Kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng thông tin di động sử dụng công nghệ mimo ofdma

Kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng thông tin di động sử dụng công nghệ mimo ofdma Kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng thông tin di động sử dụng công nghệ mimo ofdma Kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng thông tin di động sử dụng công nghệ mimo ofdma luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=============

NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ MIMO-OFDMA

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI -2011

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

=============

NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ MIMO-OFDMA

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Quốc Trung

2 PGS.TS Nguyễn Văn Đức

HÀ NỘI -2011

Lời cam ñoan

Tác giả xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu riêng của tác giả, không sao chép của bất kỳ người nào Các số liệu kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng ñược công bố bởi bất kỳ ai

Tác giả luận án

Nguyễn Quốc Khương

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung và PGS.TS Nguyễn Văn Đức những người ñã nhiệt tình hướng dẫn và giúp ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Cũng xin chân thành cảm ơn Viện sau Đại học, Bộ môn Kỹ thuật thông tin- Khoa Điện tử -Viễn thông – Trường Đại học Bách khoa Hà nội ñã tạo ñiều kiện thuận lợi

ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn ñến Gia ñình tôi cùng Bố mẹ, các anh chị em và bạn bè những người ñã ủng hộ và ñộng viên giúp ñỡ tôi trong thời gian làm luận án

NCS Nguyễn Quốc Khương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ………

LỜI CẢM ƠN ………

MỞ ĐẦU ……… 1

1 Mục ñích nghiên cứu……….1

2 Cấu trúc luận án……….……

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN 8

1.1 Hệ thống một anten thu phát - kênh SISO 9

1.1.1 Đặc ñiểm phân bố và dung lượng kênh truyền 9

1.1.2 Dung lượng các hệ thống ña sóng mang SISO-OFDM 12

1.2 Hệ thống nhiều anten thu phát - kênh MIMO 14

1.2.1 Mô hình và dung lượng kênh MIMO 14

1.2.1.1 Tầm quan trọng của giá trị kỳ dị nhỏ nhất 15

1.2.1.2 Dung lượng hệ thống ñóng (Closed loop) - kênh không tương quan 16 1.2.2 Trường hợp kênh có tương quan (Correlated channel) 17

1.2.3 Dung lượng của hệ thống ña sóng mang MIMO-OFDM 20

1.2.4 Ước lượng kênh và khôi phục dữ liệu trong hệ thống OFDM và MIMO-OFDM 21 1.2.5 Ước lượng kênh cho hệ thống SISO-OFDM 21

1.2.5.1 Ước lượng theo phương pháp bình phương nhỏ nhất (LS) 22

1.2.5.2 Ước lượng theo phương pháp tối thiểu hóa sai lỗi bình phương nhỏ nhất (MMSE) 23 1.2.6 Ước lượng kênh cho hệ thống MIMO-OFDM 24

1.2.7 Khôi phục dữ liệu MIMO-OFDM 27

1.3 Kết luận 29

CHƯƠNG 2 TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM 30

2.1 Tổng quan về kỹ thuật tiền mã hóa 31

2.1.1 Tiền mã hóa cho hệ thống SISO 31

2.1.2 Tiền mã hóa cho hệ thống MIMO 32

2.2 Tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM 33

2.2.1 Thiết kế bảng mã 36

2.2.2 Phương pháp lựa chọn ma trận tiền mã hóa 38

2.3 Kết quả mô phỏng 38

2.4 Kết luận 41

CHƯƠNG 3 CẤP PHÁT KÊNH CHO MẠNG DI ĐỘNG DÙNG CÔNG NGHỆ OFDMA 42

3.1 Nguyên lý OFDMA 43

3.2 Trường hợp hệ thống một ô với nhiều thuê bao 47

3.2.1 Tổng quan về các phương pháp cấp phát kênh cho hệ thống OFDMA 47 3.2.1.1 Một số nghiên cứu về ñiều chế thích ứng cho hệ thống OFDMA 48

3.2.1.2 Kỹ thuật cấp phát dựa trên tính phân tập người sử dụng (MultiUser Diversity) 50 3.2.2 Dung lượng kênh Rayleigh nhiều người dùng 50

3.2.2.1 Trường hợp có ñiều khiển công suất 50

3.2.2.2 Trường hợp không ñiều khiển công suất 52

3.2.3 Phương pháp cấp phát kênh ñộng tối ña dung lượng 54

3.2.3.1 Mô tả thuật toán cấp phát kênh 55

3.2.3.2 Kết quả mô phỏng 57

3.3 Trường hợp mạng nhiều ô với nhiều thuê bao 59

3.3.1 Khái niệm cấp phát kênh cho hệ thống mạng nhiều ô 59

3.3.1.1 Mô hình cấp phát kênh 60

3.3.1.2 Tái sử dụng tần số 61

3.3.2 Tổng quan về các phương pháp cấp phát kênh cho mạng nhiều ô 62

3.3.3 Cơ sở lý thuyết của cấp phát kênh OFDMA cho trường hợp nhiều ô 65

3.3.4 Dung lượng tối ña của mạng nhiều ô 66

3.3.4.1 Trường hợp mạng gồm 2 ô 66

3.3.4.2 Trường hợp tổng quát mạng gồm nhiều ô 69

3.3.4.3 Tính gần ñúng dung lượng tối ña của hệ thống 71

3.3.5 Đề xuất phương pháp cấp phát kênh theo vị trí 75

3.3.5.1 Mô hình hệ thống 77

3.3.5.2 Thuật toán cấp phát kênh theo vị trí 78

3.3.5.3 Kết quả mô phỏng 80

3.3.6 Đề xuất phương pháp cấp phát kênh ñảm bảo chất lượng dịch vụ 89

3.3.6.1 Mô hình hệ thống 89

3.3.6.2 Thuật toán cấp phát kênh ñề xuất 89

3.3.6.3 Kết quả mô phỏng 93

3.3.7 So sánh ưu nhược ñiểm các phương pháp cấp phát kênh 96

3.4 Kết luận 97

CHƯƠNG 4 CẤP PHÁT KÊNH CHO MẠNG DI ĐỘNG DÙNG CÔNG

NGHỆ MIMO-OFDMA 100

4.1 Trường hợp mạng một ô với nhiều thuê bao 101

4.1.1 Các ñặc ñiểm hệ thống MIMO-OFDMA 101

4.1.1.1 Dung lượng của hệ thống 101

4.1.1.2 Trường hợp có ñiều khiển công suất 102

4.1.1.3 Trường hợp không ñiều khiển công suất 103

4.1.2 Tổng quan các phương pháp cấp phát kênh MIMO-OFDMA 104

4.1.3 Đề xuất phương pháp cấp phát kênh cho hệ thống MIMO-OFDMA 106

4.1.3.1 Mô hình hệ thống 106

4.1.3.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét 109

4.2 Trường hợp mạng nhiều ô 112

4.2.1 Mô hình hệ thống 114

4.2.2 Thuật toán cấp phát kênh và tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDMA 116 4.2.3 Kết quả mô phỏng 118

4.3 Kết luận 120

KẾT LUẬN ….……….……… 121

DANH SÁCH CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ……… 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……….…… ……… ……… 126

CÁC TỪ VIẾT TẮT

truyền CSMA/

Terrestrial

Truyền hình số mặt ñất

HIPER

LAN/2

High Performance Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

Electronic Engineers

Viện của các kỹ sư ñiện và ñiện tử

LS Least square Bình phương nhỏ nhất

ra

Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu

gian

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

truyền

|M| Đối với tập M thì dùng ñể tính số phần tử của tập M – Biểu thức cũng

dùng tính giá trị tuyệt ñối

Vec(H) Phép tính biến ma trận thành vector

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

dụng thuật toán “ñổ nước- Water filling “

kênh khôi phục hoàn hảo

Hình 3-8 SER So sánh giữa lý thuyết và mô phỏng trường hợp số thuê bao

khác nhau [4]

tập trung ñược quản lý bởi trung tâm ñiều khiển, (b) cấp phát kênh phân tán, các BS hoạt ñộng không cần hệ thống ñiều khiển trung tâm

phát kênh ngẫu nhiên Nmax=16

ñiều khiển và có ñiều khiển công suất

có ñiều khiển công suất

Hình 3-22 So sánh phương pháp cấp phát sóng mang tốt nhất theo ñề xuất và

phương pháp cấp phát sóng mang ngẫu nhiên - với các mức ngưỡng khác nhau

chuyển trong trường hợp cấp phát sóng mang tốt nhất

khiển công suất

ñiều khiển công suất

Hình 3-27 So sánh trường hợp tái sử dụng tần số với các giá trị κkhác nhau

mang như hình

không có ñiều khiển công suất P=Pmax

hợp có và không ñiều khiển công suất

với 50 kí hiệu trên một khung MAC [44]

thống gồm 5 thuê bao, với tần số Doppler bằng 50Hz

không tiền mã hóa

trong các trường hợp có tiền mã hóa và không tiên mã hóa Với trung bình 6 thuê bao / 1 ô

1

=

κ

DANH SÁCH CÁC BẢNG

thông tin cập nhật vị trí là 32bit-tốc ñộ di chuyển của MS là 5m/s

MỞ ĐẦU

1 Mục ñích nghiên cứu

Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số là nhiệm vụ quan trọng ñầu tiên của bất kỳ mạng thông tin vô tuyến nào Có nhiều kỹ thuật ñược sử dụng nhưng trong luận án này chỉ ñề cập ñến hai kỹ thuật là kỹ thuật tiền mã hóa dữ liệu trước khi truyền ñi và

kỹ thuật tối ưu việc cấp phát kênh cho các thuê bao

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh theo các sóng mang trực giao lần ñầu tiên ñược ñề xuất năm 1950, hoàn thành việc nghiên cứu trong những năm 70 của thế kỷ 20 Tuy OFDM ra ñời sau nhưng từ năm

90 trở lại ñây nó thực sự ñược ứng dụng rộng rãi trong các mạng thông tin như phát thanh số (digital audio broad-casting (DAB) [107] truyền hình số mặt ñất (digital video broadcasting for terrestrial transmission mode (DVB-T) [108], mạng nội bộ tốc ñộ cao kiểu 2 (high performance local area network type 2 (HIPER- LAN/2) [106], phát thanh số toàn cầu (digital radio mondiale - DRM) [109], và ñường dây thuê bao số bất ñối xứng (asymmetric digital subscriber line - ADSL) [105],… và ngày nay thì OFDM ñã ñược chấp nhận một cách rộng rãi như là một kỹ thuật nền tảng của mạng thông tin vô tuyến và là một trong các ứng cử viên sáng giá cho các mạng di ñộng thế hệ 3G, 4G, LTE [111]

riêng của nó là khả năng chống pha-dinh ña ñường tốt, số lượng sóng mang con rất lớn, nhưng lại rất nhạy cảm với sai lệch tần số và chất lượng tín hiệu sẽ suy giảm nhanh nếu ñồng bộ không ñược tốt Chính vì vậy việc áp dụng OFDM trong môi trường nhiều người sử dụng (OFDMA=Orthogonal Frequency Division Multiple Access) còn hạn chế nhất là trong trường hợp ở ñường lên khi mà nhiều thuê bao cùng truyền thông tin tới trạm thu phát gốc (BS) OFDMA [114] ñược biết như là

hệ thống OFDM với nhiều người sử dụng phân chia theo các sóng mang trực giao

Kỹ thuật này có thể thấy tương tự như kỹ thuật FDMA

Thêm vào ñó, các hệ thống thông tin vô tuyến ñược trang bị với số lượng anten thu phát ngày ngày càng nhiều hơn mà lý thuyết [22] ñã chứng minh rằng dung lượng của hệ thống kênh nhiều ñầu vào nhiều ñầu ra (MIMO) tỷ lệ với giá trị nhỏ nhất của

số lượng anten phát và thu (min(M T ,M R )) Tuy nhiên dung lượng của hệ thống MIMO còn phụ thuộc vào sự tương quan về không gian giữa các anten thu phát [79], dung lượng của kênh MIMO sẽ lớn nhất trong trường hợp kênh không tương quan [70] Nếu sự tương quan lớn lên thì dung lượng sẽ giảm với giới hạn dưới tương ñương với hệ thống một ñầu vào một ñầu ra (SISO) MIMO-OFDMA là sự kết hợp giữa OFDMA và hệ thống gồm nhiều anten thu nhiều anten phát (MIMO)

Tổng quan các nghiên cứu về kỹ thuật cấp phát kênh và nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần cho hệ thống MIMO-OFDMA trong và ngoài nước như sau

Trong nước:

- Các nghiên cứu về OFDMA và ứng dụng trong các mạng di ñộng thế hệ 3G, 4G ñược ñề cập trong [2], [3] Trong [2], [3], Đức ñề xuất phương pháp cấp phát kênh ñộng phân tán áp dụng cho mạng OFDM ña người dùng hoạt ñộng ở chế

ñộ ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) Phương pháp ñề xuất cho phép mạng tái sử dụng toàn bộ tần số, ñồng thời giảm nhiễu ñồng kênh (CCI)

và tăng dung lượng toàn mạng Việc giảm nhiễu ñồng kênh và tăng dung lượng mạng có thể thực hiện ñược nếu tính chất phụ thuộc thời gian và tần số của kênh phân tập ña ñường ñược khai thác triệt ñể Bên cạnh ñó, tính chất giống nhau của kênh hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink) khi hệ thống hoạt ñộng ở chế ñộ TDD cũng ñược áp dụng trong thuật toán ñề xuất với mục ñích giảm nhiễu ñồng kênh Trong cơ chế cấp phát kênh ñược ñề xuất, các cụm sóng mang con ñược cấp phát cho việc truyền dữ liệu giữa một máy phát và một máy thu chỉ khi các kênh con tương ứng với các liên kết giữa máy phát kể trên tới các máy thu có khả năng bị gây nhiễu, bị suy hao sâu

Ngoài nước:

- Có nhiều giải pháp nâng cao thông lượng của hệ thống thông tin thông qua việc

áp dụng các kỹ thuật mã hóa tín hiệu, phân tập anten hay ñiều chế ñặc biệt Một trong các kỹ thuật ñó là kỹ thuật tiền mã hóa (precoding) Tiền mã hóa là mã hóa tín hiệu trước khi truyền ñi Các tín hiệu dữ liệu trước khi ñược truyền ñi từ anten phát sẽ ñược mã hóa dựa trên các ñặc ñiểm của kênh truyền kết nối giữa bên phát và thu Do cần phải phản hồi về bên phát thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) nên hiệu quả thực sự của kỹ thuật tiền mã hóa hoàn toàn phụ thuộc vào tốc ñộ bit kênh hồi tiếp Việc sử dụng bảng mã là một giải pháp hiệu quả trong trường hợp này [21], [59] Ngoài việc thiết kế một bảng mã tối ưu thì việc lựa chọn ñược từ mã thích hợp nhất với kênh truyền từ bảng mã cũng góp phần vào nâng cao khả năng làm việc của hệ thống [40], [42]

- Trong trường hợp hệ thống MIMO-OFDMA một ô với một hoặc nhiều anten thu phát [83], các phương pháp cấp phát kênh thường ñặt ra một số tiêu chí với các ñiều kiện cấp phát cho trước, như yêu cầu tối ña thông lượng hệ thống [10] [41], [30], hay giới hạn tổng công suất là không ñổi [32], [102] hoặc tối thiểu hóa công suất trong khi yêu cầu tốc ñộ bit hay tỷ lệ lỗi bit của các thuê bao phải ñáp ứng yêu cầu chất lượng dich vụ [34], [49] hoặc ñòi hỏi sự công bằng quyền truy nhập mạng giữa các thuê bao [19], [20], [31], [43] Ngoài ra nhờ vào tính phân tập không gian của hệ thống nhiều anten (MIMO-OFDMA), kỹ thuật cấp phát kênh có thể dựa trên các phương pháp mã hóa không gian thời gian [56], [61], [68] hoặc sử dụng kỹ thuật lựa chọn cặp anten thu phát giữa BS và các MS

ñể tối ưu công suất bức xạ tín hiệu giữa các cặp anten [33], [73], [103]

- Đối với trường hợp hệ thống gồm nhiều BS, việc tối ña dung lượng hệ thống thường ñược ñặt lên hàng ñầu [14], [27], [48], [84] Tuy nhiên trong mạng nhiều ô, do có ảnh hưởng của nhiễu ñồng kênh nên kỹ thuật cấp phát kênh thường lấy tiêu chí giảm tối ña nhiễu ñồng kênh trong khi tăng ñược hiệu quả

sử dụng băng thông [26] hoặc tăng số kênh cấp phát [12], [14], [54], [24], [65] Chú ý rằng tăng số lượng kênh cấp phát không ñồng nghĩa với băng thông của

hệ thống sẽ tăng lên [5], [45] Một ñặc ñiểm của các hệ thống nhiều ô là sự

phức tạp trong biểu diễn toán học bởi tính ña biến của hàm không lồi Vì vậy việc biểu diễn các phương trình tính toán dung lượng hệ thống với mạng nhiều

ô một cách chính xác là rất khó mà trong nhiều nghiên cứu thì các kết quả ñược tính gần ñúng [26], [48] hoặc công cụ mô phỏng sẽ ñược sử dụng Việc liên kết giữa các BS thông qua trung tâm ñiều khiển cũng ñược thực hiện nhằm tăng hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống Dung lượng hệ thống còn có thể mở rộng ra trong trường hợp hệ thống nhiều ô với kênh MIMO Thêm vào ñó việc kết hợp hoạt ñộng giữa các BS và các kỹ thuật tiền mã hóa có thể tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần hệ thống ở mức cao nhất [88], [104]

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu và tìm ra các giải pháp và các vấn ñề còn tồn tại nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của các hệ thống vô tuyến bằng kỹ thuật tiền mã hóa

và phương pháp cấp phát kênh ñộng cho hệ thống mạng di ñộng một ô ñến nhiều ô có từ một ñến nhiều anten thu phát sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA

Các vấn ñề cần giải quyết của luận án

- Với việc sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa, chất lượng của tín hiệu nhận ñược phụ thuộc vào chất lượng của kênh truyền ñược khôi phục tại bên thu, bảng mã sử dụng ñể mô tả kênh truyền và phương pháp lựa chọn ma trận tiền mã hóa tối ưu

từ bảng mã Do vậy ñưa ra ñược một phương pháp tìm kiếm ma trận kênh truyền tối ưu từ bảng mã là một vấn ñề luận án cần giải quyết

- Trong trường hợp hệ thống nhiều thuê bao, luận án tập trung nghiên cứu và ñưa

ra các giải pháp nhằm là giảm nhiễu ñồng kênh, nâng cao thông lượng, hiệu quả

sử dụng phổ tân và ñảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thuê bao trong hệ thống Các nghiên cứu ñược trình bày trong bản luận án này có thể chia ra thành hai trường hợp Trường hợp thứ nhất là ñối với các hệ thống một ô, trong trường hợp này chỉ có một BS và nhiều MS nằm trong sự quản lý của BS Trường hợp thứ 2 là hệ thống gồm nhiều ô Đối với trường hợp này việc cấp

phát kênh phức tạp hơn do có ảnh hưởng của nhiễu ñồng kênh giữa các ô và giữa các sector trong cùng một ô Trong mỗi một trường hợp trên lại phân ra hai trường hợp nhỏ hơn là trường hợp hệ thống chỉ có một anten thu phát (SISO) và trường hợp hệ thống nhiều anten thu phát (MIMO)

- Trường hợp hệ thống nhiều ô sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA, luận án nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu ñồng kênh ñến chất lượng của tín hiệu tiền mã hóa khi áp dụng phương pháp cấp phát kênh theo vị trí mà tác giả ñã ñề xuất

2 Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án

- Vấn ñề ñồng bộ coi như ñã ñược giải quyết trong cả trường hợp ñường lên và xuống

- Bộ khuếch ñại tín hiệu ñầu vào máy thu ñược coi là lý tưởng và tuyến tính trên toàn bộ băng tần số

- Đối với các hệ thống OFDMA thì băng thông của hệ thống là cố ñịnh, số sóng mang con trên toàn hệ thống là cố ñịnh Kỹ thuật cấp phát kênh ñộng có nghĩa

là mỗi thuê bao có thể ñược cấp phát một hay nhiều sóng mang con ở tại một thời ñiểm bất kỳ

- Trong phần cấp phát kênh cho mạng nhiều ô – luận án chủ yếu nghiên cứu thuật

toán cấp phát cho trường hợp mạng sử dụng kỹ thuật FDD (Frequency Division

Duplex) Tuy nhiên các kết quả và thuật toán cấp phát có thể mở rộng cho cả

trường hợp TDD (Time Division Duplex)

- Đối với vấn ñề chất lượng dịch vụ của hệ thống mà luận án ñề cập, thì các tham

số chất lượng dịch vụ của hệ thống ở ñây ñược hiểu là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỷ số tín hiệu trên nhiễu ñồng kênh và nhiễu Gauss (SINR), mức công suất nhiễu ñồng kênh hay tỷ lệ lỗi bit của hệ thống chứ không mở rộng ra cho các trường hợp các tham số khác

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tính toán giải tích ñược áp dụng ñể phân tích và giải các phương trình toán học liên quan tới ma trận mô tả các mô hình kênh vô tuyến Tính toán dung lượng, tỷ lệ lỗi bít và khả năng cấp phát kênh cho hệ thống

- Phương pháp mô phỏng cũng ñược sử dụng ñể tìm ra các quy luật và giá trị tối

ưu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ

4 Cấu trúc luận án

Luận án ñược chia thành 4 chương có nội dung như sau

Chương 1: Trình bày những khái niện cơ bản của thông tin vô tuyến Trong chương

này có mô tả về kênh vô tuyến với số lượng anten thu phát lớn hơn hay bằng một và các ñặc ñiểm của nó Việc khôi phục kênh truyền ñối với hệ thống sử dụng công nghệ OFDM và MIMO-OFDM là một thủ tục quan trọng nó ñảm bảo cho việc tái tạo lại thông tin truyền ñi có chính xác hay không cũng ñược trình bày trong chương này

Chương 2: Trình bày về kỹ thuật nâng cao dung lượng của hệ thống MIMO-OFDM

bằng kỹ thuật tiền mã hóa thông qua việc phản hổi các ñặc ñiểm của kênh truyền tới bên phát Chương này trình bày nguyên lý cơ bản của tiền mã hóa và phương pháp

sử dụng bảng mã ñể giảm bớt số bit thông tin cần thiết cho việc truyền lại các thông tin trạng thái của kênh Kỹ thuật lựa chọn ma trận tiền mã hóa và ñề xuất của tác giả cũng ñược trình bày ở ñây [46] Các kết quả mô phỏng cho thấy ưu ñiểm của kỹ thuật tiền mã hóa trong cả hai trường hợp kênh khôi phục hoàn hảo và không hoàn hảo Cuối cùng là kết luận của chương

Chương 3: Trình bày về kỹ thuật cấp phát kênh cho hệ thống mạng di ñộng dùng

công nghệ OFDMA Trong chương này chia thành hai phần, phần thứ nhất trình bày

về dung lượng và kỹ thuật cấp phát kênh cho trường hợp hệ thống có một ô với nhiều thuê bao sử dụng công nghệ OFDMA Đặc ñiểm của phần này là việc lợi dụng tính chất phân tập về kênh truyền trong môi trường nhiều thuê bao ñể cải thiện dung lương hệ thống Các kết quả cho thấy dung lượng hệ thống tăng lên khi tăng

số lượng thuê bao [4] Trong phần thứ hai của chương trình bày về trường hợp

mạng nhiều ô, nhiều thuê bao với kỹ thuật tái sử dụng 100% hay một phần tần số Các về ảnh hưởng của nhiễu và ñặc ñiểm dung lượng hệ thống mạng nhiều ô cũng ñược chỉ ra ở ñây Tiếp theo ñó trong phần này trình bày về các kỹ thuật cấp phát kênh cho mạng nhiều ô tái sử dụng tần số với hệ số bằng 1 và ñề xuất hai phương pháp cấp phát kênh- phương pháp thứ nhất dựa trên vị trí của các thuê bao [5] và phương pháp thứ hai là kỹ thuật cấp phát kênh ñảm bảo chất lượng dịch vụ [45] Cuối cùng của chương là kết luận

Chương 4: Nghiên cứu về dung lượng và kỹ thuật cấp phát kênh trong trường hợp

mạng di ñộng sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA Trong chương này việc cấp phát kênh áp dụng cho trường hợp hệ thống gồm nhiều anten thu phát Phần ñầu chương trình bày kỹ thuật cấp phát kênh MIMO-OFDMA cho trường hợp hệ thống một ô Các nghiên cứu cho thấy dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như

số lượng thuê bao, cấu trúc khung truyền MAC, tần số Doppler [44] Phần tiếp theo của chương áp dụng kỹ thuật câp phát kênh cho trường hợp mạng nhiều ô Trong phần này, kỹ thuật nâng cao dung lượng hệ thống bằng phương pháp tiền mã hóa cũng ñược sử dụng ở ñây ñể nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu ñồng kênh ñến hiệu quả của việc tiền mã hóa trong hệ thống Phần cuối cùng của chương là kết luận Cuối cùng là kết luận và phương hướng phát triển cho ñề tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN

Một hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm hai phần là phát và thu với số lượng anten

anten phát, M R anten thu và M S dòng dữ liệu (xem Hình 1-1)

Hình 1-1: Mô hình hệ thống vô tuyến

Có thể phân chia hệ thống vô tuyến thành các nhóm chính dựa trên số lượng anten thu phát như sau:

Số lượng anten thu phát trong các hệ thống vô tuyến sẽ ảnh hưởng ñến ñộ phức tạp, chất lượng tín hiệu và dung lượng của hệ thống Trong các hệ thống vô tuyến thì việc thiết kế các tín hiệu dữ liệu truyền, tín hiệu dẫn ñường, phương pháp khôi phục kênh truyền và dữ liệu hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng anten thu phát cụ thể nhằm ñảm bảo tối ưu hóa quá trình thu phát thông tin

Trong chương này sẽ trước hết sẽ trình bày về các ñặc ñiểm và dung lượng của kênh

vô tuyến SISO và MIMO Tiếp theo ñó là trình bày về các phương pháp khôi phục kênh truyền và dữ liệu

1.1 Hệ thống một anten thu phát - kênh SISO

1.1.1 Đặc ñiểm phân bố và dung lượng kênh truyền

Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ, tán xạ, nhiễu

xạ trên những vật thể, xe cộ, bức tường… một số sự phản xạ này sẽ ñến máy thu, theo nhiều ñường, và ñược ñề cập như là môi trường ña ñường (multipath) [1]

Hình 1-2 Minh họa tính chất truyền dẫn ña ñường của tín hiệu vô tuyến

Mỗi ñường truyền này sẽ có những khoảng cách truyền khác nhau, và do ñó tạo ra những khoảng thời gian truyền khác nhau Nếu truyền tín hiệu RF trong môi trường

ña ñường, kết quả sẽ thu ñược tín hiệu là tập hợp của những thành phần ña ñường Hình 1-3(a) Trong ñó mỗi một xung thể hiện một ñường truyền với thời gian trễ τ phụ thuộc vào quãng ñường của tín hiệu ñã truyền ñi Trên hình Hình 1-3 (b) là ñáp ứng tần số của kênh Đáp ứng tần số của kênh cho ta biết kênh có hay không phụ thuộc vào tần số [1]

Việc nghiên cứu sự phân bố biên ñộ ñường bao của tín hiệu RF nhận ñược từ bên phát là rất quan trọng trong thông tin vô tuyến Sự phân bố này có thể phân ra thành

nhiều loại nhưng trong luận án này chỉ ñề cập ñến hai phân bố là phân bố Rice cho

“micro-cell” và phân bố Rayleigh cho “macro-cell” Trong số các tia sóng truyền ñến có chứa thành phần truyền thẳng ñến máy thu thì lúc này phân bố sẽ là Rice

Trong trường hợp này, các thành phần ña ñường ngẫu nhiên ñến bộ thu với những góc khác nhau ñược xếp chồng lên tín hiệu tầm nhìn thẳng (LOS) Ảnh hưởng của

tín hiệu LOS (có công suất vượt trội) ñến bộ thu cùng với các tín hiệu ña ñường (có

công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Rice rõ rệt hơn Khi thành phần LOS bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp có ñường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần LOS mất ñi [67]

Hình 1-3 (a) Đáp ứng xung (b) ñáp ứng tần số của kênh truyền

Hàm mật ñộ xác suất của phân bố Rice [67]

0)

) ( 2

2 2 2

v

v

v I e

p

v

δ

ξδ

I 0 : là hàm Bessel sửa ñổi loại 1 bậc 0.

Phân bố Rice thường ñược mô tả bởi thông số K ñược ñịnh nghĩa như là tỷ số giữa

công suất tín hiệu xác ñịnh thành phần LOS và công suất các thành phần ña ñường:

2

dB

v dB

sau:

2 2

2 2)

Hình 1-4: Đồ thị hàm mật ñộ phân bố xác suất Rice và Rayleigh

dung lượng kênh truyền thông tin ñược tính

(bps/Hz)

)(

|

|1log0

2

2

Trong ñó P là công suất tín hiệu nhận ñược, σ 2 là công suất nhiễu Gauss, h là hệ số

của kênh truyền, P h=ξ, p(h) và p(ξ) có cùng phân bố xác suất Tỷ số

2

/σ

P

Trên Hình 1-5 là dung lượng của kênh Rayleigh (ñường dưới cùng) và Rice (các ñường nằm bên trên) trong các trường hợp v khác nhau (v tăng dần ñi từ dưới lên)

Ta có nhận xét rằng dung lượng của kênh Rayleigh nhỏ hơn dung lượng của kênh

phản xạ tạo thành nên ñộ suy hao trong tín hiệu truyền lớn còn kênh Rice có tia nhìn

thẳng với quãng ñường ñi ngắn và không có vật cản nên tín hiệu nhận ñược tốt hơn

do vậy dung lượng kênh truyền là cao hơn Tuy nhiên trong môi trường thực tế ñối với các hệ thống thông tin vô tuyến ñặc biệt với các hệ thống di ñộng thì việc ñòi hỏi tín hiệu có tầm nhìn thẳng là rất khó mà trong phần lớn trường hợp tín hiệu nhận ñược ở bên thu hoàn toàn do tín hiệu phản xạ (ví dụ một máy ñiện thoại di ñộng ñặt

trong nhà) Do vậy các nghiên cứu về truyền tín hiệu với kênh phân bố Rayleigh

chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin vô tuyến, chí ít cũng cho kết luận trong trường hợp xấu nhất

Hình 1-5: So sánh dung lượng kênh Rice và Rayleigh

1.1.2 Dung lượng các hệ thống ña sóng mang SISO-OFDM

Trong trường hợp các hệ thống ña sóng mang (ví dụ OFDM), dung lượng của toàn

bộ hệ thống ñược tính bẳng tổng dung lượng của tất cả các sóng mang

(bps/Hz)

|

|1log1

0

2

2 2

= N FFT

k

k

k H P C

ñiều kiện truyền thông bình thường, nghĩa là không phân biệt sự khác nhau giữa các

WF là thuật toán dùng ñể tối ưu hóa công suất phát tín hiệu trên từng sóng mang

con của hệ thống ña sóng mang trong môi trường kênh Rayleigh Thực chất việc áp

dụng thuật toán này ñòi hỏi kênh truyền phải ñược nhận biết ở bên phát Khi ñó dựa

vào các ñặc ñiểm kênh truyền ñã ñược nhận biết, việc tối ưu hóa dung lượng của hệ thống ñược thực hiện bằng cách phân bổ tối ưu công suất phát trên mỗi một sóng mang con (optimal power allocation) Dung lượng tối ưu của hệ thống [22] ñược tính

(bps/Hz)

|

|1log1

2

* 2

H P C

ở ñây dấu biểu thức (.)+ tương ñương với ñịnh nghĩa x + :=max(x, 0) nghĩa là x + ñược

tính bằng giá trị lớn nhất giữa giá trị của x và giá tri không

Trong ñó µ ñược tính theo công thức

0 1

P H

Trên Hình 1-6 là kết quả so sánh hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống trong

trường hợp có và không sử dụng thuật toán “ñổ nước” (WF)

Hình 1-6 So sánh dung lượng kênh Rayleigh trong trường hợp có và không áp dụng thuật

1.2 Hệ thống nhiều anten thu phát - kênh MIMO

Trường hợp hệ thống một anten thu phát là trường hợp ñặc biệt của hệ thống nhiều anten phát nhiều anten thu – MIMO Trong hệ thống nhiều anten thu phát thì mối quan hệ giữa từng cặp anten phát và thu chính là quan hệ một phát một thu với phân

bố như ñã mô tả trong phần (1.1.1) Như vậy một hệ thống M T anten phát và M R

anten thu thì ta sẽ có M T ×M R mối quan hệ một anten phát và một anten thu

1.2.1 Mô hình và dung lượng kênh MIMO

1-7

Hình 1-7 Hệ thống nhiều anten thu phát

Ta giả sử rằng mỗi kênh truyền h ij giữa anten phát i và thu j tuân theo phân bố Rayleigh Ma trận kênh truyền có kích thước M R ×M T trong miền tần số có dạng

bằng số lượng mẫu ñáp ứng xung của kênh truyền (xem Hình 1-3(a)) Khoảng thời gian giữa các mẫu này bằng nhau và bằng thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM

)()

)()

(

)(

)()

(

2 1

2 22

12

1 21

11

ωω

ω

ωω

ω

ωω

ω

R T R

R

T T

M M M

M

M M

H H

H

H H

H

H H

H

,)

(

1 0

e h e

Gọi xr là vector tín hiệu phát có kích thước M T ×1, yr là vector tín hiệu thu ñược có

kích thước M R ×1 Biểu thức biểu diễn sự liên hệ giữa tín hiệu phát thu và kênh truyền như sau

n x H

nr là vector nhiễu Gauss có kích thước M R ×1

Dung lượng kênh MIMO ñược tính như sau [85]

T M

Ở ñây I là ma trận ñơn vị kích thước M R ×M R , ρ là tỷ số giữa mức tín hiệu nhận

ñược trên nhiễu (chính là SNR = P/σ2) Q là hiệp phương sai của tín hiệu phát

Q=cov(E[xx H ]), H H là chuyển vị và liên hợp phức của ma trận H

Mỗi một ma trận kênh truyền H kích thước M R ×M T bất kỳ ñều có thể phân tích ñược thành tích của ba ma trận (SVD: Singular Value Decomposition) [70]

M R ×M T chứa các giá trị kỳ dị (singular) của H còn hai ma trận U kích thước

M R ×M R , ma trận D kích thước M T ×M T là các ma trận ñơn nhất (unitary matrix)

chứa lần lượt các vector các giá trị kỳ dị bên trái và bên phải của H Như vậy kênh

lẻ song song với hệ số kênh truyền chính là các giá trị kỳ dị λi

1.2.1.1 Tầm quan trọng của giá trị kỳ dị nhỏ nhất

Giá trị kỳ dị nhỏ nhất có một ý nghĩa rất quan trọng trong hệ thống, nó có ñặc ñiểm

là các số dương và giảm dần 1 > 2 > > min( , ) > 0

R

T M M

λλ

Với {S} là tập hợp gồm {s ri} các vector tín hiệu truyền ñi thì tập {R} chứa tập hợp

các {ri =H sri}là vector tín hiệu nhận ñược Bằng phương pháp khôi phục tối ña hóa

sự giống nhau giữa hai kí hiệu thì khi ñó tỷ lệ lỗi bít của hệ thống phụ thuộc vào

khoảng cách tối thiểu giữa các thành phần của R Kí hiệu d min là khoảng cách tối thiểu giữa các thành phần tín hiệu thu:

||

)(

R

s s

Do ñó

0 ) , min(

) , min(

d

R T R

Với d 0 là khoảng cách tối thiểu giữa hai từ mã nằm trong tập {S}

Từ phương trình (1-18) ta thấy rằng tỷ lệ lỗi bít của hệ thống liên quan mật thiết với giá trị kỳ dị nhỏ nhất của kênh truyền Do vậy việc nghiên cứu ñặc tính phân bố của khoàng cách tối thiều giữa hai từ mã là ñặc biệt quan trọng trong hệ thống MIMO

1.2.1.2 Dung lượng hệ thống ñóng (Closed loop) - kênh không tương quan

Trong trường hợp hệ thống ñóng (closed loop), nghĩa là các thông tin trạng thái của kênh truyền (CSI - Channel State Information) ñược nhận biết tại cả bên phát và thu Với kênh là Rayleigh thì có thể sử dụng thuật toán Water Filling (WF) ñể tối ưu hóa dung lượng của hệ thống Việc áp dụng thuật toán WF ñể tối ưu dung lượng hệ thống ñược cho bởi WF [22] như sau

(bps/Hz)

)(log1 2

Biểu thức (.)+ biểu thị chỉ lấy giá trị dương và với m= min(M T ,M R )

Với việc sử dụng bất kỳ một ma trận thông tin Q là ma trận ñơn nhất, bên phát có

SISO

Hình 1-8 Dung lượng kênh MIMO Trên Hình 1-8 là dung lượng của hệ thống MIMO với số lượng anten thu và phát là khác nhau Trên Hình 1-9 là sự phân bố các giá trị kỳ dị của kênh truyền với các

ñương với kênh Rayleigh

1.2.2 Trường hợp kênh có tương quan (Correlated channel)

Thực tế do sự bố trí các anten thu và phát thường trong không gian hẹp nên tín hiệu phát và thu giữa các anten là có sự tương quan với nhau Tùy thuộc vào thiết kế hệ

thống mà sự tương quan nhiều hay ít Mức ñộ tương quan có thể ñánh giá trong khoảng từ 0 ñến 1 Sự tương quan giữa các anten sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống

Một ma trận kênh MIMO có thể phân tích thành 2 thành phần

g

H

biến ñổi ngẫu nhiên theo phân bố Gauss Hiệp phương sai của kênh ñược tính

]

0

H h [h

Trong ñó hg=vec(Hg), R0 là ma trận nửa dương (HPS) Hiệp phương sai R0 thường ñược giả sử cho ñơn giản với cấu trúc Kronecker [79] Mô hình Kronecker giả sử

thu ñơn (tương ứng với một hàng của H) là giống nhau cho bất kỳ một anten nhận nào và bằng ma trận Rt kích thước (M T ×M T) Đặt t

i

h là hàng i của H g thì [98]

][h h H E

ñối với i bất kỳ Tương tự với kênh vô hướng nhìn từ một anten ñơn phát tới M R

anten thu (tương ứng với các cột của H) là ma trận Rr kích thước (M R ×M R) Đặt hj

là cột j của H g thì

] h E[h

j j

thể biểu diễn như sau

2 / 1 2 / 1

t w r

m R H R H

ñơn vị với các giá trị phức Gauss R1t/2là căn bậc hai của Rt, nghĩa là

t t

R1 / 2 1 / 2 =

Điều này tương tự với R1r/2

Thông thường ñể tính toán sự tương quan trong không gian giữa các anten cần thu thập một lượng lớn thông tin về kênh MIMO trong một môi trường cụ thể Nhược ñiểm của phương pháp này là rất tốn thời gian và cần phải tính toán một số lượng

giá trị tương quan Trong luận án này ta sử dụng mô hình hóa một cách ñơn giản sự tương quan nhưng vẫn phản ánh ñúng ñặc tính của kênh MIMO bằng một ma trận tương quan cố ñịnh Các hệ số trong ma trận thể hiện sự tương quan giữa hai cặp anten Giá trị của các hệ số này thực sự phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí giữa hai anten Sử dụng các phương trình tính toán về sự tương quan giữa hai anten thì có thể thấy rằng giá trị này suy giảm tỷ lệ với hàm số mũ của khoảng cách và ảnh hưởng thêm bởi một loạt các thông số liên quan ñến góc bức xạ, ñộ trải trễ của tín hiệu và môi trường xung quanh Mô hình ma trận tương quan phát và thu phụ thuộc khoảng cách có thể thấy như sau [7]

( )

( )

(

1 )

(

1 1

2 2

2

2 2 2

) 3 (

* 3 )

2 (

* 2 )

1 (

* 1

) 3 ( 3

* 32 4

* 31

) 2 ( 2 23

* 21

) 1 ( 1 4

13 12

L

M L M

M M

L L L

T T T

T t

T

T T

T T

Tt T

M M M

M M

M

M M

M M

M M

t

r r

r

r r

r

r r

r

r r

( )

( )

(

1 )

(

1 1

2 2

2

2 2 2

) 3 (

* 3 )

2 (

* 2 )

1 (

* 1

) 3 ( 3

* 32 4

* 31

) 2 ( 2 23

* 21

) 1 ( 1 4

13 12

L

M L M

M M

L L L

R R R

R R

R

R R

R R

R R

M M M

M M

M

M M

M M

M M

r

r r

r

r r

r

r r

r

r r

r

Ở ñây (*) là liên hiệp phức Các giá trị r ij thể hiện sự tương quan giữa hai anten i và

j , nó có giá trị từ 0 ñến 1 Trong trường hợp r ij =0 nghĩa là hoàn toàn không tương quan Trường hợp bằng 1 là tương quan hoàn toàn

Kết quả trong Hình 1-10 là dung lượng của hệ thống MIMO 2×2 trong trường hợp kênh tương quan có ñộ tương quan khác nhau Trong trường hợp kênh có tương

thống 2×2 có dạng

2 2 1

1

ρ

ρρ

ρ

t

Hình 1-10 Dung lượng kênh MIMO có tương quan

1.2.3 Dung lượng của hệ thống ña sóng mang MIMO-OFDM

Đối với hệ thống ña sóng mang MIMO-OFDM, dung lượng của hệ thống là tổng dung lượng trên tất cả các sóng mang con với ñiều kiện

+ Công suất phát ñồng ñều trong không gian giữa các anten

k k I n

n E

R

M k

+ Vector các tín hiệu phát có phân bố ñều

Dung lượng kênh trung bình ñược cho bởi trường hợp không nhận biết ñược ñặc ñiểm của kênh truyền

(bps/Hz) det

log

0

2 2

=

FFT

FFT FFT

k j

T M

FFT

e e

M

I N

E

C

π π

1.2.4 Ước lượng kênh và khôi phục dữ liệu trong hệ thống OFDM và OFDM

MIMO-Tín hiệu truyền ñi trong hệ thống thông tin bao giờ cũng gồm hai thành phần là dữ liệu (Data) và tín hiệu dẫn ñường (Pilot) Dữ liệu là thông tin mà bên phát muốn truyền cho bên thu còn tín hiệu dẫn ñường là tín hiệu ñã ñược biết trước tại cả hai ñầu cuối Tùy thuộc vào mỗi một hệ thống mà sự sắp xếp dữ liệu và tín hiệu dẫn ñường trong khung thông tin truyền là khác nhau Trong hệ thống OFDM, sự bố trí tín hiệu dữ liệu và dẫn ñường có thể ñan xen trong cả miền thời gian và tần số như

Hình 1-11 Trong ñó D f là khoảng cách về tần số giữa các mẫu tin dẫn ñường, D t là

khoảng cách về thời gian D f , D t phải thỏa mãn ñiều kiện [1]

1

11

t

Ở ñây f D là tần số Doppler, T s là thời gian một kí hiệu OFDM, f s là tần số lấy mẫu

của tín hiệu OFDM và τ max là trễ truyền sóng lớn nhất của kênh truyền

Hình 1-11: Cấu trúc tín hiệu truyền trong hệ thống OFDM [1]

1.2.5 Ước lượng kênh cho hệ thống SISO-OFDM

Trong trường hợp hệ thống một anten phát thu, tín hiệu dẫn ñường ñược truyền từ bên phát, ñể ước lượng kênh truyền một cách ñơn giản theo phương pháp bình

phương nhỏ nhất LS (Least Square) như sau Gọi yr là tín hiệu nhận ñược tại bên thu yr ñược biểu diễn dưới dạng

n H X N h XF

Trong ñó: tín hiệu phát X=diag{X( 0 ),X( 1 ), ,X(N FFT − 1 )}, vector tín hiệu thu

T FFT N Y Y

Y(0), (1), , ( 1)]

=

sóng mang con Hr là ñáp ứng tần số kênh truyền giữa anten phát và thu ñược tính

} { )]

1 (

), , 1 ( ), 0 (

c

L h

=

rời rạc biểu diễn giữa quan hệ tín hiệu ở miền thời gian và miền tần số của kênh có

thể ñược biểu diễn thông qua ma trận biến ñổi DFT F như phương trình

h F

1 ( 1

) 1 ( 0 ) 1 (

) 1 ( 0 01

FFT FFT

FFT

FFT FFT FFT

FFT

N N N N

N N

N

N N N

N

W W

W

W W

nk

N

1.2.5.1 Ước lượng theo phương pháp bình phương nhỏ nhất (LS)

Phương pháp ước lượng bình phương nhỏ nhất sẽ thực hiện cực tiểu giá trị bình phương của lỗi của tín hiệu nhận ñược tại bên thu so với tín hiệu thực sự truyền ñi Giá trị bình phương khoảng cách giữa hai tín hiệu ñược tính (yr−XF hr)H(yr−XF hr)Phương trình thực hiện ước lượng LS ñược biểu diễn bởi:

y X

không tương quan với nhiễu N Với giả thiết này thì việc ước lượng kênh hrMMSE

sử rẳng ma trận tự tương quan của kênh truyền R hh và phương sai nhiễu (noise phương sai) σ2 ñã ñược biết Ta có:

H hh H

H

r r r

r

(1-37)

H H H

H

I X

F XFR y

R = { } = H H +σ2

hh H

Ta có công thức ñể tính ước lượng MMSE như sau:

y R R

Lấy biến ñổi IFFT ñể ta có ñáp ứng tần số [11]:

LS H

HH HH MMSE

hiệu quả tốt hơn so với ước lượng LS ñặc biệt dưới ñiều kiện SNR thấp Tuy nhiên, MMSE có ñộ phức tạp tính toán cao hơn do yêu cầu phải lấy ma trận nghịch ñảo

mỗi lần X thay ñổi

Hình 1-12: So sánh kết quả giữa hai ph

1.2.6 Ước lượng kênh cho h

Sơ ñồ hệ thống MIMO

HìnhTrong trường hợp hệ thố

so với hệ thống SISO thì s

kênh Do vậy tín hiệu dẫn ñư

thể khôi phục ñược kênh truy

các anten phát ngoài việ

kiện trực giao giữa các anten phát

các hệ thống MIMO 2×2, tín hi

ết quả giữa hai phương pháp ước lượng kênh LS và MMSE

ênh cho hệ thống MIMO-OFDM

ng MIMO-OFDM như trên Hình 1-13

Hình 1-13 Sơ ñồ khối hệ thống MIMO-OFDM ống MIMO, việc ước lượng kênh truyền phứ

ng SISO thì số lượng kênh truyền phải ước lượng nhi

n ñường phải ñược truyền ñi từ tất cả các anten phát Đ

c kênh truyền tại các anten thu thì tín hiệu dẫn ñườ

ệc phải thỏa mãn ñiều kiện (1-31) còn phải th

a các anten phát [83] Trong các nghiên cứu của lu

2, tín hiệu dẫn ñường ñược bố trí như sau

ênh LS và MMSE

ức tạp hơn nhiều

các anten phát Để có ờng truyền ñi từ

i thỏa mãn ñiều luận án này, với

012Anten

1Anten

r

Y

là tín hiệu dẫn ñường nhận ñược từ sóng mang con phụ k ở anten thu r Kí hiệu này

có thể ñược viết theo phương trình

là số lượng anten phát (xem Hình 1-13)

Để biểu diễn tín hiệu dẫn ñường nhận ñược của tất cả các sóng mang con ,

k=0, ,N FFT -1 ta ñịnh nghĩa vector tín hiệu dẫn ñường nhận ñược cộng nhiễu ở

anten thu r [64]:

T FFT r r

r =[n[0], ,n [N −1]]

Trong phương trình trên, N FFT là số sóng mang con Toán hạng (.)T là toán hạng

chuyển vị ma trận Các hệ số kênh truyền giữa tất cả anten phát và anten thu thứ r là một vector (M T N FFT )×1

T r M r t r

r [H1, , ,H, , H T, ]

r t r t r

t, = [H, , ,H , ]

Tín hiệu dẫn ñường X ñược kết hợp trong ma trận N FFT × (M T N FFT ) biểu diễn dưới dạng

k r

Y

{ }, , { }, , {

r r

, 1 0

, 1

1 , 1 1

, 1 0

, 1

1 , 0 1

, 0 0

, 0

FFT

FFT FFT

N N N

N

N N

F F

F

F F

F

F F

F

Các thành phần của F: Fp,q =e -j2 π(pq/NFFT) Đáp ứng thời gian của kênh có ñộ dài L c

tương ứng với ñộ dài tối ña của trễ phát kênh ở dạng rời rạc nhưng phải nhỏ hơn ñộ

dài N FFT Bằng việc diễn tả ñáp ứng thời gian của kênh (1-49), vector giải ñiều chế trong (1-43) có thể viết lại

r r

ở ñây

] } { , , } {

T diag

và

T r N r t r

sự tồn tại của ma trận nghịch ñảo (Q H Q)-1 Nếu ma trận Q H Q là singular (hoặc gần

singular) thì giải pháp LS không tồn tại hay không tin cậy