Kỹ thuật tiền mã hóa trong truyền thông không dây mimo chuyển tiếp

5 2 CƠ SỞ VỀ TRUYỀN THÔNG MIMO CHUYỂN TIẾP VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 8 2.1 Hệ thống MIMO chuyển tiếp không tái tạo tín hiệu... Luận án xem xét cơ chếchuyển tiếp không tái tạo.Khi máy phát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ANH VINH

KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

MIMO CHUYỂN TIẾP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ

TP Hồ Chí Minh - 2018

NGUYỄN ANH VINH

KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

MIMO CHUYỂN TIẾP

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Nguyễn Hữu Phương

2 TS Nguyễn Nam Trân

TP Hồ Chí Minh - 2018

Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi Nội dung củaluận án chưa từng được ai xuất bản hay công bố trong bất kỳ một công trìnhnào trước đây.

Tác giả luận án

Nguyễn Anh Vinh

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc dành cho Thầy hướng dẫn PGS.

TS Nguyễn Hữu Phương Thầy đã luôn nhiệt tình hướng dẫn và hỗ trợ tôikhông chỉ trong thời gian làm nghiên cứu sinh mà còn xuyên suốt trong quátrình học tập ở bậc đại học, thạc sĩ cũng như trong quá trình giảng dạy của tôi.Một lời cảm ơn thật đặc biệt học trò muốn gửi đến TS Nguyễn Nam Trân.Trong vai trò là Thầy đồng hướng dẫn, Thầy luôn dành cho tôi những hướngdẫn và hỗ trợ vô giá trong việc làm nghiên cứu, công bố kết quả nghiên cứu vàtổng hợp nội dung viết luận án

Nhân đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô Khoa Điện tử Viễn thông đã nhiệt tình giảng dạy tôi, cảm ơn TS Huỳnh Hữu Thuận, TS BùiTrọng Tú và TS Đặng Lê Khoa và các bạn bè đồng nghiệp đã chia sẻ, gánh vác,giúp đỡ tôi trong giảng dạy và công tác chung của Khoa Tôi xin gửi lời cảm

-ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Tăng Vinh vì những giúp đỡ âm thầm hữu ích màThầy dành cho tôi trong công việc lẫn trong cuộc sống

Sau cùng, tôi bày tỏ lòng cảm kích chân thành và sâu sắc đối với cha mẹ, vợcon và anh chị em tôi, những người thân đã mang lại cho tôi sức mạnh vật chất

và tinh thần vô cùng lớn lao

Nguyễn Anh Vinh

Lời cam đoan i

1.1 Động lực và phạm vi nghiên cứu 1

1.2 Công bố trên thế giới gần đây về thiết kế tiền mã hóa 3

1.3 Mục tiêu và đóng góp của luận án 4

1.4 Bố cục trình bày 5

2 CƠ SỞ VỀ TRUYỀN THÔNG MIMO CHUYỂN TIẾP VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 8 2.1 Hệ thống MIMO chuyển tiếp không tái tạo tín hiệu 8

2.1.1 Hệ thống chuyển tiếp hai chặng 8

2.1.2 Hệ thống chuyển tiếp nhiều chặng 10

2.1.3 Cơ chế chuyển tiếp tín hiệu 10

2.1.6 Kênh thành phần chứa nhiễu màu 14

2.2 Kỹ thuật tiền mã hóa 16

2.2.1 Thu thập thông tin kênh truyền 16

2.2.2 Bài toán thiết kế tiền mã hóa 17

2.2.3 Phương pháp toán tối ưu hàm lồi 20

2.3 Tổng kết chương 22

3 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA MMSE TIỆM CẬN TRONG HỆ THỐNG MIMO NHIỀU CHẶNG 23 3.1 Hệ thống MIMO K chặng 24

3.2 Kỹ thuật tiền mã hóa MMSE tiệm cận 27

3.2.1 Bài toán thiết kế tiền mã hóa MMSE tiệm cận 27

3.2.2 Cấu trúc chung cho các bộ tiền mã hóa và thuật toán phân bổ công suất 28

3.3 Kết quả mô phỏng 31

3.4 Kết luận chương 37

4 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHUYỂN TIẾP MMI TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG MIMO HAI CHẶNG 38 4.1 Hệ thống MIMO hai chặng 39

4.2 Kỹ thuật tiền mã hóa chuyển tiếp MMI tối ưu 42

4.2.1 Cấu trúc tối ưu cho bộ tiền mã hóa 42

4.2.2 Thuật toán phân bổ công suất tối ưu 47

4.3 Kết quả mô phỏng 50

4.4 Tổng kết chương 54

HỢP MMI TRONG HỆ THỐNG MIMO HAI CHẶNG 56

5.1 Mô hình hệ thống và thành lập bài toán thiết kế 58

5.2 Kỹ thuật tiền mã hóa nguồn-chuyển tiếp phối hợp dùng CSIT toàn phần 61

5.2.1 Cấu trúc tối ưu cho các bộ tiền mã hóa nguồn và chuyển tiếp 61

5.2.2 Thuật toán phân bố công suất lặp 67

5.2.3 Thuật toán phân bổ công suất đơn giản 70

5.3 Kỹ thuật tiền mã hóa nguồn và chuyển tiếp phối hợp dùng CSIT một phần 73

5.3.1 Cấu trúc cận tối ưu cho bộ tiền mã hóa nguồn và chuyển tiếp 73

5.3.2 Thuật toán phân bố công suất lặp 77

5.3.3 Thuật toán phân bổ công suất đơn giản 79

5.4 Kết quả mô phỏng 81

5.4.1 Thiết lập tham số mô phỏng 81

5.4.2 So sánh các kỹ thuật JSRP đề xuất 82

5.4.3 So sánh các kỹ thuật JSRP dùng CSIT toàn phần với các kỹ thuật đã công bố 84

5.4.4 So sánh các kỹ thuật JSRP dùng CSIT một phần với các kỹ thuật liên quan 85

5.5 Tổng kết chương 86

6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 88 6.1 Kết luận 88

6.2 Hướng phát triển 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

2.1 Hệ thống truyền thông hợp tác cơ bản với một máy chuyển tiếp 92.2 Hệ thống chuyển tiếp hai chặng 92.3 Hệ thống chuyển tiếp nhiều chặng 102.4 Mô hình hệ thống MIMO chuyển tiếp tổng quát 122.5 Hồi tiếp CSI chặng k từ máy thứ k + 1 (Rx) đến máy thứ k (Tx) 173.1 Hệ thống MIMO K chặng dùng cơ chế chuyển tiếp không tái tạo 243.2 MI và MSE theo SNR: hệ thống một chặng 333.3 MI và MSE theo SNR: hệ thống hai chặng 343.4 MI và MSE theo SNR: hệ thống ba chặng 353.5 BER theo SNR của các hệ thống một chặng, hai chặng, ba chặngdùng điều chế QPSK 36

4.1 Hệ thống MIMO hai chặng dùng cơ chế chuyển tiếp không tái tạo 404.2 Sự phân ly kênh MIMO chặng hai 464.3 Dung lượng của các hệ thống N1×N2×N3 : tín hiệu dữ liệu khôngtương quan, kênh tương quan rt,1 = rr,1 = 0.5, rt,2 = rr,2 = 0.5,nhiễu trắng, SNR1 = SNR2 = SNR 524.4 Dung lượng của hệ thống 4 × 4 × 4 : tín hiệu dữ liệu tương quan,kênh tương quan, nhiễu màu, khi SNR2 = 7dB và SNR2 = 20dB 545.1 Hệ thống chuyển tiếp MIMO hai chặng ba nốt không tái tạo 585.2 Minh họa sự tách kênh MIMO đầu-cuối tương đương 66

0.5, rt,2 = rr,2 = 0.5 (trái), SNR2 = 15dB, rt,1 = rr,1 = 0.5,

rt,2 = rr,2 = 0.5 (giữa) và SNR2 = 15dB, rt,1 = rr,1 = 0.5, rt,2 =0.5, rr,2 = 0.95 (phải) 835.4 Dung lượng hệ thống theo SNR1, SNR2 = 20dB rt,1 = rr,1 = 0.5

và rt,2 = rr,2 = 0.5 của các kỹ thuật dùng CSIT toàn phần 855.5 So sánh dung lượng hệ thống giữa các kỹ thuật dùng CSIT mộtphần 86

3.1 Thuật toán lặp tìm Φk 30

3.2 Thông số hệ thống cho các mô phỏng trong Chương 3 31

4.1 Thông số mô phỏng cho Hình 4.3 51

4.2 Thông số mô phỏng cho Hình 4.4 53

5.1 Thuật toán lặp tìm b và v 69

5.2 Thuật toán lặp tìm b(p) và v(p) 78

5.3 Thông số hệ thống chung cho các mô phỏng Chương 5 81

ACGN Additive Colored Gaussian Noise

QAM Quadrature Amplitude Modulation

C Tập số phức

P

Tính tổngQ

Tính tíchN

diag(x) Ma trận đường chéo có x là đường chéo.

không và phương sai σ2

bình Z và hiệp phương sai Ωt⊗ Ω[z]+ hoặc max(z, 0) Trị lớn hơn giữa z và 0

∂f (x 1 , ,xN)

∂xi Đạo hàm từng phần của f (x1, , xN) theo xi

GIỚI THIỆU

1.1 Động lực và phạm vi nghiên cứu

Sự tăng trưởng nhanh chóng của những dịch vụ đa phương tiện đòi hỏinhững hệ thống truyền thông không dây thế hệ kế tiếp phải đủ khả năng cungcấp những đường truyền tốc độ cao hơn và đáng tin cậy hơn trong khi vẫn phảiđảm bảo chất lượng dịch vụ Những hệ thống dùng nhiều ăng-ten ở hai đầu kếtnối không dây MIMO được xem là giải pháp hiệu quả để thỏa mãn yêu cầu này

Hệ thống MIMO được chứng tỏ là có thể cho độ lợi ghép kênh và độ lợi phântập cao hơn đáng kể so với hệ thống đơn ăng-ten SISO mà không cần thêmtài nguyên vô tuyến như băng thông [1] Truyền thông chuyển tiếp gần đây đãđược nghiên cứu rất sôi động [2, 3, 4, 5, 6, 7] và được đưa vào các chuẩn truyềnthông băng rộng di động thế hệ mới 3GPP LTE-Advanced và WiMAX [8] Nhờ

sử dụng thêm một hay nhiều máy chuyển tiếp để hỗ trợ máy nguồn truyền dẫntín hiệu tới máy đích, kỹ thuật chuyển tiếp có khả năng làm gia tăng độ tin cậytruyền dẫn và mở rộng vùng phủ sóng của mạng không dây [9] Sau khi nhậntín hiệu từ nguồn, máy chuyển tiếp xử lý và chuyển nó đến máy đích Tùy theocách thức xử lý, các kỹ thuật chuyển tiếp có thể phân thành nhiều loại Chúng

có thể là loại không tái tạo chẳng hạn khuếch đại - chuyển tiếp (AF), hoặc làloại tái tạo chẳng hạn giải mã - chuyển tiếp (DF) [7] Máy chuyển tiếp DF giải

mã tín hiệu nhận được thành những bit nhị phân, rồi mã hóa, điều chế, saucùng phát tín hiệu sau xử lý đến máy đích Kỹ thuật không tái tạo thực hiện

xử lý tuyến tính lên tín hiệu nhận (ví dụ, nhân tuyến tính với ma trận khuếch

đại đối với kỹ thuật khuếch đại - chuyển tiếp thông thường NAF) rồi chuyển tínsau xử lý đến máy đích [9] Nhìn chung, kỹ thuật không tái tạo sinh ra độ trễngắn hơn trong việc xử lý tín hiệu và ít phức tạp hơn so với kỹ thuật tái tạo[10] nên nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu hơn Luận án xem xét cơ chếchuyển tiếp không tái tạo.

Khi máy phát (máy nguồn và máy chuyển tiếp) có CSIT, kỹ thuật tiền mãhóa có thể được áp dụng vào những hệ thống chuyển tiếp MIMO không tái lập

để khai thác hiệu quả ưu thế tiềm năng nêu trên Trong kỹ thuật này, dựa vàoCSIT, các bộ tiền mã hóa ở các máy phát, hoặc các ma trận hiệp phương sai củacác tín hiệu phát ở các máy phát, được thiết kế để tối ưu tham số hệ thống nào

đó, chẳng hạn thông tin tương hỗ (MI) (dung lượng hệ thống), lỗi bình phươngtrung bình (MSE), tỉ lệ lỗi bit (BER) và chất lượng dịch vụ (QoS) Kỹ thuậttiền mã hóa được giới thiệu đầu tiên bởi Shannon [11] cách đây gần sáu thậpniên để tối ưu dung lượng kênh vô hướng Sau đó, một loạt các thiết kế tiền

mã hóa, ví dụ [12, 13, 14, 15], đã được phát triển cho kênh MIMO nhằm khaithác những thế mạnh về độ lợi phân tập, độ lợi ghép kênh Tuy vậy, việc mởrộng kỹ thuật tiền mã hóa cho MIMO chuyển tiếp gặp nhiều thách thức TrongMIMO chuyển tiếp, nhiều bộ tiền mã hóa hơn cần được thiết kế khiến cho bàitoán tối ưu trở nên phức tạp hơn vì số lượng biến và hàm ràng buộc tăng, đặcbiệt trong trường hợp nhiều chặng Công suất tín hiệu phát tại một máy phátphụ thuộc vào công suất tín hiệu của những máy phát phía trước khiến cho cáchàm ràng buộc không độc lập mà phụ thuộc vào nhau thông qua các biến Hiệntượng lan truyền nhiễu trong quá trình khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu khiếncho nhiễu ở máy thu không còn là trắng Nhiễu màu còn xuất hiện khi máythu gặp phải can nhiễu đa người dùng từ những thiết bị vô tuyến xung quanh[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21] Đối với hệ thống triển khai trong môi trường tán

xạ lớn, ví dụ khu vực thành thị, trong nhà [6, 7] hoặc dùng thiết bị có khônggian đặt ăng-ten hạn chế [22, 23, 24], những kênh MIMO thành phần có thể bị

tương quan Rõ ràng, vấn đề thiết kế tiền mã hóa trong MIMO chuyển tiếp sẽtrở nên thách thức hơn khi có sự góp mặt của nhiễu màu và tương quan kênh,

và sẽ được tập trung trong luận án

1.2 Công bố trên thế giới gần đây về thiết kế

tiền mã hóa

Nhiều thiết kế tiền mã hóa đã đạt được, phần lớn tập trung vào hai tiêuchí là tối đa thông tin tương hỗ (MMI) và tối thiểu lỗi bình phương trung bình(MMSE) Phần này sẽ tổng quan về các công bố liên quan trong thời gian gầnđây Kỹ thuật tiền mã hóa chuyển tiếp MMI [2, 3] và MMSE [25] dùng CSItức thời (CSI toàn phần) hai chặng ở máy chuyển tiếp Các thiết kế này đượcphát triển thành các thiết kế nguồn - chuyển tiếp phối hợp trong [4, 5, 26] dùngCSI tức thời của hai chặng có ở máy nguồn và máy chuyển tiếp Bài báo [5]đạt được cấu trúc tối ưu cho bộ tiền mã hóa nguồn và bộ tiền mã hóa chuyểntiếp cho phép phân ly kênh chuyển tiếp toàn trình thành những kênh con độclập và thuật toán lặp phân bố công suất hợp lý cho những kênh con này Kếtquả của [5] được mở rộng thành công cho hệ thống đa sóng mang [10] và cho

hệ thống nhiều chặng [27] Gần đây hơn, [28, 29] công bố các thiết kế tiền mãhóa nguồn - chuyển tiếp phối hợp theo phương pháp lặp nhằm tối thiểu MSEcủa hệ thống MIMO hai chặng có tính đến kênh truyền trực tiếp Các bài báo[6, 7, 8, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38] xem xét CSI một phần: thông tin trungbình và thông tin hiệp phương sai của kênh truyền CSI một phần thường dễ có

ở máy phát đối với hệ thống không dây có kênh truyền biến đổi nhanh hoặc trảitrễ lớn (tốc độ hồi tiếp hạn chế) hơn là CSI toàn phần Kỹ thuật tiền mã hóachuyển tiếp MMI và MMSE cho hệ thống hai chặng bị tương quan kênh chặnghai ở phía phát dùng CSI tức thời của chặng một và ma trận hiệp phương sai củakênh chặng hai đề xuất trong [6, 7] và [30, 31] Bài báo [32] phát triển thành kỹ

thuật tiền mã hóa nguồn - chuyển tiếp phối hợp Bài báo [33] đã tìm ra một biểuthức MI tiệm cận cho các hệ thống MIMO nhiều chặng kích thước lớn, với nhiềuăng-ten ở các máy tham gia Bằng cách tối đa hóa biểu thức thông tin tương hỗtiệm cận này, các bộ tiền mã hóa phân phân bổ đều công suất cũng đã được thiết

kế dùng thông tin hiệp phương sai kênh Các bài báo [8, 34, 35, 36, 37, 38] nghiêncứu kỹ thuật tiền mã hóa chuyển tiếp - đích phối hợp có dùng CSI lỗi (CSI khônghoàn hảo) Các bài báo [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38]vừa nêu giả sử nhiễu máy thu là nhiễu trắng và tín hiệu nguồn là tín hiệu độclập Nhiễu màu đã được tính đến trong các thiết kế tín hiệu huấn luyện choMIMO truyền thống trong [17, 18, 39] và MIMO chuyển tiếp trong [19, 20, 21].Bài báo [40, 41, 42] đã xem xét tác động của can nhiễu đồng kênh trong cácthiết kế tiền mã hóa cho hệ thống chuyển tiếp hai chặng Trong [22, 23] các tácgiả nghiên cứu mô hình hệ thống MIMO chuyển tiếp nhiều chặng chịu tác độngcủa tương quan kênh, nhiễu màu và tương quan tín hiệu nguồn Các bộ tiền mãhóa ở các máy phát được thiết kế bằng cách tối đa hóa MI từng chặng hoặc tốithiểu hóa MSE từng chặng dùng CSIT toàn phần chặng tương ứng Thiết kếthiết kế tiền mã hóa tiệm cận đạt được cho thấy cải thiện đáng kể dung lượng

hệ thống

1.3 Mục tiêu và đóng góp của luận án

Luận án xem xét các hệ thống MIMO chuyển tiếp hai chặng và nhiều chặngtổng quát với các mô hình kênh MIMO tương quan ở hai đầu phát-thu, nhiễumàu ở các máy thu và tín hiệu tương quan ở máy nguồn Luận án nhằm nghiêncứu các giải pháp thiết kế các bộ tiền mã hóa theo các tiêu chí MMSE và MMIcủa hệ thống Phương pháp tiến hành trong luận án như sau Đầu tiên xây dựng

mô hình toán học cho hệ thống Tiếp theo thành lập và giải bài toán thiết kế

bộ tiền mã hóa ứng với các hàm mục tiêu khác nhau như MSE và MI Và cuốicùng đánh giá hiệu quả của các giải pháp thông qua mô phỏng Luận án có ba

đóng góp khoa học sau đây:

1 Nghiên cứu mô hình MIMO chuyển tiếp nhiều chặng và thiết kế các khốitiền mã hóa tín hiệu cho máy nguồn và các máy chuyển tiếp theo phươngpháp MMSE tiệm cận Mỗi bộ tiền mã hóa được thiết kế sử dụng CSITtức thời và tiêu chí MSE ngõ ra cục bộ của chặng liên quan Kết quả môphỏng chứng tỏ thiết kế tiền mã hóa MMSE tiệm cận đạt được có thể cảithiện MSE, BER và MI hệ thống so với giải pháp tiền mã hóa MMI tiệmcận và khuếch đại chuyển tiếp thông thường

2 Đề xuất giải pháp thiết kế bộ tiền mã hóa chuyển tiếp MMI tối ưu cho

hệ thống MIMO hai chặng Máy nguồn không có CSI, máy chuyển tiếp

có CSI tức thời của hai chặng Bằng cách chọn trước bộ tiền mã hóa vớicông suất đồng đều trên mảng ăng-ten cho máy nguồn, luận án đề xuấtgiải pháp thiết kế bộ tiền mã hóa cho máy chuyển tiếp để tối đa thông tintương hỗ tức thời của hệ thống

3 Đề xuất phương pháp lặp và phương pháp tách rời để thiết kế phối hợpcác bộ tiền mã hóa cho máy nguồn và máy chuyển tiếp trong hệ thốngMIMO hai chặng với mục tiêu tối đa hóa thông tin tương hỗ tức thời hệthống dùng CSIT toàn phần và CSIT một phần

1.4 Bố cục trình bày

Luận án gồm 6 chương, theo bố cục sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày động lực và phạm vi nghiên cứu, sau đó tóm lượcnhững công trình hiện có về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO chuyểntiếp Mục tiêu nghiên cứu và những kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận

án cũng sẽ được đề cập trong chương này

Chương 2: Cơ sở về truyền thông MIMO chuyển tiếp và kỹ thuậttiền mã hoá

Chương này trình bày kiến thức cơ bản về truyền thông hợp tác, các hệthống MIMO chuyển tiếp hai chặng, nhiều chặng Các hiện tượng kênh truyềnmỗi chặng chịu pha-đinh tương quan không gian, nhiễu màu và các tín hiệunguồn tương quan cũng được trình bày Vấn đề thiết kế các bộ tiền mã hóacho hệ thống gồm: các tiêu chí thiết kế, cách thức thu thập thông tin kênhtruyền, phương pháp toán tối ưu lồi dựa vào các điều kiện cần và đủ Karush-Kuhn-Tucker (KKT) dùng trong thiết kế cũng là nội dung tiếp theo của chươngnày

Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa MMSE tiệm cận trong hệ thốngMIMO nhiều chặng

Chương này nghiên cứu phương pháp thiết kế tiền mã hóa MMSE tiệm cậncho hệ thống MIMO nhiều chặng Thiết kế gồm các bộ tiền mã hóa ở máy nguồn,máy chuyển tiếp và bộ cân bằng MMSE ở máy đích để tối thiểu MSE trong ướclượng tín hiệu nguồn ở máy đích Trong từng chặng, bộ tiền mã hóa đạt được

ở dạng tường minh bằng cách tối thiểu hóa MSE giữa tín hiệu vào và ra, dựavào CSI tức thời của chặng hiện tại có ở máy phát Kết quả mô phỏng chứng tỏthiết kế MMSE tiệm cận có khả năng chống lại tương quan kênh, tương quantín hiệu nguồn và nhiễu màu một cách hiệu quả, qua đó, nâng cao khả năngkhôi phục tín hiệu và dung lượng của hệ thống một cách đáng kể

Chương 4: Kỹ thuật tiền mã hóa chuyển tiếp MMI tối ưu trong hệthống MIMO hai chặng

Chương này đề xuất một phương pháp thiết kế bộ tiền mã hóa tối ưu chomáy chuyển tiếp trong hệ thống MIMO hai chặng Bộ tiền mã hóa ở máy chuyểntiếp đạt được ở dạng tường minh thông qua việc tối đa hóa thông tin tương hỗtức thời giữa máy nguồn và máy đích dựa vào CSI tức thời của hai chặng có ở

máy chuyển tiếp Kết quả mô phỏng chứng tỏ rằng hệ thống với thiết kế này cóthể chống chịu tốt tác động của tương quan kênh, tương quan tín hiệu nguồn

và nhiễu màu, và cho dung lượng cao hơn đáng kể so với các thiết kế công bốtrước đó

Chương 5: Kỹ thuật tiền mã hóa nguồn - chuyển tiếp phối hợpMMI trong hệ thống MIMO hai chặng

Trong chương này, chúng tôi thực hiện mở rộng thiết kế của Chương 4 vàtổng quát hóa của các thiết kế liên quan công bố trước đó Cụ thể, chúng tôi

đề xuất phương pháp lặp và tách rời để thiết kế phối hợp bộ tiền mã hóa máynguồn và bộ tiền mã hóa máy chuyển tiếp trong hệ thống MIMO hai chặng.Máy nguồn và máy chuyển tiếp được giả sử có CSI tức thời của hai chặng (CSITtoàn phần) hoặc CSI tức thời của chặng một và thông tin hiệp phương sai củachặng hai (CSIT một phần) Trong mỗi trường hợp CSIT, cấu trúc tối ưu chocác bộ tiền mã hóa nguồn và chuyển tiếp được tìm ra, phân bổ công suất chocác ăng-ten máy nguồn và các ăng-ten máy chuyển tiếp được thực hiện hoặctheo kiểu lặp lại luân phiên (phương pháp lặp) hoặc theo kiểu tách rời (phươngpháp tách rời) Các kết quả mô phỏng chứng tỏ ưu thế đáng kể về dung lượngcủa các thiết kế lặp và tách rời dùng CSIT toàn phần cũng như CSIT một phầnđạt được so với các thiết kế đã công bố

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này tổng kết những kết quả nghiên cứu thu được của luận án và đưa

ra những nghiên cứu dự kiến gắn với khuôn khổ của những kết quả đạt được

CƠ SỞ VỀ TRUYỀN THÔNG MIMO CHUYỂN TIẾP VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ

HÓA

Chương 2 trình bày kiến thức cơ bản về truyền thông hợp tác, các hệ thốngMIMO chuyển tiếp hai chặng, nhiều chặng Các hiện tượng kênh truyền mỗichặng chịu pha-đinh tương quan không gian, nhiễu màu và các tín hiệu nguồntương quan cũng được trình bày Vấn đề thiết kế các bộ tiền mã hóa cho hệ thốnggồm: các tiêu chí thiết kế, cách thức thu thập thông tin kênh truyền, phươngpháp toán tối ưu lồi dựa vào các điều kiện cần và đủ Karush-Kuhn-Tucker(KKT) dùng trong thiết kế cũng là nội dung tiếp theo của chương này

2.1 Hệ thống MIMO chuyển tiếp không tái tạo

tín hiệu

2.1.1 Hệ thống chuyển tiếp hai chặng

Một hệ thống chuyển tiếp cơ bản với một máy nguồn, một máy chuyển tiếp

và một máy đích được minh hoạ ở Hình 2.1 Máy nguồn và máy đích có thể làngười dùng di động hoặc một trong hai máy là trạm gốc đối với hệ thống điệnthoại di động tế bào Máy chuyển tiếp có thể là trạm chuyển tiếp chuyên dụnghoặc là thiết bị di động khác Đầu tiên, máy nguồn phát quảng bá tín hiệu đếnmáy chuyển tiếp và máy đích Tiếp theo, máy chuyển tiếp xử lý tín hiệu nhậnđược và chuyển tiếp tín hiệu sau xử lý đến máy đích Khởi đầu, mỗi máy trong

mạng chỉ có một ăng-ten, cơ chế hợp tác giữa các máy có thể tạo ra phân tậpkhông gian (còn được gọi là phân tập hợp tác hay phân tập người dùng) [9] Vềsau, mỗi máy dùng nhiều ăng-ten để khai thác những thế mạnh của MIMO.

Hình 2.1: Hệ thống truyền thông hợp tác cơ bản với một máy chuyển tiếp

Khi máy nguồn và máy đích ở quá xa nhau, kênh truyền trực tiếp trở nênquá yếu và có thể xem như không tồn tại Truyền thông giữa ba máy trongtình huống này được minh hoạ ở Hình 2.2 Tín hiệu từ máy nguồn lan truyềnqua hai chặng trước khi có mặt ở máy đích Chặng một từ máy nguồn đến máychuyển tiếp, chặng hai từ máy chuyển tiếp đến máy đích Hệ thống chuyển tiếphai chặng không có đường truyền trực tiếp rất được quan tâm nghiên cứu, chẳnghạn [2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 30, 31, 32] và được xem xét trong Chương 4 và Chương

5 của luận án

Hình 2.2: Hệ thống chuyển tiếp hai chặng

2.1.2 Hệ thống chuyển tiếp nhiều chặng

Hệ thống chuyển tiếp nhiều chặng được minh hoạ trong Hình 2.3 Hệ thốngdùng nhiều hơn một máy chuyển tiếp để hỗ trợ việc truyền tin giữa hai máyđầu cuối Tín hiệu xuất phát từ máy nguồn lan truyền qua nhiều chặng để đếnđược máy đích Truyền thông nhiều chặng cho phép giảm công suất phát so vớitruyền thông trực tiếp, tạo cho nó khả năng mở rộng vùng phủ sóng Truyềnthông nhiều chặng còn giúp khắc phục hiện tượng pha-đinh và bóng râm lớnkhi máy nguồn và máy đích ở quá xa nhau Do vậy, truyền thông nhiều chặng

là một giải pháp hiệu quả về mặt kinh tế để cải thiện vùng phủ sóng cho nhữngkhu vực nông thôn trong các mạng di động tế bào [43] Đối với các hệ thốngnhiều chặng, các chặng cách đều nhau, tổn hao đường truyền trong mỗi chặngđược tính trong công suất của máy phát tương ứng là các giả sử phổ biến trongcác nghiên cứu (ví dụ [22, 23, 27, 33]) Luận án xem xét hệ thống nhiều chặngtrong Chương 3

Hình 2.3: Hệ thống chuyển tiếp nhiều chặng

2.1.3 Cơ chế chuyển tiếp tín hiệu

Sau khi nhận tín hiệu từ nguồn, máy chuyển tiếp xử lý và chuyển nó đếnmáy đích Tùy theo cách thức xử lý, các kỹ thuật chuyển tiếp có thể phân thànhnhiều loại Chúng có thể là loại không tái tạo chẳng hạn khuếch đại - chuyểntiếp (AF), hoặc là loại tái tạo chẳng hạn giải mã - chuyển tiếp (DF) [7] Máychuyển tiếp DF giải mã tín hiệu nhận được thành những bit nhị phân, rồi mã

hóa, điều chế, sau cùng phát tín hiệu sau xử lý đến máy đích Kỹ thuật khôngtái tạo thực hiện xử lý tuyến tính lên tín hiệu nhận (ví dụ, nhân tuyến tính với

ma trận khuếch đại đối với kỹ thuật NAF) rồi chuyển tín hiệu sau xử lý đếnmáy đích [9] Nhìn chung, kỹ thuật không tái tạo sinh ra độ trễ ngắn hơn trongviệc xử lý tín hiệu và ít phức tạp hơn so với kỹ thuật tái tạo [10] Do đó, kỹthuật chuyển tiếp không tái tạo nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu hơn, vàcũng được tập trung trong luận án

Máy chuyển tiếp có thể hoạt động trong chế độ song công hoặc bán songcông Trong độ bán song công, máy chuyển tiếp nhận và phát tín hiệu trong haikhe thời gian khác nhau Máy chuyển tiếp song công cho phép nhận và phát tínhiệu đồng thời [9]

2.1.4 Mô hình hệ thống MIMO chuyển tiếp tổng quát

Chúng tôi sử dụng mô hình hệ thống MIMO chuyển tiếp tổng quát K chặng

để tiện trình bày cho cả hai trường hợp hệ thống hai chặng và hệ thống nhiềuchặng Hình 2.4 minh hoạ mô hình hệ thống này N1 là số ăng-ten ở máy nguồn,

N2, , NK là số ăng-ten ở các máy chuyển tiếp, và NK+1 là số ăng-ten ở máyđích Trong mỗi chặng, kênh thành phần được giả sử chịu pha-đinh tần sốphẳng, được biểu diễn bởi H1, , HK Véc-tơ x ∈ CN1 ×1 là tín hiệu dữ liệu ởmáy nguồn, với ma trận hiệp phương sai Rx = E(xxH) thoả tr(Rx) = N1 Tổngquát, Rx = IN1 khi x được rút từ những symbol i.i.d., còn Rx 6= IN1 khi x chứanhững symbol tương quan nhau Hiện tượng những symbol dữ liệu tương quannảy sinh từ chuỗi nối tiếp các quá trình mã hoá luồng dữ liệu bit gồm mã hoákênh, điều chế và mã hoá không-thời gian ở máy phát [1, 12] Loại mã hoá vàứng dụng cụ thể sẽ quyết định mức độ tương quan [39]

Để đến được đích, tín hiệu dữ liệu x từ máy nguồn sẽ phải lan truyền qua Kchặng Trong mỗi chặng, trước khi truyền đi tín hiệu ngõ vào yk−1, y0 := x, k =

1, , K, sẽ được xử lý tuyến tính bằng ma trận trọng số tương ứng Fk Để đơn

Hình 2.4: Mô hình hệ thống MIMO chuyển tiếp tổng quát.

giản, các ma trận xử lý tuyến tính F1, F2 , FK được gọi là ma trận tiền mãhoá ở máy nguồn và các máy chuyển tiếp Hiệu năng của hệ thống chẳng hạndung lượng hoặc chất lượng tín hiệu phụ thuộc nhiều vào các ma trận tiền mãhóa Việc tối ưu các ma trận này dựa vào lượng CSI có sẵn ở các máy phát sẽđược trình bày trong Phần 2.2 Khi máy nguồn không có CSI, thì

Từ (2.3), ta nhận thấy kênh MIMO K chặng từ máy nguồn tới máy đích trongHình 2.4 có dạng giống kênh MIMO một chặng Ở đây, ¯H đại diện cho kênhtương đương, còn ¯n là nhiễu tương đương với ma trận hiệp phương sai

R¯n = HKFK H2F2Rn1FH2 HH2 FHKHHK+

+ HKFKRnK−1FHKHHK

Từ (2.6), nhiễu tổng hợp ở máy đích ¯n luôn là nhiễu màu dù cho nhiễu ở cácmáy chuyển tiếp n1, , nK−1 là nhiễu trắng

2.1.5 Kênh MIMO thành phần tương quan không gian

Để kênh MIMO thành phần ở mỗi chặng phân bố độc lập, các ăng-ten ở

cả phía phát lẫn phía thu phải được đặt đủ xa nhau cỡ vài bước sóng [24, 44].Trong một số trường hợp chẳng hạn như những ăng-ten trong các thiết bị diđộng cầm tay, việc đáp ứng đòi hỏi này thường rất tốn kém và khó thực hiện[22, 23, 39] Bên cạnh đó, hiện tượng tương quan kênh còn xảy ra đối với hệthống triển khai trong môi trường tán xạ lớn, ví dụ khu vực thành thị, trongnhà [6, 7, 44] Tương quan kênh làm giảm tính độc lập giữa các luồng tín hiệu,khiến dung lượng kênh MIMO tương quan giảm đáng kể so với kênh MIMO độclập [24] Trong luận án này, kênh mỗi chặng bị pha-đinh Rayleigh và tương quankhông gian Mô hình tương quan kết hợp (mô hình Kronecker) được sử dụng đểtạo ra các hệ số của ma trận kênh Mô hình này giả sử tương quan ăng-ten ở

bộ phát và bộ thu có thể tách rời nhau Giả sử này đảm bảo rằng cấu trúc củamảng ăng-ten ở một phía không ảnh hưởng thuộc tính tương quan ở phía cònlại Theo mô hình này, ma trận hệ số của kênh chặng k được cho bởi [24]

Hk = Ω1/2r,kHw,kΩ1/2t,k ∈ CNk+1 ×Nk, (2.7)

trong đó, Ωt,k ∈ CNk×Nk và Ωr,k ∈ CNk+1×Nk+1 lần lượt là các ma trận tươngquan phát, thu xác định dương Ω1/2t,k là ma trận căn bậc hai của Ωt,k, tồn tạiduy nhất thỏa Ω1/2t,kΩ1/2t,k = Ωt,k, và tương tự đối với Ω1/2r,k Các phần tử của Hw,k

là những biến Gauss ngẫu nhiên phức đối xứng vòng, với trung bình không,phương sai đơn vị, độc lập đồng đều, Hw,k ∼ CN (0, INk+1Nk) Do vậy, ta có thểviết Hk ∼ CN (0, Ωt,k⊗ Ωr,k)

Để tiện so sánh đối chiếu hiệu năng của các kỹ thuật qua mô phỏng, luận

án sử dụng mô hình tương quan hàm mũ [6, 7, 33, 40] để tạo các phần tử củacác ma trận Ωt,k và Ωr,k Cụ thể,

Ωt,k(n, m) = r|n−m|t,k , Ωr,k(n, m) = r|n−m|r,k , (2.8)trong đó, rt,k, rr,k là các hệ số tương quan, thỏa rt,k, rr,k ∈ (0, 1]

2.1.6 Kênh thành phần chứa nhiễu màu

Trong thực tế, các hệ thống truyền thông thường gặp phải nhiễu màu Giả

sử nhiễu trắng xuất hiện nhiều trong các nghiên cứu để tiện phân tích Trongmột hệ thống truyền thông, nhiễu sau lọc ở máy thu sẽ bị tương quan hay trởthành nhiễu màu [16] Bên cạnh đó, can nhiễu mà một hệ thống truyền thônggặp phải cũng khiến cho nhiễu trắng ở máy thu, chiếm phần lớn là nhiễu nhiệt,trở thành nhiễu màu [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21], làm giảm chất lượng truyềndẫn Can nhiễu đồng kênh (CCI) và can nhiễu kênh kề (ACI) là hai loại cannhiễu thường gặp CCI đến từ những nguồn nhiễu lân cận sử dùng cùng tần sốvới tần số hoạt động của máy thu Trong mạng di động tế bào, CCI xuất hiện

do việc tái sử dụng tần số, ví dụ, máy thu nằm ở rìa tế bào thì rất dễ gặp phảinhững tín hiệu không mong muốn, phát xuất từ những máy phát đồng tần sốtrong những tế bào kế cận Một máy thu của một mạng lớn (mạng di động)nằm trong vùng phủ sóng của một tế bào nhỏ (femtocell) rất dễ gặp phải CCI

từ những máy phát không mong đợi trong tế bào nhỏ [40] Khác với CCI, ACI

xuất phát từ những nguồn nhiễu hoạt động ở những tần số liền kề với tần sốhoạt động của máy thu và thường xảy ra trong những hệ thống FDMA ACI rất

dễ xảy ra cho một máy thu nếu tín hiệu mà nó muốn thu lại yếu hơn tín hiệu

mà nó nhận phải từ một nguồn nhiễu lân cận [16] Các hệ thống truyền thôngngày nay được triển khai dày đặc Rõ ràng, hệ thống càng nhiều chặng, càngtrải rộng bao nhiêu thì các máy thu (máy chuyển tiếp và máy đích) càng dễ gặpphải can nhiễu bấy nhiêu [19, 20, 21] Do vậy, việc xem xét nhiễu màu trong cácbài toán thiết kế hệ thống trở nên rất cần thiết

Trong luận án này, véc-tơ nhiễu màu nk ∈ CNk×1 ở máy thu trong chặng kđược đặc trưng bởi

từ máy này tới máy có nhu cầu Trong các mô phỏng ở các Chương 3, Chương

4 và Chương 5, véc-tơ nhiễu màu nk được tạo ra theo cách tương tự như trong[22, 23, 39, 45, 46], cụ thể, nk = Gnknw,k Véc-tơ nw,1 là véc-tơ nhiễu trắng cótrung bình 0 và ma trận hiệp phương sai Rnw,k = E(nw,knHw,k) = σk2INk Ma trận

Gnk đại diện cho tác động màu [45] Bằng cách này, ma trận hiệp phương saicủa nk là Rnk = E(nknHk ) = E(Gnknw,knHw,kGHn

k) = σk2GnkGHn

nhiễu màu và nhiễu trắng có cùng công suất trung bình, ma trận tương quan

Ψnk = GnkGHnk được chọn sao cho tr(Ψnk) = Nk Ta luôn tạo được Ψnk mộtcách ngẫu nhiên nhờ lệnh Matlab gallery(’randcorr’,a)1 Từ đây, ta tính được

Gk bởi Gk = Ψ

1 2

n k, và tồn tại duy nhất vì Ψnk là (bán) xác định dương [16, 48]

1

Cho trước véc-tơ a ∈ R N k ×1 chứa những phần tử không âm, cộng hết lại bằng N k , chúng ta luôn tạo được một ma trận bán xác định dương đối xứng, thực N k × N k , (ma trận tương quan) A như

A = U H diag(a)U, với U là ma trận đơn nhất Ở đây, A có các phần tử đơn vị trên đường chéo chính

và các trị riêng cho bởi a [47].

Với cùng cách này, véc-tơ tín hiệu nguồn x cũng được tạo ra Cụ thể, x = Ψ

1 2

xxwđược sử dụng để tạo ra x có ma trận hiệp phương sai Rx = Ψx Véc-tơ xw làvéc-tơ chứa những symbol không tương quan trung bình 0, phương sai 1.Một cách tạo nhiễu màu khác được sử dụng trong [17, 18, 19, 20, 21] Cụthể, các phần tử của Rnk được tạo bởi Rnk(i, j) = αkrkη|i−j|k , với rk là hệ sốchuẩn hóa để tr(Rnk) = αkNk, và αk là công suất can nhiễu từ các nguồn gâynhiễu lân cận So với phương pháp dùng trong luận án, αk có vai trò như σk2,còn rkηk|i−j| có vai trò như Ψnk(i, j)

2.2 Kỹ thuật tiền mã hóa

2.2.1 Thu thập thông tin kênh truyền

Trong mỗi chặng, máy thu có thể đạt được CSI Hk và Rnk nhờ ước lượngkênh giống trong hệ thống MIMO truyền thống [39] Cách máy thu ước lượng

Rnk được minh hoạ chi tiết trong [40] Hk và Rnk có thể được ước lượng bởimáy phát giống như máy thu nhờ khai thác tính giống nhau về ma trận kênh

ở hai hướng trong các hệ thống truyền thông TDD [12, 43] Máy phát còn cóthể nhận lượng CSI này từ máy thu thông qua kênh truyền hồi tiếp từ máy thu(Rx) đến máy phát (Tx), như minh họa trong Hình 2.5 Giải pháp này thíchhợp cho cả chế độ TDD và FDD, được giả sử phổ biến trong nhiều bài báo (ví

dụ [6, 10, 27, 40]) và cũng được dùng trong luận án Trong phương pháp này,lượng thông tin (mào đầu) hồi tiếp tăng tỉ lệ thuận với tích của số lượng ăng-ten

ở hai đầu Mỗi khi kênh thay đổi, kiến thức kênh ở máy phát sẽ phải được cậpnhật để đảm bảo độ trễ do hồi tiếp nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh [12].Kênh thay đổi càng nhanh, thời gian kết hợp càng nhỏ Khi kênh truyền thayđổi nhanh hoặc dung lượng kênh hồi tiếp không đủ lớn, thì các ma trận hiệpphương sai Rt,k, Rr,k của Hk có thể được chuyển cho máy phát Luận án giả sửmáy đích biết chính xác thông tin toàn trình hệ thống, ¯H và Rn¯, thực tế, có thể

được ước lượng giống trong hệ thống MIMO truyền thống [17, 18, 39].

Hình 2.5: Hồi tiếp CSI chặng k từ máy thứ k + 1 (Rx) đến máy thứ k (Tx)

Các máy có thể chia sẻ CSI hiện có theo cơ chế phân tán hoặc tập trung.Với cơ chế phân tán, mỗi máy tự thiết kế ma trận tiền mã hoá của nó dựa vàolượng CSI cần thiết thu thập được Trong cơ chế tập trung, một máy nào đóthu thập tất cả CSI từ các máy còn lại để thiết kế tất cả các ma trận tiền mãhoá và chuyển kết quả thiết kế cho các máy còn lại [43]

2.2.2 Bài toán thiết kế tiền mã hóa

Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu các phương pháp thiết kế các matrận xử lý tuyến tính {Fk} := {F1, , FK} và G để nâng cao hiệu năng củacác hệ thống MIMO chuyển tiếp không tái tạo, như được minh họa trong Hình2.4 Các tham số đo phẩm chất hệ thống có thể là MI, MSE, BER, và QoS Việctối ưu QoS, BER thường đưa tới bài thiết kế phức tạp, nhất là khi số lượng matrận cần thiết kế lớn Do vậy, tối đa thông tin tương hỗ (MMI) và tối thiểu MSE(MMSE) là hai tiêu chí thường gặp, và cũng được tập trung trong luận án.Trong hệ thống Hình 2.4, thông tin tương hỗ tức thời (dung lượng tức thời[6, 7]) giữa tín hiệu phát từ máy nguồn x và tín hiệu nhận ở máy đích yK (2.3)

hệ thống hoạt động trong chế độ song công.

Bên cạnh đó, từ yK máy đích có thể đạt được một ước lượng ˆx của x bằngnhiều cách Hai phương pháp tiêu biểu là tách sóng khả năng cực đại (ML) vàMMSE tuyến tính [12] Đầu thu ML là giải pháp tối ưu Để chọn được ˆx tối ưunhất, nó xem xét hết tất cả các điểm tín hiệu điều chế có thể có của x :

là E = E (ˆx − x)(ˆx − x)H
Bộ thu MMSE (bộ lọc Wiener) [49]

G = RxH¯H HR¯ xH¯H + R¯n
−1 = R−1x + ¯HHR−1¯n H¯
−1H¯HR−1n¯ (2.14)

là bộ thu tuyến tính tối ưu vì làm tối thiểu tổng MSE  = tr(E), với

E =Rx− RxH¯H HR¯ xH¯H + Rn¯
−1HR¯ x= R−1x + ¯HHR−1n¯ H¯
−1 (2.15)Đẳng thức thứ hai của (2.14) và (2.15) có được nhờ bổ đề đảo ma trận [48]:

(A + BCD)−1 = A−1− A−1B(DA−1B + C−1)−1DA−1,

BH(BCBH + I)−1B = C−1− (CBHBC + C)−1

(2.16)

Thông tin tương hỗ giữa x và ˆx cho bởi

I + ¯HHR−

1 2

¯

n R

1 2

¯

nGH(GR¯nGH)−1GR

1 2

¯ n

≤I

R−

1 2

¯

n HR¯

x

(2.20)

η log2

Rõ ràng với G cho bởi (2.14) thì dấu "=" xảy ra và I(x; ˆx) = I(x; yK) Do vậy,

bộ thu MMSE G bảo toàn thông tin tương hỗ Trong trường hợp đơn giản hơnvới Rx = I, tính bảo toàn thông tin tương hỗ của bộ thu MMSE được chứng tỏtrong [50] Từ log2|I + AB| = log2|I + BA| và (2.15), ta suy ra

I(x; ˆx) = I(x; yK) = 1

η log2

¯HHR−1¯n HR¯ x+ I ... hình hệ thống MIMO chuyển tiếp K chặng đượcxem xét Trong Phần 3.2, phương pháp thiết kế tiền mã hóa MMSE tiệm cậnđược đề nghị cho hệ thống Thiết kế gồm tiền mã hóa máy nguồn, máychuyển tiếp cân MMSE... thiết kế tiền

mã hóa [8, 10, 15, 25, 26, 27, 30, 31, 32, 38] Luận án sử dụng thu MMSEtrong tất thiết kế tiền mã hóa Chương sử dụng thêm thu ML đểlàm rõ hiệu BER thiết kế tiền mã hóa MMSE... bày tổng quan kênh truyền MIMO chuyểntiếp tổng quát gồm kênh pha-đinh tương quan khơng gian, nhiễu màu tínhiệu nguồn tương quan Những vấn đề liên quan đến kỹ thuật tiền mã hóa nhưcách thức thu