hạn thì sẽ bị méo dạng. Bên cạnh đó, sự tán xạ của xung theo thời

gian và xung của mỗi ký hiệu sẽ tác động sang khoảng thời gian của các ký hiệu dữ liệu kế
tiếp. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu xuyên ký hiệu (ISI). Như chúng ta đã biết, xung ở

9


băng tần hạn chế được chọn để truyền dẫn nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh
truyền có giải thông hạn chế. Tuy nhiên, giới hạn băng tần của tín hiệu được truyền lại làm
giảm xung trong miền thời gian gây ra sự chồng chéo của các ký hiệu làm tăng xác suất lỗi
ở bộ thu trong việc tách ký hiệu [1]. Để giảm nhiễu ISI ta cần sử dụng kỹ thuật truyền song
song trên nhiều sóng mang con.
c. Nhiễu đồng kênh (CCI)
Ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu khác cũng làm hạn chế hiệu quả
hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống là nhiễu đồng kênh (CCI). CCI tồn tại
trong bất kỳ một hệ thống đa truy nhập nào. Trong TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái
sử dụng nghĩa là có nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm
và do vậy những người sử dụng cùng kênh chắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau. Do vậy cần có
sự cân bằng giữa hiệu suất phổ và hiệu quả hoạt động của hệ thống [1].
d. Pha-đinh
Pha-đinh là hiện tượng sai lệch tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các
hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn.
Các yếu tố gây ra pha-đinh đối với hệ thống vô tuyến mặt đất bao gồm:


Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn.



Sự hấp thụ gây ra bởi các phần tử khí, hơi nước…



Sự khúc xạ gây ra bởi sự không đồng đều của mật độ không khí.



Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan
sóng điện từ. Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động.

Có một số loại pha-đinh cụ thể như sau:


Pha-đinh phẳng: Xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần
của tín hiệu. Hệ thống có tốc độ thấp với độ rộng băng tần tín hiệu hẹp (hẹp
hơn độ rộng kênh truyền) chịu nhiều tác động của pha-đinh phẳng. Ảnh
hưởng của pha-đinh phẳng tác động lên toàn bộ dải tín hiệu truyền trên
kênh là như nhau.



Pha-đinh chọn lọc tần số: Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng
thông của kênh truyền. Ảnh hưởng lớn nhất của pha-đinh chọn lọc tần số là
gây nên nhiễu ISI và để khắc phục pha-đinh chọn lọc tần số, người ta sử
dụng một số biện pháp như phân tập, sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER…



Pha-đinh nhanh: Còn được gọi là hiệu ứng Doppler gây ra bởi sự chuyển
động tương đối giữa bộ phát và bộ thu.

10




Pha-đinh chậm: Gây ra bởi ảnh hưởng của các vật cản trên đường truyền.
Hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn nên tốc độ biến đổi
chậm.



Pha-đinh Rayleigh: Gây ra do bộ thu cùng lúc thu vài tín hiệu. Các tín hiệu
này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu
vực. Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha
nên chúng có thể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp. Sự di
chuyển của các thiết bị đầu cuối cũng gây ra sự biến thiên không thể dự
đoán được của pha, tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên
mạnh. Pha-đinh Rayleigh thường có trong khu vực đô thị.

d. Kỹ thuật định hƣớng búp sóng (Beamforming)
Là một kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng
anten mảng để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ khuếch đại anten phát và độ
nhạy ở phía thu. Kỹ thuật Beamforming có thể làm giảm can nhiễu ở tín hiệu thu bằng
cách điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ can nhiễu thực hiện ở bộ
điều khiển tạo búp sóng. Đồng thời, ở phía phát, ta có thể nâng công suất của tín hiệu bằng
cách định hướng búp sóng đến phía thu.
Tại phía thu, các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khá giống như
mẫu ban đầu, đồng thời các bộ tạo búp sóng tại các anten thu sẽ điều chỉnh biên độ của tín
hiệu thông qua các trọng số của nó. Như vậy, tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như
mong muốn.

1.2.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn
Hệ thống MIMO quy mô lớn (LS-MIMO) là hệ thống sử dụng số lượng lớn các
anten, có thể lên tới hàng trăm anten. Hình 1.2 mô tả hệ thống MIMO quy mô lớn với hàng
trăm anten phát ở trạm gốc và K người dùng có thể phục vụ đồng thời.
Những anten được bổ sung sung thêm ở trạm gốc giúp tập trung năng lượng vào
vùng nhỏ hơn của không gian, mang lại những cải tiến rất lớn về dung lượng và tiết kiệm
năng lượng bức xạ. MIMO quy mô lớn sẽ dùng các anten để phục vụ cho một số nhỏ hơn
nhiều người dùng đồng thời trong cùng cùng tài nguyên thời gian-tần số, mà trong đó mỗi
người người dùng chỉ cần sử dụng thiết bị đầu cuối với anten đơn. Sự chênh lệch giữa số
lượng anten ở trạm gốc và số người dùng là điều kiện để hệ thống hoạt động tốt trong thực
tế. Điều này giúp hệ thống LS-MIMO tạo khả năng phát triển mạng băng thông rộng tương
lai. Ngoài ra, hệ thống MIMO quy mô lớn còn thể hiện tính mềm dẻo khi có thể có rất
nhiều cấu hình và kịch bản triển khai mảng anten cũng như khả năng kết hợp nhiều thành
phần có độ chính xác thấp cùng làm việc hiệu quả với nhau [30, 35, 36].

11


Hình 1.2. Mô hình hệ thống MIMO quy mô lớn

Trong hệ thống LS-MIMO, thông tin trạng thái kênh (CSI) là một yếu tố then chốt.
Trạm gốc trong hệ thống LS-MIMO cần thông thông tin về CSI để tiền mã hóa ở đường
xuống và lọc thu ở đường lên. Hệ thống MIMO quy mô lớn sử dụng song công phân chia
theo thời gian (TDD) và kết hợp với các phương pháp hoa tiêu truyền thống để thu được
CSI ở đường lên cũng như đường xuống. Các trạm gốc ước lượng CSI nhờ kênh hoa tiêu
đường lên từ các đầu cuối. Nhờ vào tính đối xứng kênh truyền song công phân chia theo
thời gian, ma trận kênh truyền đường xuống sẽ là chuyển vị liên hợp của ma trận kênh
truyền đường lên. Nhờ đó, trạm gốc có thể sử dụng hoa tiêu đường lên để ước lượng trạng
thái kênh và thiết kế bộ tiền mã hóa phía phát ở đường xuống hoặc lọc thu ở đường lên. Hệ
thống MIMO quy mô lớn có thể sử dụng các bộ mã hóa và lọc thu tuyến tính đơn giản mà

vẫn cho phép đạt được hiệu suất cao như các phương pháp MRC/MRT, ZF…
Tuy nhiên, để hiện thực hóa việc triển khai các hệ thống MIMO quy mô lớn còn rất
nhiều thách thức, cụ thể :
• Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập
• Việc lắp đặt các anten và RF/IF ở các thiết bị đầu cuối.
• Bộ tách tín hiệu có độ phức tạp cao và vấn đề ước lượng kênh phức tạp...
1.2.2.1 Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập
Số lượng của vùng phát sóng độc lập không chỉ bị giới hạn bởi khoảng cách giữa
các anten, độ lớn của sóng mang mà còn bị giới hạn bởi sự tán xạ xung quanh các thiết bị
đầu cuối hoặc do ảnh hưởng của hiệu ứng lỗ kim (pin-hole), khi đó tất cả các đường truyền
từ các anten phát đến anten thu đều đi qua một điểm chung (pin-hole). Điều này có thể dẫn
đến số lượng vùng phát sóng độc lập bị giảm (nghĩa là hạng của ma trận kênh thấp). Hệ
thống MIMO quy mô lớn cần thiết kế sao cho khoảng cách giữa các anten tại thiết bị đầu

12