Đánh giá các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống mimo hợp tác

Gi9 s@ rIng kênh truyFn giAa các thi1t b< là fading phMng Rayleigh và các relay s@ dNng kB thu3t gi9i mã và chuyDn ti1p.. Lu3n v&n kh9o sát công thEc SER c=a kB thu3t tách sóng ZF và thi

!"I H#C QU$C GIA THÀNH PH$ H% CHÍ MINH

TR!"NG #$I H%C BÁCH KHOA

-

V&N PHÚ TU'N

#ÁNH GIÁ CÁC K( THU)T TÁCH SÓNG TRONG H* TH+NG MIMO H,P TÁC

Chuyên ngành: K- thu.t /i0n t1

Mã s2: 605270

LU)N V&N TH$C S3

TP H% CHÍ MINH, tháng 12 n&m 2012

TR')NG !"I H#C BÁCH KHOA - !HQG - HCM

Cán b* h+,ng d-n khoa h.c: TS H/ V&n Kh+0ng

TS Ch1 Vi2t Nh3t Anh

Cán b* ch4m nh3n xét 1:

Cán b* ch4m nh3n xét 2:

Lu3n v&n th5c s6 7+8c b9o v2 t5i Tr+:ng !5i h.c Bách Khoa, !HQG Tp HCM ngày 26 tháng 12 n&m 2012 Thành ph;n H*i 7/ng 7ánh giá lu3n v&n th5c s6 g/m: (Ghi rõ h., tên, h.c hàm, h.c v< c=a H*i 7/ng ch4m b9o v2 lu3n v&n th5c s6) 1

2

3

4

5

Xác nh3n c=a Ch= t<ch H*i 7/ng 7ánh giá LV và Tr+>ng Khoa qu9n l? chuyên ngành sau khi lu3n v&n 7ã 7+8c s@a chAa (n1u có)

NHI*M V= LU)N V&N TH$C S3

Ngày, tháng, n&m sinh: 20/07/1987 N0i sinh: Qu9ng Nam

Chuyên ngành: KB thu3t 7i2n t@ Mã sC : 605270

I TÊN #> TÀI:

!ánh giá các kB thu3t tách sóng trong h2 thCng MIMO h8p tác

II NHI*M V= VÀ N6I DUNG:

- Tìm hiDu các kB thu3t tách sóng: ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt

và các ki1n thEc liên quan 71n MIMO h8p tác, kênh truyFn, 7iFu ch1

- Kh9o sát biDu thEc SER c=a kB thu3t ZF và xây dGng biDu thEc x4p xH SER c=a kB thu3t MMSE 7Ci v,i 7iFu ch1 PSK và QAM trong h2 thCng MIMO

- Thi1t l3p biDu thEc SER h2 thCng MIMO h8p tác 7Ci v,i ba ch1 7* truyFn và biDu thEc cân bIng công su4t

- ThGc hi2n mô phJng và 7ánh giá h2 thCng

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI*M V=:

L"i #$u tiên em xin bày t% lòng bi&t chân thành và trân tr'ng nh(t )&n TS H* V!n Kh+,ng và TS Ch& Vi-t Nh.t Anh S/ h+0ng d1n nhi-t tình c2a các th$y )ã giúp em có )2 t/ tin v+3t qua nh4ng khó kh!n trong quá trình th/c hi-n )5 tài và ti&p c.n v0i cách t+ duy khoa h'c

Em xin g6i l"i c7m ,n )&n t(t c7 các th$y cô )ã d8y d9 em nên ng+"i Nh4ng ki&n th:c qu; báu mà các th$y cô truy5n )8t cho em chính là nh4ng hành trang tuy-t v"i giúp em v+3t qua nh4ng khó kh!n trong quá trình h'c t.p

Con xin g6i )&n cha m< lòng bi&t ,n sâu s=c nh(t, cha m< )ã luôn nh=c nh>

và )?ng viên con m9i khi con g@p khó kh!n #ó là )?ng l/c to l0n giúp con v4ng b+0c trên con )+"ng nghiên c:u

Và tôi cAng g6i l"i c7m ,n )&n các b8n c2a tôi, nh4ng ng+"i )ã cùng sánh b+0c bên tôi trên con )+"ng h'c t.p Các b8n )ã luôn giúp )B và chia sC nh4ng ki&n th:c qu; báu m9i khi tôi g@p khó kh!n

M@c dù )ã n9 l/c )D hoàn thành )5 tài nh+ng do ki&n th:c và nh4ng kinh nghi-m trong công tác nghiên c:u còn h8n ch& nên )5 tài còn nhi5u thi&u sót Tôi mong nh.n )+3c s/ góp ; c2a các th$y cô và các b8n

Tp H* Chí Minh, tháng 12 n!m 2012

H'c viên th/c hi-n V!n Phú Tu(n

H2 thCng MIMO h8p tác cho phép các thi1t b< MIMO chia sK các &ngten phát 7D 75t 7+8c 7* l8i phân t3p cao nhIm gi9i quy1t v4n 7F vF vùng ph=, c9i thi2n hi2u su4t h2 thCng Chúng ta kh9o sát h2 thCng MIMO h8p tác v,i m*t b* phát 7+8c

trang b< N T &ngten, R thi1t b< relay trang b< N T &ngten và m*t b* thu trang b< N D

&ngten Ngu/n truyFn b9n tin 71n 7ích và các relay sL chuyDn ti1p thông tin 7ó 71n 7ích Gi9 s@ rIng kênh truyFn giAa các thi1t b< là fading phMng Rayleigh và các relay s@ dNng kB thu3t gi9i mã và chuyDn ti1p Lu3n v&n kh9o sát công thEc SER c=a kB thu3t tách sóng ZF và thi1t l3p công thEc x4p xH SER cho kB thu3t tách sóng MMSE TO nhAng công thEc SER c=a h2 thCng MIMO, chúng ta xây dGng công thEc SER cho h2 thCng MIMO h8p tác và công thEc cân bIng công su4t c=a ba ch1 7* truyFn (truyFn trGc ti1p, truyFn thông qua relay và truyFn k1t h8p v,i relay) Lu3n v&n t3p trung nghiên cEu 9nh h+>ng c=a các kB thu3t tách sóng (ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt và MMSE-SIC-Opt) lên h2 thCng Thông qua mô phJng và phân tích các k1t qu9 75t 7+8c, chúng ta sL th4y 7+8c tác 7*ng c=a sC l+8ng relay, suy hao kênh truyFn, mEc 7iFu ch1 m*t cách rõ ràng và chEng minh hi2u qu9 c=a vi2c s@ dNng relay và các kB thu3t tách sóng c9i ti1n trong h2 thCng MIMO h8p tác

The cooperative MIMO system allows MIMO devices to share their antennas

to achieve high transmit diversity to solve the extending coverage and improving

performance problems We consider a cooperative MIMO system with a N T

-antenna source, R N T -antenna relays and a N D-antenna destination Relays and source forward their information to destination Assuming that the channel between any device is frequency-flat Rayleigh fading and relays use decode-and-forward scheme This thesis investigates SER formulae of ZF detection and establishes approximation SER formulae of MMSE detection After obtaining SER formulae of MIMO system, we construct SER formulae of cooperative MIMO system and balance the power formula of three transmission schemes (Direct Transmission, DF without direct line and DF with direct line) This thesis focuses on studying the impact of detection techniques (ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt and MMSE-SIC-Opt) on cooperative MIMO system Simulation and analyzing results provide an insight into the effects of different factors such as number of relays, the path loss, modulation level and prove the efficiency of using relays and new detection techniques in cooperative MIMO system

Tôi xin cam 7oan 7ây là công trình nghiên cEu c=a tôi Các sC li2u, k1t qu9 nêu trong lu3n v&n là trung thGc

V&n Phú Tu4n

212! g$G)!0'D!m$>8!<n!Q)789!9L0!jop*l!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!"@!21@! kqd!0EF!<$G)!0'D!*rNk3!QH!*rop*!11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!"I!

@! 3f!&')Z&!.'s8!&Z.!&:589!'(!&'X89!*+*,!1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!"^!

@1"! b/0!af!&')Z&!.'s8!&Z.!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!"c!

@12! t)!<$uP!0EF!0/0!af!&')Z&!.'s8!&Z.!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2"!

I! b/0!af!&')Z&!&/0'!6L89!QH!&vP!`)F8!&:w89!0/0!af!&')Z&!&/0'!6L89!11111111111111111111111111111111111111111111111111!2"!

I1@! 3f!&')Z&!xy!11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2@!I1I! 3f!&')Z&!**kq!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2@!I1M! 3f!&')Z&!xyzk+b!QH!xyrk+br,.&!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2I!I1R! 3f!&')Z&!**kqzk+b!QH!**kqrk+br,.&!11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2R!

M! *+*,!'-.!&/0!QH!0/0!0'D!<n!&:)\G8!&:589!*+*,!'-.!&/0!1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2^!M1"! A_89!`)F8!QG!*+*,!'-.!&/0!1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2^!M12! b/0!.'T{89!.'/.!0')\u8!&$D.!hK!Y$()!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2^!M1@! b'D!<n!&:)\G8!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!2c!

'''+$-M*<$-9N*$%O$-<0P>-$++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++$QR!

"! *7!';8'!'(!&'X89!11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!@2!

2! N's8!&B0'!'HP!.'s8!.'X$!0EF!kJd!QH!kqd!0EF!xy!1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!@2!21"! UHP!.'s8!.'X$!kJd ! 0EF!xy!1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!@2!

212! |C.!ÄÅ!#FPPF!&_89!`)/&!111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!R^!21@! |C.!ÄÅ!'HP!aD&!'-.!1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111!VÉ!

DF with DT DF with Direct Transmission

DF without DT DF without Direct Transmission

i.i.d Independent and Identically Distributed

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

Danh m$c hình v%

Hình 2.1: phân bC 7iDm 8-PSK và miFn gi9i mã 7úng c=a M-PSK

Hình 2.2: Phân bC 7iDm c=a 16-QAM và miFn xác su4t P 1 , P 2

Hình 2.3: S0 7/ khCi h2 thCng truyFn tin

Hình 2.4: Hi2n t+8ng truyFn sóng 7a 7+:ng

Hình 2.5: Hi2u Eng Doppler

Hình 2.6: Phân t3p phát v,i p = 2, m = 1

Hình 2.7: Phân t3p thu v,i p = 1, m = 2

Hình 2.8: Phân tâp theo th:i gian

Hình 2.9: H2 thCng MIMO tPng quát

Hình 2.10: Mô hình h2 thCng MIMO 2!2

Hình 2.11: Ph+0ng pháp khu1ch 75i và chuyDn ti1p

Hình 2.12: Ph+0ng pháp gi9i mã và chuyDn ti1p

Hình 4.1: KB thu3t tách sóng ZF (2!2, 2!4, 2!6)

Hình 4.2: KB thu3t tách sóng ZF (3!9, 3!6, 3!9)

Hình 4.3: KB thu3t tách sóng MMSE (2!2, 2!4, 2!6)

Hình 4.4: KB thu3t tách sóng MMSE (3!3, 3!6, 3!9)

Hình 4.5: So sánh SER c=a ZF, ZF-SIC, ZF-SIC-opt trong h2 thCng MIMO 2 !2

Hình 4.6: So sánh SER c=a ZF, ZF-SIC, ZF-SIC-opt trong h2 thCng MIMO 2!4

Hình 4.7: So sánh SER c=a MMSE, MMSE-SIC, MMSE-SIC-opt trong h2 thCng MIMO 2!2 Hình 4.8: So sánh SER c=a MMSE, MMSE-SIC, MMSE-SIC-opt trong h2 thCng MIMO 2!4 Hình 4.9: SERMMSE MIMO 2Q2 và 2Q4, 7iFu ch1 BPSK, x4p xH bIng hàm Gamma

Hình 4.10: SER MMSE MIMO 4Q4 và 4Q8, 7iFu ch1 8-PSK, x4p xH bIng hàm Gamma

Hình 4.11: SERMMSE MIMO 2Q2 và 2Q4, 7iFu ch1 4-QAM, x4p xH bIng hàm Gamma

Hình 4.12: SER MMSE MIMO 4Q4 và 4Q8, 7iFu ch1 16-QAM, x4p xH bIng hàm Gamma

Hình 4.13: SER MMSE MIMO 3Q3, 7iFu ch1 BPSK, x4p xH bIng hàm Gamma tPng quát

Hình 4.14: SERMMSE MIMO 2Q2 và 2Q4, 7iFu ch1 BPSK, x4p xH bIng hàm Gamma tPng quát Hình 4.15: SER MMSE MIMO 3Q3, 7iFu ch1 4-QAM, x4p xH bIng hàm Gamma tPng quát Hình 4.16: SERMMSE MIMO 2Q2 và 2Q4, 7iFu ch1 4-QAM, x4p xH bIng hàm Gamma tPng quát Hình 4.17: SER MMSE MIMO 3Q3, 7iFu ch1 8-PSK, x4p xH bIng hàm k1t h8p

Hình 4.18: SERMMSE MIMO 2Q2 và 2Q4, 7iFu ch1 8-PSK, x4p xH bIng hàm k1t h8p

Hình 4.19: SER MMSE MIMO 3Q3, 7iFu ch1 4-QAM, x4p xH bIng hàm k1t h8p

Hình 4.20: SERMMSE MIMO 2Q2 và 2Q4, 7iFu ch1 4-QAM, x4p xH bIng hàm k1t h8p

Hình 4.23: SERMMSE MIMO 2Q2, 7iFu ch1 8-PSK, 3 kiDu x4p xH

Hình 4.24: SER MMSE MIMO 2Q2, 7iFu ch1 4-QAM, 3 kiDu x4p xH

Hình 4.25: SERMMSE MIMO 2Q2, 7iFu ch1 16-QAM, 3 kiDu x4p xH

Hình 4.26: MIMO coop DT (R=1), 7iFu ch1 BPSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.27: MIMO coop DT (R=1), 7iFu ch1 4-PSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.28: MIMO coop DT (R=1), 7iFu ch1 4-QAM v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.29: MIMO coop DT (R=1), 7iFu ch1 8-PSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.30: MIMO coop DT (R=1), 7iFu ch1 16-PSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.31: MIMO coop DT (R=1), 7iFu ch1 16-QAM v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.32: MIMO coop DT (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.33: MIMO coop DT (R=2), 7iFu ch1 4-PSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.34: MIMO coop DT (R=2), 7iFu ch1 4-QAM v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.35: MIMO coop DT (R=2), 7iFu ch1 8-PSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.36: MIMO coop DT (R=2), 7iFu ch1 16-PSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.37: MIMO coop DT (R=2), 7iFu ch1 16-QAM v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.38: T.a 7* thi1t b< phát, thi1t b< thu và các Relay

Hình 4.39: MIMO coop DF without DT (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i 4 kiDu tách sóng

Hình 4.40: MIMO coop DF without DT (R=2), 7iFu ch1 4-QAM v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.41: MIMO coop DF without DT (R=2), 7iFu ch1 8-PSK v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.42: MIMO coop DF without DT (R=1), 7iFu ch1 16-QAM v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.43: MIMO coop DF with DT (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.44: MIMO coop DF with DT (R=2), 7iFu ch1 4-QAM v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.45: MIMO coop DF with DT (R=2), 7iFu ch1 8-PSK v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.46: MIMO coop DF with DT (R=2), 7iFu ch1 16-QAM v,i 4 kiDu tách sóng Hình 4.47: MIMO coop DT (R=1), MMSE và các lo5i 7iFu ch1

Hình 4.48: MIMO coop DF with DT (R=1), MMSE và các kiDu 7iFu ch1

Hình 4.49: MIMO coop DF without DT (R=1), MMSE và các kiDu 7iFu ch1

Hình 4.50: MIMO coop with DT (R=1), ZF và các kiDu 7iFu ch1

Hình 4.51: MIMO coop with DT (R=2), ZF-SIC-Opt và các kiDu 7iFu ch1

Hình 4.52: MIMO coop DT (R=2), MMSE-SIC-Opt và các kiDu 7iFu ch1

Hình 4.53: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i kB thu3t ZF

Hình 4.54: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 4-QAM v,i kB thu3t ZF

Hình 4.55: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 8-PSK v,i kB thu3t ZF

Hình 4.56: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 16-QAM v,i kB thu3t ZF

Hình 4.57: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i kB thu3t MMSE

Hình 4.60: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 16-QAM v,i kB thu3t MMSE

Hình 4.61: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i kB thu3t ZF-SIC-Opt Hình 4.62: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 4-QAM v,i kB thu3t ZF-SIC-Opt Hình 4.63: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 8-PSK v,i kB thu3t ZF-SIC-Opt Hình 4.64: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 16-QAM v,i kB thu3t ZF-SIC-Opt Hình 4.65: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 BPSK v,i kB thu3t MMSE-SIC-Opt Hình 4.66: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 4-QAM v,i kB thu3t MMSE-SIC-Opt Hình 4.67: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 8-PSK v,i kB thu3t MMSE-SIC-Opt Hình 4.68: MIMO coop (R=2), 7iFu ch1 16-QAM v,i kB thu3t MMSE-SIC-Opt Hình 4.69: MIMO coop và cân bIng công su4t, t.a 7* Relay: (0.0,0.1); (0.0,0.1) Hình 4.70: MIMO coop và cân bIng công su4t, t.a 7* Relay: (0.0,0.2); (0.0,0.2) Hình 4.71: MIMO coop và cân bIng công su4t, t.a 7* Relay: (0.2,0.2); (0.2,0.2) Hình 4.72: MIMO coop và cân bIng công su4t, t.a 7* Relay: (0.4,0.2); (0.4,0.2) Hình 4.73: MIMO coop và cân bIng công su4t, t.a 7* Relay: (0.4,0.4); (0.4,0.4)

Danh m$c b&ng bi'u

B9ng 2.1: Ch1 7* truyFn trGc ti1p (DT)

B9ng 2.2: Ch1 7* truyFn k1t h8p v,i Relay (DF with DL)

B9ng 2.3: Ch1 7* truyFn thông qua Relay (DF without DL)

I M8 #GU

1 GiHi thi0u MIMO hIp tác

Ngày nay, công ngh2 MIMO 7ã phát triDn m5nh mL trong l6nh vGc viRn thông b>i nhAng +u 7iDm vCn có: t&ng tCc 7* dA li2u, nâng cao ch4t l+8ng tín hi2u … DGa trên các kB thu3t phân t3p (phân t3p không gian, phân t3p th:i gian, mã hóa …), các thi1t b< MIMO 7+8c trang b< nhiFu &ngten và các gi9i thu3t tách sóng, mã hóa phEc t5p h0n so v,i h2 thCng SISO Xem xét trong l6nh vGc thông tin di 7*ng, các thi1t b< c;m tay theo sG phát triDn c=a công ngh2 7= kh9 n&ng gi9i quy1t các gi9i thu3t phEc t5p c=a MIMO, tuy nhiên kích th+,c c=a thi1t b< di 7*ng không cho phép trang b< nhiFu &ngten Ngoài ra, 7iFu ki2n 7<a hình cSng 9nh h+>ng r4t l,n trong thông tin di 7*ng !Tc bi2t > khu vGc 7ô th<, tCc 7* phát triDn các công trình nhanh d-n 71n nhiFu che chUn c9n tr> vi2c truyFn dA li2u TO h5n ch1 trên, ? t+>ng m*t h2 thCng MIMO h8p tác mà các thi1t b< MIMO trong 7ó cùng hV tr8 nhau truyFn dA li2u 71n 7ích ra 7:i

H2 thCng MIMO h8p tác s@ dNng các Relay 7D truyFn b9n tin 71n 7ích, các Relay 7+8c s@ dNng có thD ho5t 7*ng m*t cách 70n gi9n là nh3n, khu1ch 75i b9n tin

và chuyDn ti1p (AF) hoTc gi9i mã b9n tin 7D phân tích lVi tr+,c khi chuyDn ti1p (DF) kB thu3t chuyDn ti1p 7+8c ch.n tùy thu*c vào yêu c;u c=a h2 thCng Bên c5nh vi2c s@ dNng các Relay, nhAng kB thu3t tách sóng cSng 7óng m*t vai trò quan tr.ng trong vi2c nâng cao ch4t l+8ng h2 thCng: ZF, MMSE, ZF-SIC, MMSE-SIC, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt Các kB thu3t mã hóa tín hi2u nh+ PSK, QAM cSng 7+8c s@ dNng nhIm 75t hi2u qu9 truyFn tin cao nh4t V,i nhAng +u 7iDm vF nâng cao ch4t l+8ng tín hi2u, h2 thCng còn 75t 7+8c hi2u qu9 s@ dNng công su4t cao, kh9 n&ng t&ng dung l+8ng, t&ng di2n tích vùng ph= Vì v3y mà h2 thCng MIMO h8p tác có thD 7+8c Eng dNng r*ng rãi trong các h2 thCng không dây phù h8p nh+ m5ng c9m bi1n không dây (wireless sensor network) , m5ng Ad-hoc, m5ng thông tin di 7*ng

2 KhJo sát các công trình /ã nghiên cKu

Hi2n nay 7ã có nhiFu nghiên cEu vF các v4n 7F c=a MIMO h8p tác, chMng h5n

nh+ kh9 n&ng t&ng phân t3p khi s@ dNng các Relay hay l8i dNng kênh truyFn tCt c=a các Relay 7D t&ng ch4t l+8ng tín hi2u > b* thu V4n 7F vF m> r*ng vù ph= sóng bIng vi2c s@ dNng Relay làm thi1t b< trung gian chuyDn ti1p dA li2u nhIm truyFn tín hi2u 71n nhAng v< trí xa h0n 7Ci v,i h2 thCng SISO [1] Hi2u qu9 s@ dNng 7* l8i phân t3p c=a h2 thCng MIMO h8p tác 7+8c thD hi2n thông qua tW l2 lVi bit gi9m so v,i h2 thCng thông th+:ng, các thi1t b< phát và Relay trang b< m*t &ngten, thi1t b< thu trang b< nhiFu &ngten [8] và m> r*ng kh9o sát v,i m.i thi1t b< 7Fu trang b< nhiFu

&ngten [9][10]

Trong h2 thCng MIMO h8p tác, các Relay ho5t 7*ng tuân theo nhAng thJa hi2p 7+8c thi1t l3p > giai 7o5n kh>i t5o ban 7;u Các Relay thCng nh4t ph+0ng pháp chuyDn ti1p dA li2u nh+ khu1ch 75i và chuyDn ti1p (AF), gi9i mã và chuyDn ti1p (DF) hoTc mã hóa k1t h8p (CC) Vi2c lGa ch.n ph+0ng pháp chuyDn ti1p phN thu*c vào yêu c;u và c4u hình các thi1t b< trong h2 thCng !Ci v,i h2 thCng MIMO, v4n 7F tách sóng có m*t vai trò quan tr.ng trong vi2c khôi phNc tín hi2u Vì v3y khi kh9o sát h2 thCng MIMO h8p tác, các v4n 7F liên quan 71n kB thu3t tách sóng và 9nh h+>ng c=a các kB thu3t 71n ch4t l+8ng h2 thCng là c;n thi1t H2 thCng MIMO s@ dNng kB thu3t ZF trong kênh truyFn Rayleigh sL có hàm phân phCi c=a SER h2 thCng 7+8c tính dGa vào SNRk c=a nhánh thE k Và SNRk là m*t bi1n Chi-square có b3c tG do xác 7<nh tO phân t3p c=a h2 thCng, vì v3y hàm phân phCi SNRk có d5ng hàm Gamma [2] K1t qu9 7ó 7+8c áp dNng tính toán SER > ba ch1 7* truyFn c=a h2 thCng MIMO h8p tác: truyFn trGc ti1p, truyFn k1t h8p v,i Relay và truyFn thông qua Relay Các Relay 7+8c thi1t l3p ho5t 7*ng > ch1 7* DF 7/ng th:i 9nh h+>ng c=a h2 sC path loss exponent cSng 7+8c kh9o sát Trong ba ch1 7* truyFn, ch1 7* truyFn k1t h8p v,i Relay cho k1t qu9 SER tCt nh4t trong cùng m*t 7iFu ki2n kh9o sát: công su4t tiêu thN, sC l+8ng Relay, kiDu 7iFu ch1 [6]

Ngoài kB thu3t ZF, kB thu3t MMSE cSng 7+8c s@ dNng r*ng rãi b>i hi2u qu9 tCt trong vi2c gi9m lVi k? tG > h2 thCng MIMO !D phân tích h2 thCng MIMO trong kênh truyFn Rayleigh s@ dNng kB thu3t MMSE c;n ph9i tìm hiDu 7Tc tính c=a SINR nhIm tìm ra hàm phân phCi x4p xH (trong kênh truyFn t+0ng quan và không t+0ng quan) Thông qua vi2c xác 7<nh các moment c=a SINRk, vi2c x4p xH hàm phân phCi v,i m*t sC hàm phù h8p 7+8c thGc hi2n bIng ph+0ng pháp cân bIng moment Ba

hàm phân phCi 7+8c dùng 7D x4p xH hàm phân bC c=a SINR g/m: phân phCi chuXn, phân phCi gamma và phân phCi gamma tPng quát DGa và k1t qu9 7ó, SER c=a h2 thCng 7+8c x4p xH t+0ng 7Ci chính xác v,i kiDu 7iFu ch1 FSK [12]

NhAng kB thu3t tách sóng c9i ti1n c=a ZF và MMSE nh+ là ZF-SIC, SIC [13], ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt [14] s@ dNng kB thu3t tri2t nhiRu nCi ti1p sL cho k1t qu9 SER h2 thCng tCt h0n hMn KB thu3t MMSE cho k1t qu9 tCt h0n so ZF trong cùng m*t 7iFu ki2n kh9o sát, và 7* 7* l8i SER sL gi9m khi phân t3p thu t&ng

MMSE-!Ci v,i h2 thCng MIMO 2x2, tín hi2u 7iFu ch1 BPSK và xét > BER 10-3 thì SIC-Opt c!i thi!n kho!ng 2.5 dB v! "! l!i công su"t so v#i ZF-SIC, 5 dB v!i ZF, còn kB thu3t MMSE-SIC-Opt c!i thi!n kho!ng 6.25 dB so v!i MMSE-SIC, 8.25 dB

ZF-so v!i MMSE và 11.25 dB ZF-so v!i ZF

3 Tính cLp thiMt cNa /O tài

!ã có nhiFu công trình nghiên cEu vF h2 thCng MIMO h8p tác: v4n 7F 7iFu ch1, mã hóa, kênh truyFn, tách sóng !Ci v,i v4n 7F tách sóng, các nghiên cEu 7a ph;n chH kh9o sát > kB thu3t ZF, kB thu3t tách sóng này t3p trung kh@ ISI và không quan tâm 71n sG gia t&ng nhiRu c*ng 7;u vào &ngten Bên c5nh 7ó, có nhiFu kB thu3t tách sóng khác tCt h0n chMng h5n nh+ MMSE Khác v,i ZF, MMSE ch4p nh3n m*t ph;n ISI > tín hi2u và thay vào 7ó nhiRu 7;u vào c=a &ngten 7+8c kiDm soát, vì v3y mà SER c=a MMSE tCt h0n so v,i ZF Các kB thu3t c9i ti1n c=a ZF và MMSE có thD nói 71n là ZF-SIC, MMSE-SIC, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt NhAng kB thu3t này cho k1t qu9 r4t tCt > SNR cao, chính vì v3y vi2c “!ánh giá các

kB thu3t tách sóng trong h2 thCng MIMO h8p tác” giúp cho chúng ta có cái nhìn tPng quát vF 9nh h+>ng c=a các kB thu3t tách sóng lên h2 thCng MIMO h8p tác, tO 7ó 7+a ra lGa ch.n kB thu3t tách sóng phù h8p nhIm 7+a h2 thCng 75t hi2u qu9 tCt nh4t có thD

4 NhPng /óng góp cNa /O tài

!F tài t3p trung nghiên cEu 9nh h+>ng c=a bCn kB thu3t tách sóng lên SER c=a h2 thCng MIMO h8p tác: ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt và MMSE-SIC-Opt Các v4n 7F c=a kB thu3t tách sóng ZF 7ã 7+8c nghiên cEu m*t khá hoàn chHnh [6] vì v3y ngoài vi2c xây dGng l5i các công thEc và k1t qu9 75t 7+8c c=a kB thu3t ZF, 7F tài sL

m> r*ng nghiên cEu > ba kB thu3t tách sóng còn l5i và t3p trung ch= y1u vào kB thu3t MMSE nhIm tìm ra công thEc l? thuy1t c=a SER h2 thCng Áp dNng các hàm x4p xH SINR c=a h2 thCng MIMO [12] và SER c=a ph+0ng pháp 7iFu ch1 QAM và PSK, công thEc SER trong ba ch1 7* truyFn: truyFn trGc ti1p, truyFn k1t h8p v,i Relay và truyFn thông qua Relay sL 7+8c thi1t l3p Ngoài ra 7F tài còn kh9o sát các tham sC khác lên ch4t l+8ng h2 thCng nh+: sC l+8ng Relay, kiDu 7iFu ch1, 9nh h+>ng suy hao kênh truyFn 7Ci v,i c9 bCn kB thu3t tách sóng !ánh giá ch4t l+8ng h2 thCng > ba ch1 7* truyFn 7Ci v,i hai kB thu3t tách sóng: ZF và MMSE trong cùng m*t công su4t tiêu thN dGa trên hàm SER l? thuy1t xây dGng 7+8c

5 Ph<m vi nghiên cKu

Ph5m vi nghiên cEu c=a 7F tài t3p trung vào các kB thu3t tách sóng trong h2 thCng MIMO h8p tác g/m:

• M*t thi1t b< phát trang b< p &ngten phát, R Relay trang b< q &ngten phát

và q &ngten thu, m*t thi1t b< thu trang b< m &ngten thu

• Relay dùng kB thu3t chuyDn ti1p DF

• Tím hi2u 7+8c 7iFu ch1 M-QAM và M-PSK

• Thi1t b< thu và b* thu c=a Relay dùng các kB thu3t tách sóng: ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt và MMSE-SIC-Opt

• Kênh truyFn giAa các thi1t b< kh9o sát là kênh truyFn Rayleigh

• Kh9o sát h2 thCng > ba ch1 7* truyFn:

o Ch1 7* truyFn thMng

o Ch1 7* truyFn k1t h8p v,i Relay

o Ch1 7* truyFn thông qua Relay

6 MQc tiêu /O tài và hRHng nghiên cKu

6.1 MQc tiêu /O tài

!F tài nghiên cEu bCn kB thu3t tách sóng trong h2 thCng MIMO h8p tác g/m:

ZF, MMSE, ZF-SIC-Opt, MMSE-SIC-Opt nhIm 7ánh giá 7+8c +u 7iDm, h5n ch1

và ph5m vi áp dNng c=a tOng kB thu3t Ngoài vi2c thi1t l3p l5i các công thEc l? thuy1t c=a SNR, SER c=a h2 thCng MIMO h8p tác dùng kB thu3t ZF và SINR c=a

h2 thCng MMSE, 7F tài sL xây dGng các công thEc l? thuy1t c=a SER Eng v,i kB thu3t MMSE !F tài sL chH ra 7+8c +u 7iDm t&ng phân t3p c=a vi2c s@ dNng Relay

và hi2u qu9 vF mTt tPng công su4t tiêu thN c=a ch1 7* truyFn k1t h8p v,i Relay Bên c5nh các v4n 7F vF MIMO h8p tác, 7F tài còn tìm hiDu 9nh h+>ng c=a các v4n 7F vF 7iFu ch1, 9nh h+>ng c=a kênh truyFn lên ch4t l+8ng c=a h2 thCng

6.2 HRHng nghiên cKu

Quá trình nghiên cEu 7+8c chia làm hai giai 7o5n: nghiên cEu l? thuy1t và mô phJng h2 thCng K1t qu9 c=a hai giai 7o5n sL 7+8c so sánh v,i nhau nhIm 79m b9o tính chính xác, thGc t1 c=a 7F tài Bên c5nh 7ó, k1t qu9 mô phJng cung c4p cái nhìn trGc quan h0n vF 9nh h+>ng c=a tOng tham sC lên ch4t l+8ng c=a toàn h2 thCng nh+:

sC l+8ng Relay, sC &ngten trên thi1t b<, ph+0ng pháp 7iFu ch1, suy hao 7+:ng truyFn, ch1 7* truyFn

6.2.1 Nghiên cKu lS thuyMt

TO mNc tiêu 7F tài và ph5m vi nghiên cEu, giai 7o5n nghiên cEu l? thuy1t 7+8c thành 5 b+,c:

B+0c 1: Tìm hiDu nhAng 9nh h+>ng c=a kênh truyFn tác 7*ng lên h2 thCng

viRn thông TO 7ó tìm hiDu mô hình kênh truyFn Rayleigh, nhAng 9nh tác 7*ng c=a kênh Rayleigh lên tín hi2u

B+0c 2: TO mô hình kênh truyFn và các ki1n thEc c=a phân phCi Rayleigh,

thGc hi2n phân tích hai kB thu3t 7iFu ch1 PSK và QAM TO 7ó tìm mCi liên h2 giAa SER v,i tW sC SNR (hay SINR) cho tr+,c c=a tOng lo5i 7iFu ch1 !ây là b+,c tiFn 7F 7D tính SER c=a toàn h2 thCng

B+0c 3: Các liên k1t c=a thi1t b< phát-thu, thi1t b< phát-Relay và Relay-thi1t b<

thu trong h2 thCng MIMO h8p tác mang b9n ch4t c=a h2 thCng MIMO Chính vì v3y làm rõ v4n 7F phân t3p trong h2 thCng MIMO h8p tác sL th4y 7+8c mCi liên h2 c=a nó v,i h2 thCng MIMO

B+0c 4: Tìm hiDu các ph+0ng pháp chuyDn ti1p dA li2u (AF và DF), tO 7ó 7+a

ra nhAng +u 7iDm và h5n ch1 c=a mVi ph+0ng pháp !/ng th:i kh9o sát các ch1 7* ho5t 7*ng c=a h2 thCng MIMO h8p tác 7D th4y 7+8c nhAng l8i ích c=a MIMO h8p tác so v,i MIMO

B+0c 5: Tìm hiDu các gi9i thu3t tách sóng (ZF, MMSE, ZF-SIC, ZF-SIC-Opt,

MMSE-SIC, MMSE-SIC-Opt), +u 7iDm c=a các gi9i thu3t vF: tri2t nhiRu ISI, gi9m công su4t nhiRu tính toán hàm phân bC c=a SNR (ZF) và SINR (MMSE) 7D tìm công thEc l? thuy1t SER h2 thCng

6.2.2 Mô phTng h0 th2ng

Giai 7o5n mô phJng 7+8c thGc hi2n trên Matlab và mNc tiêu c=a giai 7o5n này

là mô phJng SER c=a h2 thCng Eng v,i ch1 7* ho5t 7*ng, kB thu3t tách sóng !;u tiên, t5o m*t chuVi k? tG 7+8c 7iFu ch1 ng-u nhiên (PSK hoTc QAM), sau 7ó chuVi tin 7+8c 7iFu ch1 sL 7+8c mô phJng truyFn trên kênh truyFn Rayleigh Tùy vào ch1 7* truyFn, kB thu3t tách sóng và sC Relay mà chuVi tin có thD 7+8c tách sóng > Relay (n1u có s@ dNng Relay) Relay kiDm tra chuVi tin tách sóng, n1u nh3n 7úng tin thì Relay thGc hi2n g@i chuVi tin 7ó lên kênh truyFn 71n b* thu B* thu nh3n tin (tO b* phát hoTc Relay hoTc c9 hai tùy vào ch1 7* truyFn) và thGc hi2n tách sóng ChuVi k? tG thu 7+8c sau khi tách sóng sL 7em so sánh v,i chuVi k? tG ban 7;u 7D tính SER Bên c5nh 7ó, ch+0ng trình còn tính 7+8c công su4t tPng c=a mVi ch1 7* truyFn và 7iFu khiDn công su4t > thi1t b< phát 7D tPng công su4t tiêu thN bIng nhau > mVi ch1 7* truyFn nhIm so sánh các ph+0ng pháp tách sóng m*t cách công bIng

7 B2 cQc lu.n vUn

Lu3n v&n 7+8c chia làm 6 ch+0ng:

ChRVng I – MW /Xu: Gi,i thi2u s0 l+8c vF h2 thCng và +u 7iDm c=a MIMO

h8p tác Nêu lên nhAng 7óng góp, mNc tiêu và tính c4p thi1t c=a 7F tài

ChRVng II – KiMn thKc tYng quan: Trình bày nhAng ki1n thEc c0 s> liên

quan 71n quá trình nghiên cEu

• Kênh truyFn và 9nh h+>ng c=a kênh truyFn lên h2 thCng

ChRVng III – Tính toán lS thuyMt: ThGc hi2n tính toán các công thEc l?

thuy1t c=a hàm phân phCi SNR c=a ZF, SINR c=a MMSE và công thEc SER h2 thCng MIMO h8p tác

ChRVng IV – #ánh giá các kMt quJ mô phTng: Trình bày và 7ánh giá các

k1t qu9 mô phJng h2 thCng và l? thuy1t

ChRVng V – KMt lu.n và hRHng phát triZn: Nêu lên nhAng k1t qu9 75t 7+8c

và các h+,ng phát triDn c=a 7F tài

ChRVng VI – Tài li0u tham khJo: Li2t kê các tài li2u 7+8c tham kh9o trong

quá trình nghiên cEu

II KICN TH[C T\NG QUAN

1 Kênh truyOn và các Jnh hRWng trong thông tin vô tuyMn

1.1 TYng quan kênh truyOn

Trong m5ng thông tin vô tuy1n ngoài máy phát và máy thu thì kênh truyFn là m*t khCi quan tr.ng trong mô hình truyFn tin, vì nó là môi tr+:ng 7D truyFn tin tO máy phát 71n máy thu và có c4u trúc t+0ng 7Ci phEc t5p Chính vì v3y mà kênh truyFn 9nh h+>ng r4t l,n 71n ch4t l+8ng các h2 thCng thông tin

Không giCng nh+ kênh truyFn hAu tuy1n co tính Pn 7<nh và có thD dG 7oán 7+8c, kênh truyFn vô tuy1n là hoàn toàn ng-u nhiên và không hF dR dàng trong vi2c phân tích Tín hi2u 7+8c phát 7i, qua kênh truyFn vô tuy1n, b< c9n tr> b>i các toà nhà, núi non, cây cCi …, b< ph9n x5, tán x5, nhiRu x5 …, các hi2n t+8ng này 7+8c g.i chung là fading Và k1t qu9 là > máy thu nh3n 7+8c r4t nhiFu phiên b9n khác nhau c=a tín hi2u phát

Có ba c0 ch1 chính 9nh h+>ng 71n sG lan truyFn c=a tín hi2u trong h2 thCng di 7*ng:

• Ph9n x5 x9y ra khi sóng 7i2n tO va ch5m vào m*t mTt bIng phMng v,i kích th+,c r4t l,n so v,i b+,c sóng tín hi2u RF

• NhiRu x5 x9y ra khi 7+:ng truyFn sóng giAa phía phát và thu b< c9n tr> b>i m*t nhóm v3t c9n có m3t 7* cao và kích th+,c l,n so v,i b+,c sóng NhiRu x5 là hi2n t+8ng gi9i thích cho nguyên nhân n&ng l+8ng RF 7+8c truyFn tO phía phát 71n phía thu mà không c;n 7+:ng truyFn thMng Nó th+:ng 7+8c g.i là hi2u Eng chUn vì tr+:ng tán x5 có thD 71n 7+8c b* thu ngay c9 khi b< chUn b>i v3t c9n không thD truyFn xuyên qua

• Tán x5 x9y ra khi sóng 7i2n tO va ch5m vào m*t v3t g/ ghF có kích th+,c so sánh 7+8c v,i b+,c sóng làm cho n&ng l+8ng b< tr9i ra (tán x5) hoTc là

Hình 2.1: S, )* khFi h- thFng truy5n tin

ph9n x5 ra t4t c9 các h+,ng Trong môi tr+:ng thành phC, các v3t thD th+:ng gây ra tán x5 là c*t 7èn, c*t báo hi2u, tán lá

1.2 Các hi0n tRIng Jnh hRWng /Mn thông tin vô tuyMn

1.2.1 Hi0n tRIng /a /R]ng

Trong m*t h2 thCng thông tin vô tuy1n, các sóng bEc x5 7i2n tO th+:ng không bao gi: 7+8c truyFn trGc ti1p 71n &ngten thu !iFu này x9y ra là do giAa n0i phát và n0i thu luôn t/n t5i các v3t thD c9n tr> sG truyFn sóng trGc ti1p Do v3y, sóng nh3n 7+8c chính là sG ch/ng ch3p c=a các sóng 71n tO h+,ng khác nhau b>i sG ph9n x5, tán x5 tO các toà nhà, cây cCi và các v3t thD khác Hi2n t+8ng này 7+8c g.i là hi2n t+8ng 7a 7+:ng Do hi2n t+8ng 7a 7+:ng, tín hi2u thu 7+8c là tPng c=a các b9n sao tín hi2u phát Các b9n sao này b< suy hao, trR, d<ch pha và có 9nh h+>ng l-n nhau TuY thu*c vào pha c=a tOng thành ph;n mà tín hi2u ch/ng ch3p có thD 7+8c khôi phNc l5i hoTc b< h+ hJng hoàn toàn Ngoài ra khi truyFn tín hi2u sC, 7áp Eng xung có thD b< méo khi qua kênh truyFn 7a 7+:ng và máy thu nh3n 7+8c các 7áp Eng xung 7*c l3p khác nhau Hi2n t+8ng này g.i là sG phân tán 7áp Eng xung Hi2n t+8ng méo gây ra b>i kênh truyFn 7a 7+:ng thì tuy1n tính và có thD 7+8c bù l5i > phía thu bIng các b* cân bIng

1.2.2 Hi0u Kng Doppler

Hi2u Eng Doppler gây ra do sG chuyDn 7*ng t+0ng 7Ci giAa máy phát và máy

thu nh+ hình 2.3 B9n ch4t c=a hi2n t+8ng này là khi phát tín hi2u > t;n sC sóng mang f 0 , tín hi2u thu 7+8c sL không nh3n 7+8c > chính xác trên t;n sC sóng màng f 0

mà b< d<ch 7i c9 vF hai phía v,i 7* d<ch là f D,max g.i là t;n sC Doppler SG d<ch t;n

sC này 9nh h+>ng 71n sG 7/ng b* c=a h2 thCng thông tin vô tuy1n

Gi9 thi1t góc t,i c=a h+,ng thE n so v,i h+,ng chuyDn 7*ng c=a máy thu là

G n, khi 7ó t;n sC Doppler c=a tuy1n này là:

Tr5m gCc

Hình 2.2: Hi-n t+3ng truy5n sóng )a )+"ng

1.2.3 Suy hao trên !"#ng truy$n

Mô t! s" suy gi!m công su#t trung bình c$a tín hi%u khi truy&n t' máy phát

!"n máy thu S# gi$m công su%t do hi&n t'(ng che ch)n và suy hao có th* khác ph!c b"ng các ph!"ng pháp #i$u khi%n công su&t

1.2.4 Hi0u Kng bóng râm

Do 9nh h+>ng c=a các v3t c9n tr> trên 7+:ng truyFn, ví dN nh+ các toà nhà cao t;ng, các ng.n núi, 7/i … làm cho biên 7* tín hi2u b< suy gi9m Tuy nhiên, hi2n t+8ng này chH x9y ra trên m*t kho9ng cách l,n, nên tCc 7* bi1n 7Pi ch3m Vì v3y, hi2u Eng này 7+8c g.i là fading ch3m

1.3 Mô hình kênh truyOn Rayleigh

Trong nhAng kênh vô tuy1n, kênh truyFn Rayleigh th+:ng 7+8c dùng 7D mô t9 b9n ch4t thay 7Pi theo th:i gian c=a 7+:ng bao tín hi2u fading phMng thu 7+8c hoTc 7+:ng bao c=a m*t thành ph;n 7a 7+:ng riêng lK

Trong kênh 7a 7+:ng có I 7+:ng, phát m*t tín hi2u qua t;n sC sóng mang fC

k1t qu9 sL thu 7+8c I thành ph;n tO các 7+:ng khác nhau c*ng thêm nhiRu

!

)(

!

Tr5m phát

Hình 2.3: hi-u :ng Doppler

làR = A2+ B2 Hàm m3t 7* xác su4t c=a bi1n ng-u nhiên cSng chính là hàm phân bC Rayleigh 7+8c diRn t9 nh+ sau:

v,i !2là các ph+0ng sai c=a bi1n ng-u nhiên A và B Công su4t thu,là m*t bi1n

ng-u nhiên d5ng hàm mS có hàm m3t 7* xác su4t:

c=a b* l.c thích nghi sau gi9i 7iFu ch1 tín hi2u r(t) T+0ng tG, s t và !t là các phiên b9n th:i gian r:i r5c c=a s(t) và

!( )t (tín hi2u phát và nhiRu t+0ng Eng) Khi 7o ph+0ng trình liên h2 giAa các tín hi2u r:i r5c:

kênh fading H2 sC G và !t 7+8c g.i là 7* l8i kênh truyFn và nhiRu c*ng 7;u vào

&ngten

2 Các k- thu.t /iOu chM

2.1 #iOu chM d^ch pha (PSK)

!iFu ch1 PSK là d5ng 7iFu ch1 chuyDn 7Pi tín hi2u thông tin thành tín hi2u cos

có pha thay 7Pi t+0ng Eng Công thEc mô t9 c=a tín hi2u PSK có d5ng tPng quát:

2 baud c5nh nhau chH sai khác m*t bit [1]

2.2 #iOu chM biên /: vuông góc (QAM)

!iFu ch1 QAM là sG k1t h8p c=a 7iFu ch1 biên 7* và góc pha, tín hi2u thông tin 7+8c chuyDn 7Pi thành tín hi2u cos có góc pha và biên 7* thay 7Pi t+0ng Eng Công thEc mô t9 c=a tín hi2u QAM có d5ng tPng quát:

s i( )t = 2E i (t)

T cos(!0t+"i( )t ); 0 ! t ! T,i = 1,…,M (2.10)

V,i thành ph;n t;n sC f0 =!0 2" là hIng sC, thành ph;n biên 7*

A(t) = 2E i (t) T và góc pha !(t) thay 7Pi theo th:i gian M là sC k? tG c=a b*

7iFu ch1

Ph+0ng pháp 7iFu ch1 QAM là m*t d5ng c=a 7iFu ch1 APK b>i vì ph+0ng pháp này s@ dNng c9 biên 7* và pha c=a sóng mang 7D 7iFu ch1 tín hi2u Do 7ó 7iFu ch1 QAM cho phép sC tr5ng thái tín hi2u khá l,n Các kiDu 7iFu ch1 QAM th+:ng gTp trong thGc t1 là 16-QAM và 64-QAM t+0ng Eng v,i 4 và 8 bit trong m*t baud

Các bit 7+8c sUp x1p theo mã Gray tEc là hai tP h8p c5nh nhau chH sai khác 1 bit nhIm gi9m xác su4t lVi > phía thu

!iFu ch1 QAM cho phép t&ng dung l+8ng kênh thông tin, nh+ng không làm t&ng d9i thông c=a kênh truyFn Do 7ó QAM thích h8p cho các Eng dNng tCc 7*

cao

2.3 SER cNa /iOu chM M-PSK và M-QAM

!F tài chH kh9o sát hai lo5i 7iFu ch1 là PSK và QAM, vì v3y vi2c tìm xác su4t lVi k? tG c=a hai kiDu 7iFu ch1 là m*t b+,c quan tr.ng trong quá trình xây dGng công thEc l? thuy1t c=a SER h2 thCng Gi9 s@ rIng nhiRu tác 7*ng lên c9 hai chiFu k? tG (ph;n thGc và 9o) là bi1n ng-u nhiên i.i.d zero-mean complex Gaussian nên hàm phân phCi có d5ng (2.5) [3]:

2.3.1 SER cNa /iOu chM M-PSK

tính xác su4t lVi m*t k? tG 7+8c tính bIng tích phân trên miFn gi9i mã sai v,i hàm phân phCi theo (2.5):

(!)= sin2(" M) và !="# ($ +%) nên d! = "d# , khi 7ó

(M !1)" M # $ # 0 Vì v3y (2.13) 7+8c vi1t l5i:

0

+ (2.14)

2.3.2 SER cNa /iOu chM M-QAM

MVi k? tG 7Tc tr+ng b>i m*t 7iDm trên giãn 7/ và sai khác nhau c9 biên 7* và góc pha Do các 7iDm không bình 7Mng nhau cho nên 7D tính xác su4t lVi c=a 7iFu ch1 M-QAM c;n ph9i phân lo5i 7iDm trên giãn 7/: nhAng 7iDm nIm > góc (Corner), nhAng 7iDm nIm > c5nh (Edge) và nhAng 7iDm giAa (Middle) LVi k? tG chH xu4t hi2n khi k? tG b< nhiRu tác 7*ng làm cho v< trí c=a nó nIm ngoài vùng gi9i mã MVi nhóm mà có m*t miFn gi9i mã t+0ng Eng, tuy nhiên vi2c tính toán có thD rút g.n l5i bIng cách tính nhAng xác su4t lVi c0 b9n P1 và P2 NhAng xác su4t c0 b9n này có thD tP h8p thành xác su4t lVi c=a tOng nhóm

Biên 7* c=a mVi k? tG khác nhau vì v3y mCi liên h2 giAa biên 7* và n&ng l+8ng tín hi2u 7+8c tính theo công thEc sau:

E= 2A2(M !1)

2(M !1)E = g QAM E (2.15) V,i g QAM = 3 2(M !1)

LVi k? tG xu4t hi2n khi k? tG b< tác 7*ng b>i nhiRu complex Gaussian có hàm phCi theo (2.5) Vi2c tính các xác su4t c0 b9n P1, P2 thGc hi2n t+0ng tG nh+ M-PSK v,i các miFn gi9i mã sai và c3n t+0ng Eng

g QAM#sin2($ + ! 4)

%

&'

()*d$

0

! 4

+ (2.16) V,i ! = " + # 4 nên d!= d", khi 7ó (2.16) 7+8c vi1t l5i:

2! exp "

g QAM#sin2($)

%

&'

()*d$

= 12! exp "

g QAM#sin2(! 4 "$)

%

&'

()*d$

0

! 4

+ (2.18) V,i ! = " 4 #$ nên d! = "d#, khi 7ó (2.18) 7+8c vi1t l5i:

2! exp "

g QAM#sin2($)

%

&'

()*d$

SC 7iDm > giAa: N middle = M ! 2( )2

P e, QAM = N middle 8P1+ N edge (6P1+ 2P2)+ N corner (4P1+ 2P2)

%

&'

()*d$

%

&'

()*d$

3 K- thu.t phân t.p trong h0 th2ng MIMO

KB thu3t MIMO trong l6nh vGc viRn thông là kB thu3t s@ dNng nhiFu &ngten phát và nhiFu &ngten thu 7D truyFn và nh3n dA li2u MIMO t3n dNng sG phân t3p: không gian, th:i gian, mã hóa … nhIm nâng cao ch4t l+8ng tín hi2u, tCc 7* dA li2u

… ChuVi tín hi2u phát 7+8c 7+a qua b* mã hóa không gian-th:i gian ngh6a là mã hóa trên c9 hai miFn: không gian (phân bC &ngten) và th:i gian (tín hi2u sUp x1p trên các khe th:i gian khác nhau) tr+,c khi 7+8c 7+8c phát trên các &ngten

Phân t3p phát thu*c d5ng phân t3p không gian, b* phát s@ dNng p ( p ! 2)

&ngten phát 7D thGc hi2n truyFn cùng m*t tín hi2u, nh: 7ó > b* thu k1t h8p p b9n

sao c=a tín hi2u gCc 7D thGc hi2n gi9i mã chính xác h0n

Gi9 s@ phân t3p phát v,i p =2, tín hi2u thu 7+8c sL là tPng hai tín hi2u > hai

7+:ng truyFn khác nhau và nhiRu c*ng > &ngten:

y nT( )= x nT( )h11( )nT + x nT( )h21( )nT +! nT( ) (2.22) Tín hi2u k1t h8p c=a b* thu có d5ng:

Phân t3p thu thu*c d5ng phân t3p không gian, b* thu s@ dNng m ( m! 2)

&ngten 7D thGc hi2n thu cùng m*t tín hi2u B* phu nh3n 7+8c m b9n sao c=a tín hi2u

phát, vì v3y vi2c gi9i mã chính xác h0n

Gi9 s@ phân t3p thu v,i m =2, mVi &ngten t5i b* thu sL thu 7+8c m*t b9n sao

c=a tín hi2u gCc Eng v,i mVi 7+:ng truyFn và nhiRu c*ng > mVi &ngten:

y1(nT ) = x(nT )h11(nT )+!1(nT ) (2.25)

y2(nT ) = x(nT )h12(nT )+!2(nT ) (2.26) Tín hi2u k1t h8p MRC (cGc 75i tW sC k1t h8p) c=a tín hi2u x(nT):

x!(nT ) = y1(nT )h11(nT )*+ y1(nT )h12(nT )* (2.27)

!x(nT ) = x(nT ) || h( 11(nT ) ||2 + || h12(nT ) ||2)+!1(nT )h11(nT )*+!2(nT )h12(nT )* (2.28)

3.1.3 Phân t.p th]i gian

Phân th3p th:i gian ngh6a là m*t tín hi2u 7+8c phát > nhiFu khe th:i gian khác nhau x n( )1T =x n( )2T B* thu sL nh3n 7+8c nhiFu b9n sao c=a cùng m*t tín hi2u > hai th:i 7iDm khác nhau vì th1 k1t qu9 chính xác h0n Tín hi2u thu 7+8c có d5ng:

y(n1T ) = x(n1T )h(n1T )+!(n1T ) (2.39) y(n2T ) = x(n2T )h(n2T )+!(n2T ) (2.30) Tín hi2u k1t h8p c=a x(nT):

x!(n1T ) = x(n1T ) h(n( 1T ) 2+ h(n2T ) 2)+!(n1T )h(n1T )*+!(n2T )h(n2T )* (2.32)

3.2 !u /iZm cNa các k- thu.t phân t.p

TW sC tín hi2u trên nhiRu sau khi +,c l+8ng t&ng lên nh: các kB thu3t phân t3p 7+8c g.i là 7* l8i phân t3p Tác 7*ng c=a kênh truyFn lên tín hi2u sL 7+8c c9i thi2n Ch4t l+8ng c=a h2 thCng khi t&ng phân t3p thu sL cao h0n so v,i phân t3p phát Bên c5nh các kB thu3t phân t3p, h2 thCng MIMO còn có các kB thu3t mã hóa: mã hóa khCi không gian th:i gian (STBC), mã hóa mUc l+,i không gian th:i gian (STTC), ghép kênh không gian (SM) trong thGc t1, h2 thCng MIMO th+:ng k1t h8p các

kB thu3t mã hóa v,i các kB thu3t phân t3p nhIm 75t 7+8c SER th4p

4 Các k- thu.t tách sóng và tXm quan tr_ng các k- thu.t tách sóng

4.1 TXm quan tr_ng cNa các k- thu.t tách sóng

V4n 7F tách sóng c=a h2 thCng MIMO 7óng vai trò quy1t 7<nh trong quá trình khôi phNc dA li2u T5i b* phát, dA li2u sau khi 7iFu ch1 7+8c truyFn 7/ng th:i trên nhiFu &ngten, sau khi qua kênh truyFn (kênh truyFn bi1t tr+,c CSI) dA li2u ch<u tác 7*ng b>i kênh truyFn nên sai khác so v,i dA li2u gCc T5i b* thu, tín hi2u thu 7+8c

là tP h8p nhiFu phiên b9n tín hi2u khác nhau và nhiRu c*ng complex Gaussian, nhAng phiên b9n này có thD c=a cùng m*t tín hi2u hoTc nhAng tín hi2u khác nhau cho nên không thD khôi phNc tín hi2u ban 7;u 7+8c Chính vì v3y, c;n ph9i có các

kB thu3t tách sóng thGc hi2n vi2c chuyDn tín hi2u d5ng tP h8p thành các thành ph;n riêng bi2t có thD gi9i 7iFu ch1 7+8c

V4n 7F tách sóng 7+8c xem xét trong ph;n này là khôi phNc vector tín hi2u x t

ngõ vào kênh truyFn MIMO tO vector thu y t v,i gi9 s@ rIng b* thu có hiDu bi1t hoàn

h9o vF kênh truyFn H Bên c5nh 7ó các kB thu3t tách sóng cSng sL cC gUng phNc h/i

tín hi2u m*t cách chính xác nh4t có thD, sai l2ch giA tín hi2u tách sóng và tín hi2u phát là nhJ nh4t

P e = Pr ˆx( t ! x t) (2.33)

, tín hi2u nh3n > b* thu là y r = [y1, y2]T và nhiRu 7;u vào c=a b* thu là

n c = [n1,n2]T Kênh truyFn kh9o sát giAa hai thi1t b< là kênh truyFn Rayleigh 7+8c

7Tc tr+ng b>i ma tr3n H !!2"2 các thành ph;n c=a ma tr3n H là các bi1n ng-u

nhiên i.i.d zero-mean complex Gaussion Khi 7ó h2 ph+0ng trình truyFn tin có d5ng:

!iFu ch1 tách sóng B* !iFu ch1 Gi9i

4.3 K- thu.t ZF

4.3.1 TYng quan vO ZF

Thu3t toán Zero-Forcing (ZF) là m*t thu3t toán tách sóng 70n gi9n 7+8c s@ dNng t+0ng 7Ci r*ng rãi ] t+>ng c=a ZF là bi1n 7Pi tín hi2u thu có d5ng tP h8p nhiFu k? tG khác nhau thành nhAng k? tG riêng bi2t, tri2t tiêu hoàn toàn 9nh h+>ng nhiRu liên k? tG Trong h2 thCng MIMO v,i nhiFu &ngten phát và nhiFu &ngten thu, tín hi2u > b* thu là tP h8p nhiFu 7+:ng truyFn, khi 7ó b* thu ZF có tác dNng chuyDn bài toán vF d5ng truyFn thMng (m*t tín hi2u thu có d5ng m*t tín hi2u phát c*ng thêm nhiRu)

4.3.2 B: tách sóng ZF

B* tách sóng s@ dNng ma tr3n cân bIng GZF 7+8c xây dGng tO ma tr3n kênh

truyFn bi1t tr+,c H 7D x@ l? tín hi2u > 7;u vào &ngten

4.4 K- thu.t MMSE

4.4.1 TYng quan vO MMSE

Không giCng nh+ gi9i thu3t ZF chH t3p trung vào vi2c lo5i bJ 9nh h+>ng c=a ISI, gi9i thu3t MMSE là m*t cách ti1p c3n khác và quan tâm 71n sai sC trung bình bình ph+0ng (MSE) ] t+>ng c=a MMSE xây dGng m*t b* tách sóng có kh9 n&ng gi9m thiDu tCi 7a ISI (nh+ng không tri2t tiêu hoàn toàn) và cGc tiDu 9nh h+>ng nhiRu 7;u vào [10]

MSE = E ( ˆx ! x){ 2}

= E G{"# MMSEy r ! x t$% G"# MMSEy r ! x t$%H} (2.39) Gi9i ph+0ng trình (2.39), ng+:i ta tìm 7+8c công thEc c=a ma tr3n cân bIng

ˆx t = GMMSEy r = GMMSEHx t + GMMSEn c = !x t + e (2.41)

Thu3t toán MMSE h5n ch1 nhiRu trong quá trình cân bIng kênh, không 7D cho nhiRu t&ng khi có các kênh trCng TO công thEc ma trân cân bIng, khi giá tr< công su4t nhiRu N0 nhJ, thì MMSE t+0ng 7+0ng v,i ZF Ng+8c l5i, khi N0 7áng kD thì > ngõ ra c=a b* cân bIng sL còn m*t ph;n ISI và nhiRu c*ng

4.5 K- thu.t ZF_SIC và ZF-SIC-Opt

4.5.1 TYng quan vO ZF_SIC

ZF-SIC là thu3t toán ZF áp dNng kB thu3t tri2t nhiRu nCi ti1p, ZF-SIC thì sL thGc hi2n vòng lTp tách sóng và > mVi vòng lTp b* thu áp dNng kB thu3t ZF v,i ma tr3n cân bIng t+0ng Eng v,i ph+0ng trình truyFn tin t5i vòng lTp 7ó !/ng th:i > mVi vòng lTp b* thu chH trích ra m*t k? tG và thGc hi2n khôi phNc dGa vào 7* +u tiên c=a k? tG, sau 7ó b* thu sL lo5i bJ 9nh h+>ng c=a k? tG 7ó trong tín hi2u ban 7;u Vì v3y vi2c khôi phNc k? tG 7+8c thGc hi2n m*t cách tu;n tG chE không 7/ng th:i giCng nh+ kB thu3t ZF, quá trình k1t thúc khi toàn b* k? tG 7Fu 7+8c khôi phNc ThE tG +u tiên c=a k? tG 7+8c tách sóng là cC 7<nh và không theo m*t tiêu

chuXn nào (gi9 s@ tín hi2u phát là x t = [x1, x2, x3, x4]T thì thE tG tách sóng k? tG có

ˆx1t = Gy r = GHx t + Gn c = x t + e (2.42) Nh+ v3y tín hi2u thu 7+8c có d5ng ˆx1

t = [ ˆx1

2]T, dGa vào thE tG tách sóng, tín

hi2u ˆx1

2 7+8c ch.n 7D 7+a qua b* khôi phNc k? tG Gi9 s@ sau quá trình khôi phNc,

k? tG thu 7+8c là x2 (có thD giCng x2 hoTc không) Sau 7ó b* tách sóng thGc hi2n

lo5i bJ 9nh h+>ng c=a x2 trong x t:

r t = h!" 11,h12#$Tx1+ n c = h x1+ n c (2.44) Vòng lTp thE 2, b* thu sL ti1p tNc thGc hi2n tách sóng v,i ph+0ng trình truyFn sóng (2.44) bIng cách s@ dNng kB thu3t ZF nh+ng ma tr3n cân bIng lúc này sL là

G = (hHh)!1hH Khi 7ó tín hi2u thu 7+8c sau quá trình cân bIng sL là:

ˆx

2

hHh (2.45) K? tG ˆx2

1 7+8c khôi phNc và tr> thành x1, nh+ v3y tín hi2u tách sóng cuCi

cùng sL là x t = [x1, x2]

4.5.3 B: tách sóng ZF_SIC-Opt

B* tách sóng ZF_SIC có h5n ch1 là thE tG tách sóng là cC 7<nh nh+ng 7ôi khi k? tG 7+8c ch.n tách sóng 7;u tiên chính là nhAng k? tG truyFn trên nhAng nhánh x4u, khi 7ó k1t qu9 sL không chính xác !D khUc phNc h5n ch1 7ó, ZF_SIC-Opt sL

tG ra quy1t 7<nh thE tG tách sóng phù h8p v,i tOng tín hi2u thu Quy1t 7<nh này 7+8c tính toán dGa vào các h2 sC kênh truyFn, tín hi2u phát trên nhAng nhánh tCt sL 7+8c +u tiên tách sóng tr+,c và tín hi2u phát trên nhAng nhánh x4u h0n sL 7+8c tách sóng sau Khi 7ó hai tham sC 7Tc tr+ng cho 7* tCt c=a kênh truyFn 7Ci v,i mVi

k? tG P x1 và P x2 sL 7+8c dùng làm tiêu chuXn cho thE tG tách sóng

P x1 = h112+ h212 và

P x2 = h122+ h222 (2.46)

N1u P x1 > P x2 có ngh6a k? tG x1 7+8c truyFn trên nhAng nhánh tCt h0n vì v3y

thE tG tách sóng sL là x1 và sau 7ó là x2 Ng+8c l5i n1u P x1 < P x2 thì khi 7ó tín hi2u

x2 7+8c truyFn trên các nhánh tCt h0n thE tG tách sóng sL là x2và sau 7ó là x1

4.6 K- thu.t MMSE_SIC và MMSE-SIC-Opt

4.6.1 TYng quan vO MMSE_SIC

SIC là thu3t toán MMSE áp dNng kB thu3t tri2t nhiRu nCi ti1p, SIC thì sL thGc hi2n vòng lTp tách sóng và > mVi vòng lTp b* thu áp dNng kB thu3t MMSE v,i ma tr3n cân bIng t+0ng Eng v,i ph+0ng trình truyFn tin t5i vòng lTp 7ó

MMSE-!/ng th:i > mVi vòng lTp b* thu chH trích ra m*t k? và thGc hi2n khôi phNc dGa vào 7* +u tiên c=a k? tG, sau 7ó b* thu sL lo5i bJ 9nh h+>ng c=a k? tG 7ó trong tín hi2u ban 7;u Vì v3y vi2c tách sóng 7+8c thGc hi2n m*t cách tu;n tG t+0ng tG nh+ ZF-SIC, quá trình k1t thúc khi toàn b* k? tG 7Fu 7+8c khôi phNc

2 7+8c ch.n 7D khôi phNc Gi9 s@ sau quá trình khôi phNc, k? tG thu 7+8c

là x2 (có thD giCng x2 hoTc không) Sau 7ó b* gi9i mã thGc hi2n lo5i bJ 9nh h+>ng