(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu bộ tách tín hiệu trong các hệ thống SM STBC mô hình, thuật toán và thực thi

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

NGUYỄN XUÂN NGHĨA

NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU
TRONG CÁC HỆ THỐNG SM-STBC:
MƠ HÌNH, THUẬT TỐN VÀ THỰC THI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2021


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

NGUYỄN XUÂN NGHĨA

NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU
TRONG CÁC HỆ THỐNG SM-STBC:
MƠ HÌNH, THUẬT TỐN VÀ THỰC THI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. PHẠM NGỌC NAM
TS. NGÔ VŨ ĐỨC

HÀ NỘI - 2021


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là cơng trình
nghiên cứu của tơi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số
liệu, hình ảnh, tài liệu được nêu trong luận án có nguồn gốc rõ ràng,
được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu
trong luận án là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào trước đó.
Hà Nội, ngày 26 tháng 01 năm 2021
Tác giả

Nguyễn Xuân Nghĩa

Người hướng dẫn khoa học

Phạm Ngọc Nam

Ngô Vũ Đức


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian vừa qua, được học tập, nghiên cứu tại Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội, nghiên cứu sinh đã nhận được rất nhiều sự
quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của q thầy cơ nơi đây. Với
tất cả lòng biết ơn, nghiên cứu sinh xin gửi đến quý thầy cô Viện Điện

tử - Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội lời cảm ơn chân
thành và sâu sắc nhất.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến các thầy giáo
hướng dẫn là PGS.TS Phạm Ngọc Nam và TS. Ngô Vũ Đức. Các Thầy
đã ln ln hướng dẫn tận tình, chia sẻ và truyền động lực cũng như
kinh nghiệm cho nghiên cứu sinh vượt qua những khó khăn trong suốt
q trình nghiên cứu luận án này.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình,
bạn bè, đồng nghiệp và các nghiên cứu sinh cùng khóa đã ln đơng
viên, giúp đỡ, chia sẻ các khó khăn giúp nghiên cứu sinh chuyên tâm
nghiên cứu và đạt được những kết quả như ngày hôm nay.


MỤC LỤC

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix

DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HRSM VÀ CÁC
BỘ TÁCH TÍN HIỆU PHÍA THU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.1. Hệ thống HRSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.1.1. Tổng quan về hệ thống MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.1.2. Hệ thống HRSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.1.2.1. Mơ hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.1.2.2. Ưu điểm của HRSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.2. Tổng quan các bộ tách tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.2.1. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.2.1.1. Bộ tách tín hiệu ZF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.2.1.2. Bộ tách tín hiệu MMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.2.2. Các bộ tách tín hiệu phi tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.2.2.1. Bộ tách tín hiệu QRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.2.2.2. Bộ tách tín hiệu V-BLAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.2.2.3. Bộ tách tín hiệu MLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

i


1.2.2.4. Bộ tách tín hiệu SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.2.3. Một số bộ tách tín hiệu phức tạp khác . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.2.3.1. Bộ tách tín hiệu MSQRD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.2.3.2. Bộ tách tín hiệu ISQRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

1.2.3.3. Bộ tách tín hiệu cầu SESD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

1.2.3.4. Bộ tách tín hiệu cầu FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

1.3. Bối cảnh nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

1.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

Chương 2. THUẬT TỐN TÁCH TÍN HIỆU VÀ ĐỀ XUẤT
MƠ HÌNH HỆ THỐNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

2.1. Cải tiến bộ tách tín hiệu ISQRD trong hệ thống HRSM . .

50

2.1.1. Đề xuất bộ tách tín hiệu EISQRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

2.1.2. Đề xuất ánh xạ từ mã SC tối ưu (Opti-SC). . . . . . . . . . .

52

2.1.3. Kết quả cải tiến thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

2.1.3.1. Độ phức tạp tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

2.1.3.2. Phẩm chất BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.2. Thiết kế hệ thống mã khối không gian-thời gian sử dụng điều
chế không gian tốc độ cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

2.2.1. Đặt vấn đề thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

2.2.2. Xây dựng hệ thống HRSM-STBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

2.2.2.1. Thiết kế từ mã STBC X và từ mã SC cho hệ thống HRSMSTBC 4 ăng-ten phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
2.2.2.2. Thiết kế từ mã SC cho hệ thống HRSM có nhiều hơn 4
ăng-ten phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

65

2.2.2.3. Tách tín hiệu trong hệ thống HRSM-STBC . . . . . . . . .

67

2.2.3. Tối ưu hiệu suất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

2.2.3.1. Tối ưu góc xoay α . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

2.2.3.2. Tối ưu góc xoay θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

2.2.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

2.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

Chương 3. THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG CHO
CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

3.1. Thiết kế kiến trúc bộ tách tín hiệu MSQRD . . . . . . . . . . . . . .

78

3.1.1. Kiến trúc phần Sorted Modified Gram-Schmidt . . . . . . .

78

3.1.2. Kiến trúc phần thuật toán tách tín hiệu MSQRD . . . . .

80

3.1.3. Kết quả triển khai thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

3.2. Thiết kế kiến trúc bộ tách tín hiệu SESD . . . . . . . . . . . . . . . .

83

3.2.1. Thiết kế kiến trúc mức đỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

3.2.2. Thiết kế kiến trúc chi tiết các khối . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.2.3. Kết quả triển khai thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

3.3. Thiết kế kiến trúc bộ tách tín hiệu FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

3.3.1. Kiến trúc phần SQRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

3.3.2. Kiến trúc phần tách sóng FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

3.3.3. Kết quả triển khai thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

3.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ . . .

105

TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

iii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

CSTSK

Coherent

Khóa dịch chuyển khơng

Space

Time

Shift Keying
DSTTD

STSK

Double

gian thời gian kết hợp

Space

Time

Phân tập phát khơng

Transmit Diversity

gian-thời gian kép

Space Time Shift Keying

Khóa dịch không gianthời gian

BER

Bit Error Ratio

Tỉ số lỗi bit

bpcu

Bit per Channel Use

Số bit truyền đi trên một
lần sử dụng kênh truyền

DSTTD

Double

Space

Time

Transmit Diversity
DT-SM

EISQRD

Double

Space

Phân tập phát không
gian-thời gian kép

Time

Điều chế không gian kết

Coded Spatial Modula-

hợp mã khơng gian-thời

tion

gian kép

Enhanced ISQRD

Bộ tách tín hiệu ISQRD
cải tiến

flop

Floating Point Operation

Phép tính dấu phẩy động

FSD

Fixed Sphere Decoder

Bộ tách tín hiệu cầu cố
định

iv


GSM

HRSM

HR-STBC-SM

IAS

Generalized

Spatial

Điều chế không gian tổng

Modulation

quát

High-Rate Spatial Modu-

Điều chế không gian tốc

lation

độ cao

High Rate Space Time

Điều chế không gian kết

Block Code Spatial Mod-

hợp mã khối không gian-

ulation

thời gian tốc độ cao

Inter Antenna Synchro-

Đồng bộ ăng-ten phát

nization
ICI

InterChannel

Interfer-

Nhiễu xuyên kênh

ence
IEEE

Institute
cal

of

and

Electri-

Electronics

Hiệp hội các kỹ sư điện –
điện tử

Engineers
ISQRD

Improved-MMSE-SQRD

Bộ tách tín hiệu MMSESQRD cải tiến

ISQRD

LMS

Improved Sorted QR De-

Phân tích QR sắp xếp

composition

nâng cao

Least Mean Square

Bình phương trung bình
nhỏ nhất

LS

Least Square

Bình phương nhỏ nhất

MBLAST

Modified Bell Laborato-

Khơng

ries Layered Space-Time

phân lớp của phịng thí

gian-thời

gian

nghiệm Bell cải tiến
MGS

Modified

Gram

Schmidt

–

Modified
Schmidt

v

Gram

–


MIMO

Multi-Input,

Multi-

Hệ thống nhiều ăng-ten

Output

thu phát

ML

Maximum Likelihood

Cực đại hợp nhẽ

MLD

Maximum

Tách tín hiệu hợp nhẽ cực

Likelihood

Detection

đại

MM

Matrix Multiplication

Khối nhân ma trận

MMSE

Minimim

Sai số bình phương trung

MSE

Mean-Square

Error

bình tối thiểu

Mean Square Error

Sai số bình phương trung
bình

MSQRD

Modified Sorted QR De-

Phân tích QR sắp xếp cải

composition

tiến

Orthogonal Space Time

Mã khối khơng gian-thời

Block Coding

gian trực giao

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

QAM

Quadrature

Điều chế biên độ cầu

OSTBC

Amplitude

Modulation

phương

Quadrature Phase Shift

Khóa dich vng pha

Keying

đồng bộ

QR decomposition based

Bộ tách tín hiệu dựa trên

Detector

phân tích QR

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

SC

Spatial Codeword

Từ mã khơng gian

SD

Sphere Detector

Bộ tách sóng cầu

QPSK

QRD

vi


SESD

Sphere Detection with

Tách

Schnerr-Euchnerr

phương

sóng
pháp

cầu
liệt

với
kê

Schnorr-Euchnerr
SIC

Successive

Interference

Triệt nhiễu nối tiếp

Interference

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

Cancellation
SINR

Signal

to

plus Noise Ratio

cộng nhiễu

SM

Spatial Modulation

Điều chế không gian

SM-OSTBC

Spatially

Modulated

Mã khối không gian-thời

Orthogonal Space Time

gian trực giao kết hợp

Block Code

điều chế không gian

SM-STBC

Spatial
-

Modulation

Space-Time

Block

Điều chế không gian kết
hợp mã khối không gian-

Coding

thời gian

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SQRD

Sorted QR Decomposi-

Phân tách QR có sắp xếp

tion
SSK

Space Shift Keying

Khóa dịch khơng gian

STBC

Space-Time Block Cod-

Mã hóa khối khơng gian-

ing

thời gian

Space-Time Encoder

Bộ mã hóa khơng gian-

STE

thời gian
TC

Threshold Comparison

Khối so sánh ngưỡng

TOSD-SSK

Time Orthogonal Signal

Khóa dịch chuyển khơng

Design Space Shift Key-

gian thiết kế tín hiệu trực

ing

giao thời gian
vii


V-BLAST

Vertical-Bell

Laborato-

ries Layered Space-Time

Khơng

gian-thời

gian

tuần tự theo lớp của
phịng thí nghiệm Bell

VLSI

ZF

Very-large-scale integra-

Tích hợp với quy mơ rất

tion

lớn

Zero Forcing

Cưỡng bức bằng khơng

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1

Mơ hình hệ thống MIMO (nguồn[10]). . . . . . . . . . . . 15

1.2

Các phương thức truyền tin trong MIMO (nguồn: [2]). . . 16

1.3

Mơ hình hệ thống HRSM (nguồn [3]). . . . . . . . . . . . . 18

1.4

Phẩm chất BER giữa HRSM, SM và GSM với cùng hiệu
suất phổ 6 bpcu (nguồn: [3]). . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.5

Phẩm chất BER giữa HRSM, Alamouti’s STBC, SMSTBC, và V-BLAST với cùng hiệu suất phổ là 10 bpcu
(nguồn: [3]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.6

Sơ đồ phát triển của một số bộ tách tín hiệu cơ bản
trong MIMO và HRSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.7

Lưu đồ thuật toán Sorted Modified Gram – Schmidt. . . . 30

1.8

Lưu đồ thuật toán trong bộ tách tín hiệu MSQRD. . . . . 31

1.9

Tóm tắt thuật tốn tách tín hiệu ISQRD. . . . . . . . . . . 34

1.10 Mô tả dàn của bộ SD (nguồn: [10]). . . . . . . . . . . . . . 35
1.11 Hai cách liệt kê theo phương pháp Schnorr-Euchner. . . . . 38

1.12 Ví dụ cách liệt kê (duyệt điểm) của thuật tốn FSD
trong hệ thống 4 × 4 điều chế 16-QAM. . . . . . . . . . . . 40
1.13 So sánh phẩm chất BER giữa bộ tách tín hiệu FSD và
SESD trong hệ thống MIMO 4×4 sử dụng điều chế 16-QAM.41
1.14 So sánh độ phức tạp giữa bộ tách tín hiệu FSD và SESD
trong hệ thống MIMO 4 × 4 sử dụng điều chế 16-QAM. . . 42

ix


2.1

Lưu đồ thuật tốn tách tín hiệu Enhanced ISQRD. . . . . 52

2.2

Chịm sao tín hiệu phía thu trong hệ thống HRSM 4 × 4. . 53

2.3

Ví dụ về cách áp dụng ánh xạ Gray cho các từ mã SC . . . 54

2.4

So sánh độ phức tạp tính tốn các bộ tách tín hiệu ML,
ISQRD và EISQRD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5

Phẩm chất BER các bộ tách tín hiệu với nT = nR = 4,

16-QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.6

Phẩm chất BER các bộ tách tín hiệu với nT = nR = 4; 8,
8-PSK/16-QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.7

Mơ hình hệ thống HRSM-STBC [38] . . . . . . . . . . . . 63

2.8

Hiệu suất phổ được cung cấp bởi điều chế không gian
trong các hệ thống SM, STBCSM, STBC-CSM và HRSMSTBC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.9

Phẩm chất BER của các hệ thống SM, SM-STBC, STBCCSM, DT-SM và HRSM- STBC ở mức 6 bpcu và nR = 4. . 73

2.10 Phẩm chất BER của các hệ thống SM-STBC, SM-OSTBC
C(8, 4, 4), DT-SM, và HRSM-STBC ở mức 9 bpcu và
nR = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1

Kiến trúc phần cứng cho thuật toán Sorted MGS. . . . . . 78

3.2

Chu trình pipeline 8 – Clock trong kiến trúc Sorted MGS. 79

3.3

Kiến trúc phần cứng cho thuật tốn tách tín hiệu MSQRD. 81

3.4

Khối so sánh ngưỡng TC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.5

Kiến trúc mức đỉnh của SESD. . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.6

Các giai đoạn pipeline cho bộ tách sóng SESD. . . . . . . . 85

3.7

Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED1. . . . . . . . . . . . . 85

3.8

Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED2. . . . . . . . . . . . . 86
x


3.9

Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED3. . . . . . . . . . . . . 86

3.10 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED4. . . . . . . . . . . . . 87
3.11 Sơ đồ thiết kế tổng thể của bộ tách tín hiệu FSD . . . . . 91
3.12 Sơ đồ thiết kế tổng thể của bộ tách tín hiệu . . . . . . . . 91
3.13 Kiến trúc SQRD giai đoạn X th , với X ∈ {1, 2, 3} . . . . . . 92
3.14 Kiến trúc khối Updater

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.15 Kiến trúc SQRD giai đoạn 4th . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.16 Biểu đồ thời gian của khối SQRD . . . . . . . . . . . . . . 93
3.17 Kiến trúc khối Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.18 Kiến trúc sơ đồ thiết kế tổng thể của khối FSD . . . . . . 95
3.19 Kiến trúc khối PED 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.20 Kiến trúc khối PED 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.21 Kiến trúc khối PED 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.22 Kiến trúc khối PED 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.23 Sơ đồ pipeline khối FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

xi


DANH MỤC BẢNG

1.1

So sánh hiệu suất phổ HRSM và SM khi nT = 2, 4, 8,
tín hiệu phát điều chế QPSK/4-QAM, 16-QAM và 64-QAM.22

2.1

Các giá trị góc xoay tối ưu trong hệ thống HRSM-STBC. . 72

3.1

So sánh kết quả triển khai thiết kế kiến trúc bộ tách
sóng MSQRD với các cơng trình nghiên cứu khác. . . . . . 83

3.2

Kết quả tổng hợp thiết kế SESD trên Virtex2-XC2V6000. . 88

3.3

So sánh kết quả tổng hợp kiến trúc SESD. . . . . . . . . . 89

3.4

So sánh kết quả triển khai thiết kế khối SQRD . . . . . . . 100

3.5

So sánh kết quả triển khai thiết kế khối FSD . . . . . . . . 101

xii


DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu

Ý nghĩa.

nT

Số lượng ăng-ten phát.

nR

Số lượng ăng-ten thu.

a

Ký hiệu một số vô hướng.

a

Ký hiệu một véc-tơ.

A

Ký hiệu một ma trận.

aij

Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A.

AH

Chuyển vị liên hợp phức (Hermit) của ma trận

A.

AT

Chuyển vị của ma trận A.

A∗

Liên hợp phức của ma trận A.

x∗

Liên hợp phức của x.
(x)

Phép toán lấy phần thực của x.

(x)

Phép toán lấy phần ảo của x.

H

Ma trận kênh truyền.

x

Véc-tơ tín hiệu phát.

N

Ma trận tạp âm.

n

Véc-tơ tạp âm.

Y

Ma trận tín hiệu thu.

y

Véc-tơ tín hiệu thu.

I

Ma trận đơn vị.

M

Bậc tín hiệu điều chế.
xiii


γ

Tỉ số SNR trung bình tại mỗi ăng-ten máy thu.

Es

Năng lượng trung bình của tín hiệu điều chế.

|a|

Modul của số phức a.

Ωx

Chịm sao tín hiệu điều chế.

hi

Cột thứ i của ma trận H.

.

Phép làm tròn lên số nguyên gần nhất.

.

Phép làm tròn xuống số nguyên gần nhất.

.

Phép lấy phần nguyên trong tập các số thực
R.

η

2p

Toán tử trả về lũy thừa cơ số 2 gần nhất nhỏ
hơn hoặc bằng η

xiv


MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ dữ liệu di động của người dùng
không ngừng tăng nhanh. Các dịch vụ dữ liệu di động rất đa dạng về
chủng loại như xem phim trực tuyến, truyền hình, chơi điện tử online
hay dẫn đường. . . . Các dịch vụ này cũng yêu cầu chất lượng ngày càng
cao làm cho dung lượng dữ liệu mà các hệ thống thông tin di động
phải phục vụ tăng rất nhanh. Theo dự báo của Cisco, tới năm 2022,
lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu sẽ dự kiến đạt 77,5 EB mỗi tháng,
tăng gấp bảy lần so với 2017 [1]. Để đáp ứng sự tăng trưởng nhanh
chóng của lưu lượng dữ liệu, các hệ thống thông tin di động đang
không ngừng được cải tiến và áp dụng các kỹ thuật mới nhằm đảm
bảo tốc độ truyền dữ liệu nhanh, dung lượng lớn, chất lượng truyền
tin cao, độ trễ truyền dẫn nhỏ. . . Kỹ thuật thu phát tín hiệu sử dụng
nhiều ăng-ten tại cả máy phát và máy thu (MIMO) là giải pháp hữu
hiệu để cải thiện không chỉ tốc độ truyền dữ liệu mà còn cả phẩm
chất lỗi bit (BER) của hệ thống. Dựa trên cách truyền dữ liệu, các hệ
thống MIMO có thể phân thành ba dạng chính là SMX, STBC và SM.
Cả ba dạng này, mỗi dạng đều có một đặc trưng, ưu điểm riêng. Các
hệ thống SMX đặc trưng bởi tốc độ truyền dữ liệu cao, đem lại độ lợi
ghép kênh (Multiplexing gain) cho phép gia tăng tốc độ truyền dẫn
tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng. STBC đem lại độ lợi phân tập

(diversity gain) nhằm cải thiện phẩm chất tín hiệu BER, tăng độ tin
cậy trong việc truyền dữ liệu. Còn SM giảm độ phức tạp khi tách sóng
1


ở phía thu, đồng thời cung cấp phẩm chất BER tốt do không chịu ảnh
hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI) và vấn đề về đồng bộ ăng-ten phát
(IAS) [2]. Tuy nhiên, nhược điểm của các hệ thống SM nguyên thủy
là có hiệu suất phổ kém.
Để giải quyết vấn đề phổ kém của hệ thống SM ngun thủy, một mơ
hình hệ thống MIMO khác là Điều chế không gian tốc độ cao (HRSM:
High-Rate Spatial Modulation) đã được Nguyễn Thu Phương và cộng
sự đề xuất tại cơng trình số [3]. Mơ hình này được phát triển dựa trên
khái niệm chịm sao khơng gian (Spatial Constellation) và từ mã SC
[4, 5]. Khác với hệ thống SM nguyên thủy với chỉ một khối bit được
dùng để lựa chọn ăng-ten phát nào được kích hoạt, thì HRSM sẽ kích
hoạt tồn bộ các ăng-ten phát, đồng thời sử dụng từ mã SC để mã
hóa tín hiệu vào chỉ số các ăng-ten và truyền từ mã thông qua điều
chế biên độ cầu phương (QAM) hoặc điều chế pha PSK (Phase-shift
keying). Từ mã SC này được tạo bằng cách cố định phần tử đầu tiên
bằng 1, các phần tử còn lại được lựa chọn trong tập ±1, ±j . Sau khi
nhân với từ mã SC, tín hiệu điều chế ban đầu có thể được giữ nguyên
hoặc quay pha trực giao để phát trên những ăng-ten khác nhau. Chính
vì vậy nên hệ thống HRSM có ưu điểm là phẩm chất BER tốt hơn
do ít nhiễu ICI và IAS hơn một số hệ thống SMX trước đó, như hệ
thống SM-STBC [6]. Đồng thời, HRSM cung cấp hiệu suất phổ cao
hơn đáng kể so với phương pháp điều chế không gian trong cơng trình
số [7] và điều chế khơng gian tổng qt (GSM) trong cơng trình số
[8, 9].
Ở phía thu của các hệ thống MIMO kích hoạt nhiều ăng-ten phát

nói chung và HRSM nói riêng, tín hiệu thu được là tổng hợp các tín
2


hiệu phát tại các ăng-ten khác nhau nên việc tách tín hiệu của mỗi
luồng phát ở phía thu sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh từ các luồng
còn lại. Do đó, bộ tách tín hiệu ở phía thu có vai trị đặc biệt quan
trọng khi nó ảnh hưởng đến phẩm chất của toàn bộ hệ thống. Tùy
thuộc vào điều kiện kênh truyền, đặc điểm và các thông số thiết kế
của hệ thống mà bộ tách tín hiệu phù hợp tương ứng ở phía thu sẽ
được phân tích lựa chọn. Nhưng nhìn chung, để một bộ tách tín hiệu
có thể triển khai trong thực tế đều cần đáp ứng được cả yêu cầu về
thuật toán và yêu cầu về thiết kế kiến trúc phần cứng. Thuật tốn
của bộ tách tín hiệu quyết định đến hai thông số cơ bản: độ phức tạp
tính tốn và phẩm chất BER. Độ phức tạp tính tốn càng thấp thì
bộ tách tín hiệu đó càng dễ triển khai thiết kế kiến trúc phần cứng,
phẩm chất BER càng tốt thì độ tin cậy truyền tin của hệ thống càng
cao. Trong khi đó, thiết kế kiến trúc phần cứng sẽ quyết định đến các
thông số về thông lượng, tần số hoạt động, trễ và chi phí tài nguyên
phần cứng sử dụng của bộ tách tín hiệu.
Về mặt thuật tốn, dựa theo tính chất tuyến tính của phương pháp
tách tín hiệu, các bộ tách tín hiệu trong các hệ thống MIMO và HRSM
được phân thành hai loại chính là các bộ tách tín hiệu tuyến tính và
các bộ tách tín hiệu phi tuyến. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính điển
hình gồm: ZF, MMSE [10]. Các bộ tách tín hiệu này thường được đề
xuất sử dụng trong các hệ thống MIMO ghép kênh theo khơng gian
do có độ phức tạp tính tốn rất thấp và dễ thực hiện nhờ các thuật
tốn thích nghi phổ biến như bình phương trung bình nhỏ nhất (LMS:
Least Mean Square). Đổi lại, tỉ lệ lỗi bit của các bộ tách tín hiệu này
thường cao do nhiễu liên kênh cịn sót lại khi tách lần lượt các tín hiệu,

3


đặc biệt là trong trường hợp hệ thống có số lượng ăng-ten phát lớn.
Trong khi đó, các bộ tách tín hiệu phi tuyến cơ bản như QRD, ML,
V-BLAST, SD [10] nhìn chung sẽ có phẩm chất BER tốt hơn so với
các bộ tách tín hiệu tuyến tính, nhưng độ phức tạp tính tốn cũng cao
hơn [10]. Điển hình như bộ tách tín hiệu Maximum Likelihood (ML)
được Nguyễn Thu Phương sử dụng khi đề xuất về mơ hình hệ thống
HRSM trong cơng trình số [3]. Phẩm chất BER của bộ tách tín hiệu
này là tối ưu, tuy nhiên độ phức tạp tính tốn rất cao, tăng theo cấp
số mũ của số ăng-ten phát nT và bậc điều chế M. Do đó, bộ tách tín
hiệu này rất khó để có thể khả thi trong việc thiết kế kiến trúc phần
cứng trong thực tế. Gần đây, nhiều bộ tách tín hiệu phức tạp khác
cho hệ thống HRSM được các nhà khoa học nghiên cứu phát triển.
Trong cơng trình số [11], tác giả Nguyễn Tiến Đông và cộng sự đã đề
xuất ba bộ tách tín hiệu có độ phức tạp thấp cho hệ thống HRSM là
MBLAST, MSQRD và ISQRD. Trong đó, MBLAST và MSQRD có
độ phức tạp tính tốn thấp hơn so với bộ tách tín hiệu tối ưu ML,
nhưng phẩm chất BER lại bị suy giảm đáng kể. Cịn bộ tách tín hiệu
ISQRD được cải tiến từ bộ tách tín hiệu QRD cho phẩm chất BER
tốt hơn MBLAST và MSQRD với cùng độ phức tạp tính tốn khi sử
dụng bậc điều chế đủ thấp. Nhưng phẩm chất BER của ISQRD cũng
vẫn thấp hơn đáng kể khi so sánh với ML. Ngoài ra, ISQRD trở nên
phức tạp hơn các bộ tách tín hiệu MSQRD và MBLAST khi sử dụng
bậc điều chế tăng. Do đó, cả ba bộ tách tín hiệu này vẫn cần được tối
ưu hơn nữa về giải thuật để có thể triển khai trong thực tế.
Bên cạnh các bộ tách tín hiệu đã nêu trên, thuật toán giải mã cầu
(SD: Sphere decoding) - một thuật tốn tìm kiếm điểm dàn gần nhất
4

tới vector nhận được - cũng được coi là một cách tiếp cận hứa hẹn.
SD sử dụng kỹ thuật duyệt cây (Tree-search) được trình bày trong
[12] nhằm khắc phục nhược điểm độ phức tạp tính tốn cao của thuật
tốn ML bằng cách giảm số lượng vectơ ký tự có thể xảy ra. Cách
duyệt điểm trong mỗi lớp khi tiến hành Tree-search của SD có thể
được thực hiện theo phương pháp liệt kê Pohst [13] hoặc phương pháp
liệt kê Schnorr – Euchner [14]. Tuy nhiên phương pháp Pohst đã được
chứng minh là kém hơn phương pháp liệt kê Schnorr-Euchner trong
[15] do Schnorr-Euchner có độ phức tạp khơng phụ thuộc vào bán kính
cầu ban đầu. Các thuật tốn tách sóng điển hình theo hai phương pháp
liệt kê này là K-Best List Sphere Detector (K-Best LSD) và SchnorrEuchner Sphere Detector (SESD). Thuật toán K-Best LSD thuộc kiểu
thuật tốn Breadth-first [16] cịn SE-SD thuộc kiểu Depth-first [16].
Do chịu ảnh hưởng của bán kính hình cầu ban đầu và số điểm duyệt
trong mỗi lớp, nên phẩm chất BER của thuật toán K-Best LSD kém
hơn so với thuật toán SESD. Việc lựa chọn K điểm tại mỗi lớp trong
K-Best LSD tuy có thể làm giảm khối lượng tính tốn nhưng có thể
gây ra việc tách tín hiệu sai. Còn khi tăng số lượng K lớn hơn, dù
có thể khắc phục nhược điểm trên và phẩm chất BER tiệm cận đến
SESD, nhưng khối lượng tính tốn cũng tăng lên đáng kể. Như vậy,
có thể thấy bộ tách tín hiệu cầu theo thuật tốn SESD có nhiều ưu
điểm về phẩm chất BER tương quan với độ phức tạp tính tốn.
Tuy nhiên, về mặt triển khai trong thực tế, việc thiết kế kiến trúc
thông lượng cao cho một bộ tách tín hiệu sử dụng thuật tốn SESD lại
gặp khơng ít trở ngại. Thuật tốn SESD địi hỏi phải tìm kiếm đầy đủ
tất cả các bộ giá trị thỏa mãn điều kiện nằm trong bán kính hình cầu
5

nên rất khó để ước tính có bao nhiêu nhánh cần phải được tìm kiếm
trước. Chính vì vậy, độ phức tạp tính tốn của bộ tách tín hiệu SESD
khơng cố định mà biến thiên theo đa thức. Đặc điểm này của SESD
dẫn tới khó khăn trong việc triển khai thiết kế phần cứng theo kỹ
thuật pipeline nhằm đảm bảo đạt được thông lượng cao, tần số hoạt
động lớn, trong khi sử dụng một lượng chi phí tài nguyên phần cứng
hợp lý. Để khắc phục vấn đề này, Barbero và cộng sự đã giới thiệu
một phương pháp tiếp cận mới trong [17] gọi là phương pháp Giải mã
cầu cố định (FSD: Fixed Sphere Decoder). Ý tưởng cơ bản của FSD
là xác định trước số lượng các điểm trên chòm sao cần được xem xét
khi tính các chỉ số khoảng cách Euclide cho mỗi ăng-ten phát. Chính
vì vậy, số trường hợp thực hiện các bước được cố định khi triển khai
thuật toán FSD. Hơn nữa, độ phức tạp và thông lượng cũng có thể
xác định ngay từ khi bắt đầu thực hiện thuật tốn. Ngồi ra, việc cập
nhật bán kính và duyệt lặp lại các điểm như trong thuật tốn SESD
cũng khơng cần phải thực hiện để tối ưu hiệu suất hệ thống và đơn
giản hơn trong việc triển khai thiết kế. Điều này làm cho thuật toán
FSD phù hợp hơn đối với việc triển khai kiến trúc pipeline so với kỹ
thuật Tree-search tuần tự được sử dụng trong thuật toán SESD. Một
số kiến trúc phần cứng của bộ tách tín hiệu FSD đã được công bố như
thiết kế của Barbero trong cơng trình [17] và thiết kế của Chu trong
cơng trình [18]. Các thiết kế này đạt được tần số hoạt động cao, lên
tới 265 MHz như trong thiết kế của Chu khi triển khai trên Virtex 5
VSX240T. Tuy nhiên, các kết quả đạt được của các thiết kế này có
thể tốt hơn nữa khi áp dụng các kỹ thuật thiết kế pipeline, đặc biệt
là về thông lượng và tần số hoạt động.
6


Với phân tích nêu trên và xuất phát từ những kết quả nghiên cứu

trong và ngoài nước cho thấy, mặc dù đã có rất nhiều cơng trình
nghiên cứu đề xuất về thuật toán cũng như kiến trúc phần cứng cho
các bộ tách tín hiệu sử dụng trong các mơ hình MIMO khác nhau,
nhưng các bộ tách tín hiệu này nhìn chung vẫn có thể tối ưu hơn nữa
về thuật tốn để tăng cường phẩm chất BER, giảm độ phức tạp tính
tốn. Đồng thời vẫn có nhiều bộ tách sóng có thuật toán rất tốt nhưng
chưa được thiết kế kiến trúc phần cứng với các thông số thiết kế tối
ưu để có thể triển khai trong thực tế và phù hợp với công nghệ hiện
tại. Đặc biệt là đối với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, như hệ
thống Điều chế khơng gian tốc độ cao HRSM, thì phần cứng của bộ
tách tín hiệu địi hỏi phải được thiết kế đảm bảo đạt thông lượng cao
và tần số hoạt động lớn. Điều này nhằm đáp ứng được yêu cầu về tốc
độ cao trong việc truyền nhận dữ liệu. Song song với đó là lượng chi
phí tài ngun phần cứng sử dụng cũng cần phải nằm trong giới hạn
hợp lý. Do đó, việc nghiên cứu, triển khai các kỹ thuật thiết kế kiến
trúc phần cứng VLSI như xử lý pipeline và xử lý parallel vào kiến trúc
của các bộ tách tín hiệu ở phía thu là rất cần thiết để có thể đáp ứng
được các yêu cầu về thiết kế nêu trên. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh
đã lựa chọn và thực hiện luận án “Nghiên cứu bộ tách tín hiệu trong
các hệ thống SM-STBC: mơ hình, thuật tốn và thực thi”. Luận án
tập trung nghiên cứu và đề xuất về mặt lý thuyết các giải pháp cải
thiện phẩm chất BER của hệ thống, giảm độ phức tạp tính tốn gồm
cải tiến các bộ tách tín hiệu chưa tối ưu và xây dựng 01 mơ hình mã
khối khơng gian thời gian tốc độ cao. Tiếp đó, luận án tiến hành triển
khai thiết kế phần cứng cho một số bộ tách tín hiệu trên nền tảng
7