Hệ thống MIMO 3

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông Hệ thống MIMO

Chương 3:

ĐA NGƯỜI DÙNG MIMO-VBLAST

3.1 MỞ ĐẦU

Trên cơ sở đặc tính kênh vô tuyến, mô hình và hiệu năng của kênh MIMO đã được trình bầy ở chương trước, ta thấy rằng khi dùng nhiều anten phát/thu cho phép truyền tốc độ dữ liệu cao, dung lượng tăng tuyến tính theo min(số anten phát/thu) trong môi trường giầu tán xạ tại SNR đủ lớn Nhiều giải thuật tách tín hiệu đã được

đề xuất nhằm khai thác dung lượng cao của kênh MIMO, trong đó giải thuật V-BLAST (Vertical Bell-Labs Layered Space-Time) dùng cấu trúc phân lớp được xem

là thích hợp hơn cả Giải thuật này cung cấp hiệu năng xác suất lỗi tốt hơn so với các máy thu tuyến tính truyền thống nhưng vẫn có mức độ phức tạp đủ thấp Trong phạm

vi và mục tiêu của đề tài, chương này ta xét các bộ tách sóng đa người dùng trên đường lên trong trường kênh MIMO: Xét ba loại máy thu đa người dùng điển hình: Máy thu giải tương quan; máy thu MMSE; máy thu MPIC trong môi trường kênh SISO Đề cập ngắn gọn giải thuật V-BLAST được kết hợp với các máy thu đa người dùng nhằm đạt được dung lượng kênh cao trong khi đó vẫn chia sẻ cùng tài nguyên phổ tần trên kênh MIMO Kỹ thuật giảm chệch ước tính cũng được đề cập cho máy thu MPIC trong cả hai môi trường kênh SISO và MIMO Trong truyền thông vô tuyến các kỹ thuật đa truy nhập như: TDMA, FDMA, CDMA được sử dụng để chia

sẻ hiệu quả tài nguyên phổ khả dụng, đặc biệt là CDMA trong đó kỹ thuật để đạt được sự cải thiện dung lượng cho CDMA là tách sóng đa người sử dụng Theo đó, chương này được tổ chức và trình bày như sau:

Phần 3.2: Tách sóng đa người dùng cho kênh SISO: Cụ thể là ta xét tóm tắt bốn

loại máy thu đa người dùng cho đường lên gồm: (i) máy thu truyền thống; (ii) máy thu giải tương quan; (iii) máy thu sai số trung bình quân phương tối thiểu (MMSE);

(iv) máy thu khử nhiễu song song đa tầng (MPIC).

Phần 3.3: Kiến trúc không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí

nghiệm Bell V-BLAST: Kiến trúc V-BLAST; xét và so sánh giữa khử nhiễu liên tiếp SIC và khử nhiễu song song PIC một cách ngắn ngọn

Phần 3.4: Tách sóng đa người dùng với V-BLAST trên kênh MIMO Xét mô

hình hệ thống, các cấu trúc máy thu điểm hình, vấn đề khử nhiễu song song đa tầng PIC

3.2 TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG CHO KÊNH SISO

3.2.1 Mô hình hệ thống

Tín hiệu băng gốc thu r(t) từ K người dùng được công thức hóa như sau:

K k

k-1

r(t) = ∑h s (t-τ ) + n(t)

(3.1)

k

jθ

trong đó: sk(t) là tín hiệu phát của người sử dụng thứ k; Pk là công suất tín hiệu thu của người sử dụng thứ k; ck(t) là chuỗi trải phổ người dùng thứ k; bk(t) là số liệu người dùng thứ k; τk là thời gian trễ từ người dùng thứ k thể hiện cho bản chất không

đồng bộ ở đường lên; θk là pha thu của người dùng thứ k so với pha tham chiếu; hk thể hiện hệ số kênh pha đing và pha ở dạng phức Hệ số pha đinh được mô hình hóa

là biến ngẫu nhiên Gaussian phức trị trung bình không phương sai 0,5 độc lập thống

kê Nếu chỉ xét trong môi trường kênh AWGN thì bỏ qua hệ số hk; n(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng Hình 3.1 minh họa hệ thống được định nghĩa bởi công thức (3.1) và (3.2)

1

h

k

h

2

n(t)

c (t-τ )

c (t-τ )

c (t-τ )

b (t-τ )

b (t-τ )

b (t-τ )

Hình 3.1 Mô hình hệ thống đa người dùng trong môi trường kênh SISO

3.2.2.1 Máy thu truyền thống

Số liệu đủ để xác định ký hiệu phát b từ đầu ra bộ tương quan y ở dạng vectơ là:

trong đó: R là ma trận tương quan có kích cỡ KNf xKNf; W là ma trận đường chéo

kích cỡ KNfxKNf có các phần tử là căn bậc hai năng lượng thu của người dùng; b là

các véctơ ký hiệu số liệu của mọi người dùng có độ dài KxNf , trong đó mỗi phần tử tương ứng với ký hiệu số liệu; K là số người dùng tích cực; Nf là kích cỡ của các ký hiệu số liệu phát liên tục (kích cỡ khung)

R =

R(0)

R(1)

R(0) R(1)

R(-1)

R(-1) R(0)

R(0) R(1)

R(-1) 0

0 0

0

0

(3.4)

phần tử R(i) có kích cỡ KxK được xác định là:

ρ (i) c (t-τ )c (t+iT-τ )dt

∞

−∞

trong đó: T là chu kỳ ký hiệu

Số đo quyết định cho máy thu truyền thống là:

[ ]

ˆ sgn[ ] sgn = =

Cho thấy, ma trận tương quan R ảnh hưởng lên việc quyết định ký hiệu phát,

nghĩa là bộ tách sóng truyền thống đối phó kém đối với nhiễu từ các người dùng khác đặc biệt ở đường lên (hệ thống không đồng bộ), bởi lẽ khó đảm bảo tính trực giao cho các chuỗi dấu (chuỗi trải phổ) với mọi dịch thời Vì vậy, với bộ tách sóng truyền thống không thể tránh được nhiễu đa người dùng MUI trong hệ thống không đồng bộ

3.2.2.2 Máy thu giải tương quan

Bộ tách sóng tuyến tính là bộ tách sóng có số đo quyết định là

[ ]

ˆ sgn =

trong đó: T là biến đổi tuyến tính, với trường hợp máy thu truyền thống T = I, I là

ma trận đơn vị

Máy thu giải tương quan có T=R -1, vì vậy các ký tự ước tính được biểu diễn là:

ˆ sgn =  -1 

với giả thiết là hoàn toàn biết về pha và thời gian trễ

Biến đổi tuyến tính T được suy ra từ việc tối đa hóa hàm khả năng giống ML

hoặc giảm thiểu hàm giá phương trình (3.9):

Ước tính tuyến tính tốt nhất của b là:

-1 est

Ta tìm được các ký hiệu tách sóng trong (3.8) bằng hàm lấy dấu sign lên từng

phần tử của best

3.2.2.3 Máy thu MMSE

Máy thu MMSE là máy thu dùng bộ tách sóng tuyến tính bằng cách giảm thiểu lỗi trung bình bình phương MSE giữa ký hiệu phát & đầu ra bộ chuyển đổi

E (b - Ty) (b - Ty) Trong trường hợp máy thu MMSE, chuyển đổi tuyến tính của máy thu giải tương quan được dùng ở trên được thay bởi ( )− 1

0

hiệu năng của máy thu MMSE tiến đến hiệu năng của máy thu giải tương quan khi

0

N ® 0 MMSE tìm kiếm sự cân bằng giữa việc khử nhiễu & việc giảm sự gia tăng

tạp âm Vì vậy, máy thu MMSE tốt hơn máy thu giải tương quan tại SNR thấp đồng

thời hiệu năng của nó tiến đến hiệu năng của máy thu giải tương quan tại SNR cao.

3.2.2.4 Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC

Máy thu đa tầng bao gồm nhiều tầng loại bỏ nhiễu, được kết hợp với khái niệm loại bỏ nhiễu song song Tại mỗi tầng của MPIC dùng một máy thu bất kỳ nhưng nhưng độ chính xác của tầng đầu tiên hoặc tầng trước đó ảnh hưởng lên hiệu năng của toàn máy thu Ở đây, ta xét tầng đầu tiên dùng máy thu truyền thống để ước tính

độ lợi kênh và ký hiệu số liệu Các ước tính của mỗi người dùng được dùng để loại

bỏ nhiễu từ người dùng khác bằng cách trừ khử nhiễu ra khỏi tín hiệu mong muốn Việc khử nhiễu phụ thuộc vào tính chính xác của ước tính tại tầng trước Do tính thiếu chính xác của ước tính dẫn đến việc khử nhiễu không triệt để ở hệ thống thực,

có thể dùng nhiều tầng hoặc kỹ thuật ước tính hữu hiệu hơn Ngoài ra, dùng kỹ thuật loại bỏ nhiễu từng phần tại mỗi tầng để cải thiện sơ đồ MPIC nhằm giảm sự lệch trong các con số thống kê quyết định của MPIC

Số đo quyết định cho sơ đồ loại bỏ song song S tầng được biểu diễn là:

( )

ˆ sgn[ = s ]

trong đó

(s) (s)

1

ˆ

j¹k

ˆ

trong đó (s)

k

r là tín hiệu tầng s của người dùng thứ k sau khi loại bỏ nhiễu; ˆτ k là ước tính thời gian trễ của người dùng thứ k Sự lệch ước tính tăng tuyến tính theo tải của

hệ thống dẫn đến ảnh hưởng lên các thống kê quyết định đặc biệt đối với tầng đầu tiên Ở các tầng sau các ảnh hưởng này được giảm thiểu Giải pháp để giảm ảnh hưởng của chệch ước tính là đưa hệ số loại bỏ nhiễu từng phần C(s) như sau:

j¹k

ˆ

(3.14)

Hệ số này được gán giá trị tại mỗi tầng trong khoảng [ ]0,1

3.3 KIẾN TRÚC V-BLAST

3.3.1 Kiến trúc V-BLAST

Sơ đồ khối mức cao của V-BLAST được minh họa ở hình 3.2 Vector thu kích

cỡ nRx1 được mô hình hóa bởi:

Bộ mã

hóa vectơ

Xử lý tín hiệu V-BLAST

Kênh MIMO

Số

liệu

phát

1

a

T

n a

Số liệu thu

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống V-BLAST

trong đó: H là ma trận kênh kích cỡ nRxnT, mỗi phần tử hi,j là hệ số pha đing phức từ

anten phát j đến anten thu i, và được mô hình hóa bởi biến ngẫu nhiên Gauss phức

độc lập trị trung bình 0 và phương sai 0,5; a là vector ký hiệu phát kích cỡ nTx1; n là

vector thành phần AWGN trên mỗi anten thu có trị trung bình 0 và phương sai 2

n

δ

Ma trận rỗng hóa G được mô tả bởi (3.16) và (3.17) cho tiêu chuẩn ZF và

MMSE theo ma trận giả đảo của H:

( + )− 1 +

=

1 2

2

n d

−

δ

trong đó

2

2

n

d

δ

δ là nghịch đảo của tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại mỗi anten thu, H+ biểu diễn

ma trận chuyển vị liên hợp phức của ma trận kênh H

3.3.2 So sánh giữa SIC và PIC

Ta xét ngắn gọn hệ thống khử nhiễu được trình tự hóa (Ordered) và hệ thống khử nhiễu không được trình tự hóa (non-ordered), và so sánh kỹ thuật ZF & MMSE

trên cơ sở PIC & SIC Để áp dụng MMSE, cần phải biết SNR ở máy thu Vì vậy, việc biết SNR cũng được giả định ở máy thu

3.3.2.1 Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC

Thuật toán tách sóng SIC thực hiện loại bỏ nhiễu ở đầu ra của một lớp một cách liên tiếp trên mỗi lần lặp Việc thứ tự hóa các lớp tách sóng ảnh hưởng lên hiệu

năng của bộ tách sóng SIC Trước hết, khởi tạo ma trận rỗng hóa (nulling matrix)

theo công thức (3.16) và (3.17) tương ứng với tiêu chuẩn ZF và MMSE với giả thiết ước tính kênh hoàn hảo

Đối với sơ đồ được trình tự hóa, cần phải xác định giá trị lớn nhất của SNR sau tách

sóng, điều này tương ứng với việc chọn độ dài vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G có giá trị nhỏ nhất trong mỗi lần lặp Tín hiệu lớp đầu tiên được tách sóng với vector hàng của G xóa bỏ tín hiệu từ tất cả các anten khác được cho ở (3.18) Tín hiệu thu sau loại bỏ nhiễu lớp thứ i có dạng:

trong đó: ˆa là ký hiệu được tách sóng ở bước i; ( )H i là cột thứ i của ma trận kênh; G

thường xuyên được cập nhật bằng cách rỗng hóa ma trận kênh giả nghịch trước đó Quá trình này được lặp lại đến khi ký hiệu từ tất cả các anten phát được tách sóng

Đối với sơ đồ không được trình tự hóa, không cần phải xác định giá trị lớn nhất của

SNR sau tách sóng mà chọn ngẫu nhiên vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G

3.3.2.2 Loại bỏ nhiễu song song

Bộ tách sóng V-BLAST dựa trên PIC không nhận được độ lợi khi thực hiện trình tự hóa các lớp

Tại tầng đầu tiên, tất cả các lớp đều được tách sóng đồng thời theo (3.19)

trong đó: G là ma trận giả nghịch của ma trận kênh kích cỡ nTxnR; r là vetơ ký hiệu

thu; ˆa là dạng vectơ của mọi lớp được tách sóng Phương trình (3.6) mô tả quá trình loại bỏ nhiễu bằng cách trừ khử nhiễu của (nT-1) lớp còn lại Tín hiệu thu sau loại bỏ nhiễu bước đầu tiên được thực hiện bởi:

( ) a

j k

ˆ

¹

trong đó: rk là vectơ ký hiệu thu được loại bỏ nhiễu ở lớp thứ k; ( )H j là vectơ cột thứ

Tại tầng thứ 2, tính toán lại ma trận rỗng hóa (cập nhật) bằng cách rỗng hóa ma trận

kênh nhưng ở lớp thứ k Vì vậy, ma trận rỗng hóa trở thành vectơ hàng có kích cỡ 1xnR như phương trình (3.7)

+

Bằng cách nhân rk từ (3.20) với Gk từ (3.21), bộ tách sóng V-BLAST/PIC khôi

phục mọi phần tử của vectơ ký hiệu phát a.

3.3.3 Ảnh hưởng của truyền lan lỗi

Hiệu năng của V-BLAST bị ràng buộc bởi tính chính xác của các ký hiệu được khôi phục ở lớp trước đó hoặc tầng trước đó tương ứng với SIC hoặc PIC

Trường hợp V-BLAST/SIC, tín hiệu thu sau khi loại bỏ nhiễu của (k-1) lớp được

biểu diễn bởi:

( j (i) - (i) j ) T ( j (i))

n

k 1

ˆ

+

trong đó: thành phần đầu tiên thể hiện lớp mong muốn; thành phần thứ 2 thể hiện cho nhiễu từ (k-1) lớp được loại bỏ; thành phần thứ 3 thể hiện cho (nT-k) lớp không được loại bỏ; thành phần cuối cùng là AWGN Trong điều kiện giả đinh loại bỏ lý tưởng (triệt để), thành phần thứ 2 bằng không vì aj (i) = (i)aˆ j nên không xảy ra truyền lan lỗi.

Trường hợp V-BLAST/PIC, tín hiệu thu sau khi loại bỏ nhiễu tầng đầu tiên được

biểu diễn bởi:

j k

ˆ

¹

trong đó: thành phần đầu tiên thể hiện các lớp mong muốn; thành phần thứ 2 thể hiện cho nhiễu từ (nT-1) lớp được loại bỏ; thành phần cuối cùng là AWGN Trong điều kiện giả đinh loại bỏ lý tưởng, thành phần thứ 2 bằng không vì aj (i) = (i)aˆ j nên không

xảy ra truyền lan lỗi

3.4 TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG VỚI V-BLAST TRÊN MIMO

3.4.1 Mô hình hệ thống

Tín hiệu thu băng tần gốc từ K người dùng được biểu diễn là

K k

k 1

=

k

j e

k (t - t k ) = k k (t - t k )c (t k - t k ) q

tín hiệu thu ở dạng vectơ là r(t) = ë é r (t)r (t) r (t) 1 2 n R ù û Trong đó: chỉ số trên thể hiện cho

anten thu; Hk là ma trận kênh pha đinh MIMO kích cỡ nTxnR ảnh hưởng lên người dùng thứ k, các phần tử hkij là độ lợi kênh pha đinh phức đường truyền từ anten phát

thứ j đến anten thu thứ i được mô hình hóa là biến ngãu nhiên Gausian phức độc lập

thống kê có trị trung bình không và phương sai là 0,5; ak là vecơ ký hiệu phát kích cỡ

k (t) = ë é b (t)b (t) b (t) k k k ù û

a , nghĩa là ak được phân kênh từ luống đầu vào bk phân

kênh ở đây là sơ đồ mã hóa cho V-BLAST ở phía phát; τk là thời gian trễ thể hiện cho sự không đồng bộ ở đường lên và không cần thiết xét ở đường xuống; θk là pha tương đối của tín hiệu thu người dùng thứ k; Pk là công suất tín hiệu thu của người dùng k; ck(t) là chuỗi trải phổ Mô hình được cho ở hình 3.3

1

H

c (t-τ )

c (t-τ )

c (t-τ )

b (t-τ )

b (t-τ )

r(t)

n(t)

Bộ mã hóa vector

Bộ mã hóa vector

Bộ mã hóa vector

b (t-τ )

s (t-τ )

s (t-τ )

s (t-τ )

2

H

k

H

Hình 3.3 Mô hình hệ thống MIMO-VBLAST đa người dùng

3.4.2 Máy thu đa người dùng

3.4.2.1 Máy thu truyền thống

Cấu trúc máy thu được thực hiện bởi ngân hàng bộ tương quan (hoặc bộ lọc thích hợp) tại mỗi anten sau đó là khối tách sóng V-BLAST Đầu ra của mỗi ngân

hàng bộ lọc được sắp xếp lại vào dạng vectơ cho mỗi người dùng Đầu ra bộ tương

quan yi tại anten thứ i được giải trải phổ bởi chuỗi trải phổ của mỗi người dùng, được

công thức hóa bởi

y i = RWX i + n, i=1,2, , nR (3.26)

trong đó: R là ma trận tương quan kích cỡ KNf x KNf;

R =

R(0)

R(1)

R(0) R(1)

R(-1)

R(-1) R(0)

R(0) R(1)

R(-1) 0

0 0

0

0

(3.27) phần tử R(i) kích cỡ KxK được xác định là:

ρ (i) c (t-τ )c (t+iT-τ )dt

∞

−∞

trong đó: T là chu kỳ ký hiệu; W là ma trận đường chéo kích cỡ KNfxKNf có các phần tử là căn bậc hai năng của lượng thu người dùng; K là số người dùng trong hệ thống; Nf là số ký hiệu liên tục (kích cỡ khung) ; X i là véctơ các ký hiệu số liệu của mọi người dùng độ dài KxNf truyền trên kênh MIMO được mô tả bởi (3.29) Mỗi phần tử được biểu diễn theo (3.30)

x (1)x (1) x (1) x (2)x (2) x (2) x (N )x (N ) x (N )

k

ij

T

n i

j 1

=

các thống kê được xử lý bởi giải thuật tách sóng V-BLAST sau khi qua bộ tương quan Ở đây ¤ G k được định nghĩa cho xử lý tách sóng V-BLAST với ma trận rỗng

hóa dần dần Gk (ma trận kênh giả nghịch của người dùng thứ k) Ma trận kênh giả nghịch cho tiêu chuẩn rỗng hóa ZF được cho ở (3.31) và ma trận kênh giả nghịch cho tiêu chuẩn rỗng hóa MMSE được cho ở (3.32) dưới đây:

( ) 1

k k+ k - k+

=

1 2

2 d

= ç ç çè + s ÷ ÷ø

loại bỏ các anten hay nhiễu không gian bởi thuật toán tách sóng V-BLAST theo kiểu PIC hoặc SIC Vì vậy, các ký hiệu khôi phục được trình bày bởi :

k

T

ˆ = é ëy y y ù û ,

Tín hiệu mong muốn ở máy thu truyền thống không thể tránh được nhiễu từ các người dùng khác đặc biệt đối với hệ thống không đồng bộ bởi lẽ ma trận tương quan tham gia vào quá trình quyết định sự kiện các ký hiệu phát trong V-BLAST như đã được đề cập ở trên Dưới đây ta xét vắn tắt sơ đồ loại bỏ nhiễu tuyến tính và phi tuyến

Ngân hàng bộ tương quan

Tach sóng V-BLAST

G 1

Tách sóng V-BLAST

Gk

Tách sóng V-BLAST

G2

r(t)

1

ˆb

Ngân hàng bộ tương quan

2

ˆb

ˆ

k

b

Anten thu R x #n R

Hình 3.4 Cấu trúc của máy thu truyền thống cho hệ thống V-BLAST đa người dùng

3.4.2.2 Máy thu giải tương quan

Máy thu giải tương quan dùng bộ tách sóng tuyến tính thực hiện khử nhiễu bởi chuyển đổi tuyến tính để tìm số đo quyết định

Trước hết, cần phải loại bỏ nhiễu bằng cách

i , i 1, 2, ,n R