Tách sóng mimo-v-blast đa người dùng

Tài liệu tham khảo ngành viễn thông của học viện công nghệ bưu chính viễn thông: Tách sóng mimo-v-blast đa người dùng

Nội dung:

Tổng quan hệ thống MIMO: Mô hình hệ thống và phân loại

Mô hình kênh MIMO.

Nghiên cứu MIMO-V-BLAST kết hợp với máy thu đa người dùng.

Nghiên cứu các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống MIMO

Giải thuật: V-BLAST/ZF Giải thuật: V-BLAST/LLSE Giải thuật: V-BLAST/ZF/MAP.

Giải thuật: V-BLAST/LLSE/MAP.

Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng MIMO-V-BLAST

gồm: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP; V-LAST/LLSE/MAP.

Kiến nghị ứng dụng chương trình mô phỏng vào nghiên cứu khoa học & đào tạo ở Học viện.

Kết quả:

Tài liệu khoa học; Mô hình hệ thống-Giải thuật-Chương trình mô phỏng trên đĩa CD; Bài báo khoa học được đăng trên tạp chí hoặc hội nghị khoa học.

Tổng quan hệ thống MIMO

Tổng quan hệ thống MIMO

M và M-1 phải được thiết kế để đảm bảo đạt được hiệu năng tối

ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tin cậy) với độ phức tạp cho phép

Khái niệm MIMO

Tổng quan hệ thống MIMO

Bit

Bit Symbol

Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộ điều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế

Chuyển đổi mức và điều

chế

Giải điều chế

và giải chuyển đổi mức

Chuyển đổi mức và điều chế

Giải điều chế và giải chuyển đổi mức

Giải điều chế và giải chuyển đổi mức

t

Phân loại sơ đồ MIMO

Tổng quan hệ thống MIMO

Sơ đồ ghép kênh không gian BLAST

b1 b2 b3 b4

.b4 b1

b2 b5

b3

b 6

b1 b2 b3 b4 b5 b6

Đặc tính pha đinh vô tuyến

di động và mô hình kênh

MIMO

C A

Các đường truyền độ dài Trễ

A B

Đặc tớnh kờnh vụ tuyến và mụ hỡnh kờnh MIMO

δ τ − τ τ

l l

2

(t ) (

3

(t ) (

4

(t ) (

l

Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ

Các đường truyền khả phân giải

Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

C

d

C

ái niệm tương quan; nhất quán

ân tán trong miền thời gian , họn lọc trong miền tần số (B ) Phân tán trong miền tần số f ,

họn lọc trong miền thời gian (T )

b) Đáp ứng xung kim của hệ thống thay đổi theo thời gian

Dạng hàm thay đổi

PSD đầu vào

PSD đầu ra

2

0 ( ) ( )

Tín hiệu

ra y(t) Hàm truyền đạt

Hàm truyền đạt kênh phẳng trong

băng tần tín hiệu (kênh phađinh

phẳng)

Hàm truyền đạt kênh không

phẳng trong băng tần tín hiệu

B là độ rộng băng tần tín hiệu; BC là băng thông nhất quán; fd là trải Doppler; T

là chu kỳ ký hiệu; và στ trải trễ trung bình quân phương.

T<<TC; B>>fdPhađinh chậm

Cơ sở phân loại

Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp

Mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler

Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

Sơ đồ tổng quát kênh MIMO

Nguồn phát Điều chế và Nguồn thu

 Đáp ứng xung kim kênh SISO

 Đáp ứng xung kim kênh MIMO

,

, , , ,

1,1 1,2 1, 2,1 2,2 2, ,

1 ,2 1

r r r t

c n m n m

n n

Nguån

ph¸t

Nguån thu

m m 1

x (k)

x (k) :

y (k)

y (k) :

n n 1

y (k)

y (k) :

1/ 2

1/ 2 N

L Trong đó U và V là các ma trận nhất phân, “h” là chuyển vị Hermitian và

N = min n , n

Mô hình kênh MIMO SVD

1 2 N

N N 1

x (k)

x (k) :

y (k)

y (k) :

N N 1

y (k)

y (k) :

N = min(n r ,n t )

n U x

D

n U x

V UDV U

n U x

UDV U

n x

UDV U

n Hx

U y

H

H H

H

H H

H

H H

Mô hình kênh MIMO SVD

Hiệu năng hệ thống MIMO

Dung lượng kênh SISO-SIMO-MIMO

Hiệu năng hệ thống MIMO

Định lý dung lượng kênh truyền: Dung lượng kênh Dung lượng kênh

có độ rộng băng B (Hz), bị nhiễu loạn bởi tạp âm Gaussian trắng cộng AWGN có mật độ phổ công suất

bits/s

P B

C

0

2 1 log

Trong đó P là công suất phát trung bình

Hiệu năng hệ thống MIMO

20 40

Dung lượng của kênh SIMOSIMO được cải thiện so với kênh

giảm phađinh và cải thiện SNR Tuy nhiên cải thiện SNR

bị hạn chế vì SNR tăng ở bên trong hàm

bị hạn chế vì SNR tăng ở bên trong hàm loglog

Hiệu năng hệ thống MIMO

=> ưu điểm của hệ thống

=> ưu điểm của hệ thống MIMOMIMO về dung lượng Khi

nt=nr=N thì HHH/N tiến đến IN vì vậy dung lượng tiệm cận

đến

C ≈ N.log 1 SNR , bit/s/Hz +

Dung lượng tăng tuyến tính theo số anten phát

Hiệu năng hệ thống MIMO

Dung lượng kênh

h N

 Dung lượng MIMO tăng tuyến tính với N=min(nt,nr) và ma

trận kênh phân chia thành min(nt,nr) kênh song song độc lập

 Dung lượng kênh tăng tuyến tính do tăng hạng của H

Hiệu năng hệ thống MIMO

Hiệu năng kênh MIMO

 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

 Hiệu suất sử dụng phổ tần

Hiệu năng hệ thống MIMO

Hiệu năng hệ thống MIMO

2 ,

t

P n

MMIO VBLAST kết hợp máy thu đa người dùng

3.2.2 Máy thu đa người dùng

3.2.2.1 Máy thu truyền thống 3.2.2.2 Máy thu giải tương quan 3.2.2.3 Máy thu MMSE

3.2.2.4 Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC

3.3 Kiến trúc không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí nghiệm Bell Kiến trúc không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí nghiệm Bell : V-BLAST V-BLAST

3.3.1 Kiến trúc V-BLAST

3.3.2 So sánh giữa SIC và PIC

3.3.2.1 Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC 3.3.2.2 Loại bỏ nhiễu song song PIC 3.3.3 Ảnh hưởng của truyền lan lỗi

3.4 Tách sóng đa ngường dùng bằng V-BLAST trên MIMO MIMO

3.4.1 Mô hình hệ thống

3.4.2 Máy thu đa người dùng

3.4.2.1 Máy thu truyền thống 3.4.2.2 Máy thu giải tương quan 3.4.2.3 Máy thu MMSE

3.4.2.4 Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC

3.5 Kết luận

MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng

TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG CHO KÊNH SISO

Kênh MIMO

MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng

Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC: Thực hiện loại bỏ nhiễu ở đầu ra

của một lớp một cách liên tiếp trên mỗi lần lặp Việc thứ tự hóa các lớp tách sóng ảnh hưởng lên hiệu năng của bộ tách sóng SIC Trước

hết, khởi tạo ma trận rỗng hóa (nulling matrix) theo chuẩn ZF và

MMSE với giả thiết ước tính kênh hoàn hảo.

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

nhất của SNR sau tách sóng, tương ứng với việc chọn độ dài vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G có giá trị nhỏ nhất trong mỗi lần lặp Tín hiệu lớp đầu tiên được tách sóng với vector hàng của G xóa bỏ tín hiệu từ tất cả các anten khác:

Đối với sơ đồ không được trình tự hóa, không cần phải xác định

giá trị lớn nhất của SNR sau tách sóng mà chọn ngẫu nhiên vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G.

Bộ mã hóa vector

Bộ mã hóa vector

MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng

Ngân hàng bộ tương quan

Tach sóng V-BLAST

G 1

Tách sóng V-BLAST

Gk

Tách sóng V-BLAST

MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng

Ngân hàng bộ tương quan

Tách sóng V-BLAST

G 1

Tách sóng V-BLAST

Gk

Tách sóng V-BLAST

G 1

Tách sóng V-BLAST

G k

Tách sóng V-BLAST

Ngân hàng bộ tương quan

Tách sóng V-BLAST

G 1

Tách sóng V-BLAST

G k

Tách sóng V-BLAST

Giải thuật tách tín hiệu

trong hệ thống MIMO

Sơ đồ hệ thống V-BLAST

Bộ mã hóa Vectơ

Ước tính

và giải mã

RX RX

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Bộ điều chế x Kênh MIMO y Bộ giải điều chế ˆx

Mô hình mô phỏng hệ thống MIMO -VBLAST

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

M-QAM

Mã hóa vectơ

Kênh pha đinh

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Giải thuật tách sóng V-BLAST V-BLAST (Vertical Bell-Labs

Layered Space-Time: không gian thời gian phân lớp chiều

đứng của phòng thí nghiệm Bell) là một thủ tục hồi quy để

lấy ra các thành phần của vectơ phát x theo trình tự dựa trên

các chỉ số (k1, k2,…., knt) tương ứng với các phần tử của x

Như vậy, (k1, k2,…., knt) là hoán vị của (1,2,…., nt) Trong

V-BLAST, hoán vị này được thực hiện phụ thuộc vào H

(với giả thiết rằng máy thu biết được nó) chứ không phụ

thuộc vào y.

Tách sóng ghép kênh không gian

 V-BLAST: Tách các luồng số liệu bởi ZF

hoặc MMSE với OSIC

 Ordering: choosing the best channel

 Nulling: using ZF or MMSE

 Slicing: making a symbol decision

 Canceling: subtracting the detected symbol

 Iteration: going to the first step to detect the next

symbol

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Tỏch súng ghộp kờnh khụng gianGiải thuật tỏch ký hiệu cho kờnh MIMO

Xúa được thực hiện bằng cỏch trọng số húa tuyến tớnh cỏc tớn hiệu thu sao cho thỏa món tiờu chuẩn hiệu năng như MMSE hoặc ZF Với ZF,

i=1,2, ,nt sao cho:

( )

ống kê quyết định cho luồng con thứ i là:

T i

j > i

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

 Máy thu ước tính sai số bình phương nhỏ nhất (LLSE:

Linear Least Squares Estimation) hay MMSE (Minimum

mean square error)

µ ­íc tÝnh tuyÕn tÝnh

LLSE l

f=f+1

f F f

t T t t=t+1

Kết thúc

Đ

Đ

S S

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Tạo vectơ tín hiệu phát : X

Xác định :(i) Tham số mô phỏng (Số vòng lặp F); (ii) Tham số kênh (Số anten phát/thu, SNR kênh, lấy mẫu kênh ); (iii)Tham số tín hiệu (năng lượng phát E s , mức điều chế M-QAM, ngưỡng quyết định).

Kết thúc

Đ

Đ

S S

Bắt đầu

1

i 1

i

i 1 i i

W W

W H W

y x

S

Bắt đầu

Kết thúc

 Giải thuật V-BLST/ZF:

Các bước của V-BLAST

 Ordering: choosing the best

channel

 Nulling: using ZF oror MMSE

 Slicing: making a symbol decision

 Canceling: subtracting the

detected symbol

 Iteration: going to the first step to

detect the next symbol

W W

W H W

y x

x

x x x xi j

tÝn hiÖu ngÇn nhÊt (kho¶ng c¸ch Eclic)

i

i 1 + = H + k

w

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Xác định: (i) Tham số mô phỏng (Số vòng lặp F); (ii)

Tham số kênh (Số anten phát/thu, SNR kênh, lấy mẫu

kênh ); (iii) Tham số tín hiệu (năng lượng phát Es , mức điều chế M-QAM, ngưỡng quyết định).

Q QQQ ˆ QQ

ˆ Q

Xác định: (i) Tham số mô phỏng (Số vòng lặp F);

(ii) Tham số kênh (Số anten phát/thu, SNR kênh, lấy

mẫu kênh ); (iii) Tham số tín hiệu (năng lượng phát

E s , mức điều chế M-QAM, ngưỡng quyết định ).

So sánh đếm lỗi

f=f+1

f F f

t T t t=t+1

Kết thúc

Đ

Đ

S S

S S S S i j

n n

y y x H

W H H H

V-BLAST/LLSE:

Các bước của V-BLAST

 Ordering: choosing the best

channel

 Nulling: using ZF oror MMSE

 Slicing: making a symbol decision

 Canceling: subtracting the

detected symbol

 Iteration: going to the first step to

detect the next symbol

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

n n

y y x H

W H H H

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Giải thuật tách sóng V-BLAST/MAP

V-BLAST và các quy tắc của MAP, giải thuật sử dụng cấu trúc phân lớp của V-BLAST nhưng đồng thời sử dụng chiến lược thứ tự xử lý kênh dựa trên quy tắc MAP

<=> trong mỗi lớp của V-BLAST (vòng lặp i) thực hiện xắp xếp thứ tự xử lý kênh dựa trên nguyên lý MAP Lưu

ý việc hoán vị chỉ số (k1,k2, ,knt) trong V-BLAST/MAP

phụ thuộc vào cả H H và y y, không như BLAST/ZF và

V-BLAST/LLSE chỉ phụ thuộc vào H H :

Giải thuật V-BLAST/ZF/MAP.

Giải thuật V-BLAST/LLSE/MAP.

Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO

Giải thuật MAP

Giải thuật tách ký hiệu

cho kênh MIMO

Tạo vectơ tín hiệu phát : X

k

k p k

k

1

i 1

i

i 1 i i

W

W H W

x

Xác định :(i)Tham số mô phỏng (Số vòng lặp F); (ii) Tham số kênh (Số anten phát/thu, SNR kênh, lấy mẫu kênh ); (iii) Tham số tín hiệu (năng lượng phát E s , mức điều chế M-QAM, ngưỡng quyết định).

Bắt đầu

t=1 SNR = SNR(t) f=1

W H W

Xác định :(i)Tham số mô phỏng (Số vòng lặp F);

(ii)Tham số kênh (Số anten phát/thu, SNR kênh, lấy mẫu kênh ); (iii)Tham số tín hiệu (năng lượng phát

E s , mức điều chế M-QAM, ngưỡng quyết định ).

k , ,k ij

f z s

p , k , , f

z

z s z

W y

t

i n i

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Kết luận

Tổng quan hệ thống MIMO: Mô hình hệ thống và phân loại

Mô hình kênh MIMO.

Nghiên cứu MIMO-V-BLAST kết hợp với máy thu đa người dùng.

Nghiên cứu các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống MIMO

Giải thuật: V-BLAST/ZF

Giải thuật: V-BLAST/LLSE

Giải thuật: V-BLAST/ZF/MAP.

Giải thuật: V-BLAST/LLSE/MAP.

Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng

MIMO-BLAST gồm: BLAST/ZF; BLAST/LLSE;

V-BLAST/ZF/MAP; V-LAST/LLSE/MAP.

Kiến nghị ứng dụng chương trình mô phỏng vào nghiên cứu khoa học & đào tạo ở Học viện.

Kết quả mô phỏng

m r

1,1 1,2 1,r 2,1 2,2 2,r

m,1 m,2 m,r m r

V C is called the transmit precoding matrix

V is (rotation) unitary matrices

n K I

is the baseband additive noise at interference the receive antennas

w(k)= I(k) + z(k)

I (k) z (k) w

I (k) z (k) =

n n 1

(k)

w (k) :

Mô hình kênh MIMO SVD

 Mô hình máy thu

n m

w(k) 1,1 1,2 1,m 1 2,1 2,2 2,m 2

baseband transmitted is the baseband signal interference

n n 1z(k) C is the y(k) C is additive noise at the baseband the receive antennas received signals w(k)

y (k)

y (k) :

Mô hình kênh MIMO SVD

1,r 2,r n,r r nU,V are (rotation) unitary matrices satisfies U.U =U U=I & V.V =V V=I

Mô hình kênh MIMO SVD

 Mô hình máy thu