Đồ án tốt nghiệp Đại học: Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu hóa mạng chuyển tiếp Mimo

Chia sẻ: Nguyen Van Luong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

209
lượt xem 58
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án tốt nghiệp Đại học: Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu hóa mạng chuyển tiếp Mimo kết cấu gồm 3 chương. Chương 1: Làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợp tác và kỹ thuật Mimo.l Chương 2: Tổng hợp những công trình nghiên cứu liên quan đến tối ưu hóa mạng truyền thông hợp tác Mimo-AF đã được thực hiện. Chương 3: Phân tích bài toán đồng thời tối ưu Nguồn-Đích cho một hệ thống Mimo một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính, mô phỏng lại một số kết quả đã được nghiên cứu, mở rộng khảo sát cho trường hợp 8-PSK và trường hợp có đường liên kết trực tiếp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Đại học: Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu hóa mạng chuyển tiếp Mimo

i HOC VIÊN KỸ THUÂT QUÂN SỰ ̣ ̣ ̣ PHAM THỊ MAI HƯƠNG ̣ ́ KHOA: 8 HỆ ĐAO TAO DÂN SỰ ̀ ̣ ĐỒ AN TÔT NGHIÊP ĐAI HOC ́ ́ ̣ ̣ ̣ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÔI ƯU HOA ́ ́ ̣ ̉ ́ MANG CHUYÊN TIÊP MIMO NĂM 2014
ii HOC VIÊN KỸ THUÂT QUÂN SỰ ̣ ̣ ̣ PHAM THỊ MAI HƯƠNG ̣ ́ KHOA: 8 HỆ ĐAO TAO DÂN SỰ ̀ ̣ ĐỒ AN TÔT NGHIÊP ĐAI HOC ́ ́ ̣ ̣ ̣ NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÃ SÔ: 5252020109 ́ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÔI ƯU HOA ́ ́ ̣ ̉ ́ MANGCHUYÊN TIÊP MIMO Can bộ hướng dân PGS. TS Trân Xuân Nam ́ ̃ ̀ NĂM 2014
iii BỘ QUÔC PHONG ́ ̀ CÔNG HOA XÃ HÔI CHỦ NGHIA VIÊT NAM ̣ ̀ ̣ ̃ ̣ HOC VIÊN KỸ THUÂT QUÂN SỰ ̣ ̣ ̣ ĐÔC LÂP - TỰ DO - HANH PHUC ̣ ̣ ̣ ́ KHOA: VÔ TUYÊN ĐIÊN TỬ ́ ̣ ̉ Phê chuân ̀ Ngay ́ thang năm 2014 Độ mât: ̣ CHỦ NHIÊM KHOA ̣ ́ Sô: NHIÊM VỤ ĐỒ AN TÔT NGHIÊP ̣ ́ ́ ̣ Họ và tên: Pham Thị Mai Hương ̣ Lớp: ĐTVT-8B Khóa: 8 Ngành: Kỹ thuật điện - điện tử Chuyên ngành: Điện tử viễn thông 1. Tên đề tài: Nghiên cứu kỹ thuât tôi ưu mang chuyên tiêp MIMO ̣ ́ ̣ ̉ ́ 2. Các số liệu ban đầu: …………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 3. Nội dung bản thuyết minh: Chương 1: Tông quan về truyên thông hợp tac MIMO. ̉ ̀ ́ Chương 2: Tôi ưu mang hợp tac MIMO. ́ ̣ ́ Chương 3: Kêt hợp tôi ưu may thu phat trong cac hệ thông MIMO ́ ́ ́ ́ ́ ́ ̉ ́ ́ chuyên tiêp không tai sinh.
iv 4. Số lượng, nội dung các bản vẽ và các sản phẩm cụ thể (nếu có): …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………. 5. Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Trân Xuân Nam, Thượng ta, Phó chủ nhiêm ̀ ́ ̣ khoa Vô tuyên điên tử, Hoc viên Kỹ thuât Quân sự. ́ ̣ ̣ ̣ ̣ Ngày giao: 14/01/2014 Ngày hoàn thành: 20/04/2014 Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2014 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn Thượng ta, PGS-TS Trân Xuân Nam ́ ̀ Học viên thực hiện Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 20 tháng 04 năm 2014
i ̣ ̣ MUC LUC ̣ ̣ MUC LUC..........................................................................................................i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................iii DANH SÁCH HÌNH VẼ................................................................................. iv DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC.............................................................. v LỜI MỞ ĐÂU..................................................................................................1 ̀ Chương 1.......................................................................................................... 3 TÔNG QUAN VỀ TRUYÊN THÔNG HỢP TAC MIMO..............................3 ̉ ̀ ́ 1.1 Truyên thông hợp tac.................................................................................. 3 ̀ ́ 1.1.1 Khai quat chung về truyên thông hợp tac............................................ 3 ́ ́ ̀ ́ 1.1.3Ứng dụng cua truyền thông hợp tác.................................................... 5 ̉ 1.2 Kỹ thuât truyên dân MIMO.........................................................................5 ̣ ̀ ̃ 1.2.1 Cac kỹ thuât phân tâp trong thông tin vô tuyên................................... 5 ́ ̣ ̣ ́ 1.4 Tom tăt chương.........................................................................................17 ́ ́ Chương 2........................................................................................................ 18 TÔI ƯU MANG HỢP TAC MIMO...............................................................18 ́ ̣ ́ 2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng........................................18 2.1.1Mô hình tín hiệu..................................................................................18 2.1.2 Công thức bài toán............................................................................. 19 2.1.3 Tối ưu cho bài toán ..........................................................................20 a) Các hàm lõm-Schur cộng........................................................................21 b) Các hàm lồi-Schur cộng.........................................................................24 2.1.4 Tối ưu cho bài toán ...........................................................................26 2.1.5 Mở rộng đối với các kiến trúc không tuyến tính............................. 27 a) Thiết kế cho bài toán ............................................................................28 b) Thiết kế cho bài toán ............................................................................28 2.1.6 Mở rộng đối với các kênh pha-đinh chọn lọc tần số.......................29
ii 2.2 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều đa chặng......................................... 30 2.3 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng sử dung đa nút chuyển ̣ tiếp song song..................................................................................................... 32 2.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng có hiện diện liên kết trực tiếp Nguồn-Đích.................................................................................................33 2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng..........................................34 3.1 Đặt vấn đề................................................................................................37 3.2. Mô hình hệ thống đề xuất...................................................................... 38 3.3 Kết quả mô phỏng....................................................................................43 3.3.1 Mô hình mô phỏng.................................................................................43 3.3.2. Phân tích kết quả..............................................................................44 3.4. Tom tăt chương........................................................................................46 ́ ́
iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp MIMO Multiple Input-Multiple Output Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra MISO Multiple Input – Single Output Nhiều đầu vào - một đầu ra MRC Maximal Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ tối đa Sai số bình phương trung bình MMSE Minimum Mean Square Error nhỏ nhất MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương Ghép kênh phân chia theo SDM Spatial Division Multiplexing không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
iv DANH SÁCH HÌNH VẼ
v DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, Biến số x in nghiêng Chữ thường, in nghiêng, Vec-tơ s đậm Chữ hoa, in Ma trận H nghiêng, đậm E{.} Phép tính kỳ vọng E{x } t r(ﾷ ) Phép toán lấy vết của ma trận tr(H ) 2 2 ﾷ Chuẩn Frobenious của ma trận W 2 2 @ ́ ́ ̣ ̃ Phep toan đinh nghia H srd @ H rd Fr H sr IK Ma trân đơn vị bâc K ̣ ̣ I2 T ( ﾷ) Phep toan lây chuyên vị ́ ́ ́ ̉ HT H Phep toan lây chuyên vị ́ ́ ́ ̉ ( ﾷ) Hermitian HH log ( ﾷ) Lô ga rit tự nhiên ́ log ( 8) Ma trân đường cheo kich thước ̣ ́ ́ A = diag { an } n = 1, 2,..., K K ﾷ K với cac phân tử trên ́ ̀ F k = diag FFF k , k 1 , 2 { k 3 } đường cheo an ́ Tâp ma trân kich thước M ﾷ N ̣ ̣ ́ Mﾷ N 2ﾷ 2 ﾣ U ﾷﾣ với cac giá trị phức ́ �� X Phân tử thứ i, j cua ma trân X ̀ ̉ ̣ �� ; m = 1, 2,..., M E ��i,j ��m m,
LỜI MỞ ĐÂU ̀ Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công ngh ệ thông tin, tốc độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu c ủa người dùng về các dịch vụ vô tuyến tăng rất nhanh. Kết qu ả d ẫn đ ến nh ững bức bách về nhu cầu mở rộng vùng phủ, nâng cao chất lượngvà đặc biệt là gia tăng tốc độ truy nhập. Các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới như các h ệ th ống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation), các h ệ th ống phát tri ển dài hạn tiên tiến LTE (Long-Term Evolution), cáchệ thống truy nhập vô tuy ến băng rộngWiMAX (Worldwide Interoperability via Microwave Access), hay mạng cục bộ vô tuyến Wi-Fi (Wireless Fidelity) đã cho phép người dùng có thể đạt được tốc độ truy nhập hàng trăm Mbps. Môt trong cac giải pháp then chôt nhăm đat được tôc độ truy ền dẫn cao ̣ ́ ́ ̀ ̣ ́ đã được xac đinh rõ là truyền dẫn trên kênh đa đầu vào-đa đầu ra MIMO ́ ̣ (Multiple Input-Multiple Output) và truyên thông hợp tac. ̀ ́ Đã có rât nhiêu giai phap tôi ưu cho cac mang hợp tac MIMO như lựa ́ ̀ ̉ ́ ́ ́ ̣ ́ chon nut trung gian tôt nhât lam nut Chuyên tiêp, cac kỹ thuât lựa chon ăng-ten. ̣ ́ ́ ́ ̀ ́ ̉ ́ ́ ̣ ̣ Đăc biêt là hang loat cac kỹ thuât tôi ưu cho cac ma trân tai cac nut mang. ̣ ̣ ̀ ̣ ́ ̣ ́ ́ ̣ ̣ ́ ́ ̣ Từ ý nghia khoa học và thực tiễn trên em nhận thấy, việc nghiên cứu ̃ cơ sở lý thuyết và cac giai phap tôi ưu cho cac hệ thông MIMO h ợp tac co ́ vai ́ ̉ ́ ́ ́ ́ ́ trò hêt sức quan trong. Vì vây, trong đồ an nay em xin tâp trung nghiên c ứu ́ ̣ ̣ ́ ̀ ̣ những khai niêm và cac kỹ thuât tôi ưu cho cac hệ thông MIMO hợp tac. Nôi ́ ̣ ́ ̣ ́ ́ ́ ́ ̣ dung đồ an cua em gôm: ́ ̉ ̀ Chương 1:Lam rõ những nôi dung căn ban về truyên thông hợp tac và ky ̃ ̀ ̣ ̉ ̀ ́ ̣ thuât MIMO. Chương 2:Tông hợp những công trinh nghiên cứu liên quan đên tôi ưu ̉ ̀ ́ ́ hoa mang truyên thông hợptac MIMO-AF đã đượcthực hiên. ́ ̣ ̀ ́ ̣
Chương 3:Phân tich bai toan đông thời tôi ưu Nguôn-Đich cho môt hệ ́ ̀ ́ ̀ ́ ̀ ́ ̣ ́ ̣ ̀ ̣ ́ ́ ́ ̉ ̣ ̣ thông MIMO môt chiêu hai chăng, không tai sinh, tuyên tinh, mô phong lai môt số kêt quả đã được nghiên cứu, mở rông khao sat cho trường hợp 8-PSK và ́ ̣ ̉ ́ trường hợp có đường liên kêt trực tiêp. ́ ́ Trong quá trình biên soạn, đồ án không tránh khỏi có những sai sót, em mong được sự góp ý của các Thay giáo và các bạn đọc nói chung. Em xin g ửi ̀ lời cảm ơn tới Thay giáo hướng dẫn PGS-TS Trần Xuân Nam, cac Thay giao ̀ ́ ̀ ́ nghiên cứu sinh và cac Thay giao trong phong thí nghiêm Bộ môn Thông tin vì ́ ̀ ́ ̀ ̣ đã giúp đỡ em rất nhiều trong định hướng cũng như thực hiện nội dung đồ án tốt nghiệp đại học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thay giáo trong ̀ Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự và gia đình đã h ỗ tr ợ, tạo điều kiện và động viên em hoàn thành đồ án này.
Chương 1 TÔNG QUAN VỀ TRUYÊN THÔNG HỢP TAC MIMO ̉ ̀ ́ 1.1 Truyên thông hợp tac ̀ ́ 1.1.1 Khai quat chung về truyên thông hợp tac ́ ́ ̀ ́ Truyền thông hợp tác (cooperative communication) là sự cộng tác của một hay nhiều nút trung gian trên đường truyền để truyền tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích. Do quá trình truyền dẫn gi ữa nút ngu ồn và đích đ ược h ỗ trợ bởi các nút trung gian nên tạo thành các đường tín hiệu khác nhau đến phía thu. Nếu vị trí các trạm trung gian cách xa nhau đủ lớn, các đường tín hiệu trở nên độc lập với nhau và vì vậy tạo nên các đường phân tập không gian. Theo số chặng chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn chặng (single hop) và hệ thống truyền thông h ợp tác đa ch ặng (multiple hop). Theo số nút chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn nút và hệ thống truyền thông hợp tác đa nút. Hinh 1.1 là một mô hình hệ thống truyền ̀ thông hợp tác đa nút. H sr1 Chuyển H r1d tiếp 1 H sd Nguồn Ðích srK rK d H H Chuyển tiếp K Hinh 1.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác đa nút. ̀ 1.1.2 Cac giao thức truyên thông hợp tac ́ ̀ ́ Một khía cạnh quan trọng của quá trình truyền thông hợp tác là kênh chuyển tiếp xử lý tín hiệu nhận được từ nút Nguồn. Ph ương th ức x ử lý khác nhau dẫn đến giao thức truyền thông hợp tác cũng khác nhau. Tổng quát, các
giao thức truyền thông hợp tác có thể được phân loại thành các giao th ức chuyển tiếp cố định và các giao thức chuyển tiếp thích nghi. Trong chuy ển tiếp cố định, các nguồn kênh được phân chia giữa nút Nguồn và nút Chuy ển tiếp theo một giao thức cố định. Quá trình xử lý tại nút Chuy ển ti ếp không theo giao thức đã sử dụng. Trong giao thức chuyển tiếp khuếch đại-chuy ển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) cố định, nút Chuyển tiếp nhận bản tin sau đó khuếch đại và phát bản tin đó tới nút Đích. Một kh ả năng khác của quá trình xử lý tại nút Chuyển tiếp là giải mã tín hiệu nh ận đ ược, mã hóa l ại và sau đó phát tới máy thu. Loại chuyển tiếp này gọi là giao th ức chuy ển ti ếp gi ải mã- chuyển tiếp ((DF: Detect-and-Forward) cố định. Chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng thực hiện nh ưng có nh ược điểm là hiệu quả sử dụng băng thông thấp. Bởi vì một nửa số tài nguyên kênh được phân bổ cho nút Chuyển tiếp để phát, vì vậy làm hạn ch ế t ốc đ ộ truyền. Điều này đặc biệt đúng khi khi kênh giữa Nguồn-Đích tốt, lúc này t ỷ lệ phần trăm các gói tin phát đi từ Nguồn được nhận chính xác t ại đích là r ất cao, do đó việc chuyển tiếp sẽ lãng phí. Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi cố gắng khắc phục vấn đề này. Trong chuyển tiếp lựa chọn, nếu tỷ số tín hiệu trên tập âm (SNR: Signal-to-Noise Ratio) của tín hiệu nhận được tại nút Chuyển tiếp vượt quá một giá trị ngưỡng nào đó thì tại nút Chuyển tiếp thực hiện công vi ệc gi ải mã-chuyển tiếp hiệu đó. Mặt khác, nếu kênh truyền giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp chịu tác động của nhiễu và pha đinh dẫn tới t ỷ số SNR th ấp h ơn giá trị ngưỡng thì nút Chuyển tiếp ở trạng thái rỗi. Ngoài ra, nếu nút Nguồn biết rằng nút Đích không giải mã đúng thì nút Nguồn có th ể phát l ại thông tin tới nút Đích hoặc thông qua nút Chuyển tiếp để trợ giúp chuy ển tiếp thông tin, quá trình này gọi là chuyển tiếp tăng cường. Trong trường hợp này, cần thiết có một kênh phản hồi từ nút Đích tới các nút Nguồn và nút Chuyển tiếp.
1.1.3Ứng dụng cua truyền thông hợp tác ̉ Truyền thông hợp tác có thể được ứng dụng rộng rãi trong các mạng thông tin vô tuyến như mạng thông tin di động tế bào, mạng ad hoc di động (MANET: Mobile Ad hoc Network) và mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor Network). Kỹ thuật truyền thông hợp tác nhờ vào việc chuyển tiếp dữ liệu qua các nút (trạm) trung gian vì vậy cho phép kéo dài c ự ly liên lạc giữa nút Nguồn và nút Đích cũng nh ư mở rộng ph ạm vi vùng ph ủ. Hơn nữa do các đường chuyển tiếp được truyền phân tán trong không gian nên cho phép hệ thống thu được độ lợi phân tập không gian (spatial diversty gain) nhờ đó tăng dung lượng kênh truyền và chất lượng truy ền d ẫn tín hi ệu. Mặt khác, nhờ sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng, các nút trung gian có thể sử dụng công suất phát thấp hơn trong khi vẫn bảo đảm đ ược yêu c ầu chất lượng dịch vụ, và làm giảm đáng kể can nhiễu đến hệ thống. Các công nghệ truyền dẫn hợp tác và chuyển tiếp đã dần dần được đưa vào các chuẩn mạng khác nhau, để phát triển hệ thống thông tin di động đáp ứng các nhu cầu về chất lượng, độ tin cậy, tốc độ dữ liệu, cac yêu câu về ́ ̀ dịch vụ. Các công nghệ này đã được đưa vào trong các chuẩn IEEE 802.16j và LTE cải tiến (Long Term Evolution-Advanced). Truyên thông hợp tac cung ̀ ́ ̃ được ứng dung trong hệ thống vô tuyến nhận thức và cac mạng cảm biến. ̣ ́ 1.2 Kỹ thuât truyên dân MIMO ̣ ̀ ̃ 1.2.1 Cac kỹ thuât phân tâp trong thông tin vô tuyên ́ ̣ ̣ ́ Trong thông tin vô tuyến quá trình truy ền dẫn luôn chiu ảnh h ưởng b ởi ̣ các hiện tượng pha-đinh. Pha-đinh được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào tham số xem xét, yêu cầu của hệ thống mà có: pha-đinh phạm vi rộng, pha-đinh ph ạm vi h ẹp, pha-đinh ph ẳng, pha-đinh ch ọn l ọc theo th ờ i gian, pha-đinh ch ọn l ọc t ần s ố, pha-đinh nhanh và pha-đinh chậm. Với các mô hình kênh khác nhau như: kênh pha-đinh Rayleigh, kênh pha-đinh Rice, kênh pha-đinh Nakagami. Cac hệ thống thông tin khác nhau sẽ chiu anh hưởng ́ ̣ ̉
cua cac hiên tượng pha-đinh khác nhau , vì vây, biên phap khăc phuc anh ̉ ́ ̣ ̣ ̣ ́ ́ ̣ ̉ hưởng cua cac loai pha-đinh cung khac nhau. ̉ ́ ̣ ̃ ́ Để hạn chếảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông, trong thông tin vô tuyến sử dụng một số biện pháp kỹ thuật như: phương pháp bù pha-đinh, kỹ thuật phân tập, kỹ thuật san b ằng, trong đó các phương pháp phân tập được sử dụng khá phổ biến,. Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của mộtsố đường truyền có các tham số thống kê độc lập, nhưng truyền tải cùng mộtthông tin giống nhau. Bản chất của phương pháp phân tập là tín hi ệu đ ượctruy ền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinhkhác nhau. Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hi ệu thu được v ớich ất l ượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu. Do đó, nếu k ết h ợpcác tín hiệu này một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được một tín hiệutổng hợp chịu ảnh hưởng của pha-đinh ít hơn. Kết quả này đồng nghĩa vớiviệc tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy cao hơn. Theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụngtrong thông tin vô tuyến có thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập phân cực và phân tập không gian. • Phân tâp thời gian ̣ Do tinh chât ngâu nhiên cua pha-đinh, biên độ cua môt tin hiêu chiu anh ́ ́ ̃ ̉ ̉ ̣ ́ ̣ ̣ ̉ hưởng pha-đinh ngâu nhiên tai cac thời điêm lây mâu cach xa nhau đủ lớn về ̃ ̣ ́ ̉ ́ ̃ ́ thời gian sẽ không tương quan với nhau. Vì vây, truyên môt tin hiêu tai cac thời ̣ ̀ ̣ ́ ̣ ̣ ́ điêm cach biêt đủ lớn tương đương với viêc truyên môt tin hiêu trên nhiêu ̉ ́ ̣ ̣ ̀ ̣ ́ ̣ ̀ đường truyên đôc lâp, tao nên sự phân tâp về thời gian. ̀ ̣ ̣ ̣ ̣ Khoang thời gian cân thiêt để đam bao thu được cac tin hiêu pha-đinh ̉ ̀ ́ ̉ ̉ ́ ́ ̣ không tương quan tai may thu tôi thiêu là thời gian đông bộ (coherence time) ̣ ́ ́ ̉ ̀ cua kênh truyên. Nhược điêm chinh cua phương phap phân tâp thời gian là lam ̉ ̀ ̉ ́ ̉ ́ ̣ ̀ suy giam hiêu suât băng tân do có sự dư thừa trong miên thời gian. ̉ ̣ ́ ̀ ̀ • Phân tâp tân số ̣ ̀
Tương tự như phương phap phân tâp thời gian, có thể sử dung môt tâp ́ ̣ ̣ ̣ ̣ hợp cac tân số để truyên đi cung môt tin hiêu, tao nên sự phân tâp tân sô. ́ ̀ ̀ ̃ ̣ ́ ̣ ̣ ̣ ̀ ́ Khoang cach giữa cac tân số phai đủ lớn, vao khoang vai lân băng tân đông bô ̣ ̉ ́ ́ ̀ ̉ ̀ ̉ ̀ ̀ ̀ ̀ (coherence bandwwidth), để đam bao pha-đinh ứng với cac tân số sử dung ̉ ̉ ́ ̀ ̣ không tương quan với nhau. Nhược điêm cua phương phap phân tâp tân số là ̉ ̉ ́ ̣ ̀ sự tiêu tôn phổ tân sô. Ngoai ra, do cac nhanh phân tâp có tân số khac nhau nên ́ ̀ ́ ̀ ́ ́ ̣ ̀ ́ môi nhanh cân sử dung môt may thu phat cao tân riêng. ̃ ́ ̀ ̣ ̣ ́ ́ ̀ • Phân tâp phân cực ̣ Nghiên cứu cho thây tin hiêu truyên đi trên hai phân cực trực giao trong ́ ́ ̣ ̀ môi trường thông tin di đông có cac tham số thông kê đôc lâp. Vì vây, hai phân ̣ ́ ́ ̣ ̣ ̣ cực nay có thể được coi là cơ sở cua hai nhanh phân tâp phân cực. Do chỉ tôn ̀ ̉ ́ ̣ ̀ tai hai phân cực song trực giao nên số lượng tôi đa cac nhanh phân tâp có thể ̣ ́ ́ ́ ́ ̣ tao được chỉ là hai. Ngoai ra, do sự han chế cua công suât may phat nên công ̣ ̀ ̣ ̉ ́ ́ ́ suât tin hiêu phat cân chia đêu cho hai nhanh, và vì vây, chât l ượng tin hiêu thu ́ ̣ ́ ̀ ̀ ́ ̣ ́ ́ ̣ cung bị suy giam đi 2 lân hay 3dB. ̃ ̉ ̀ • Phân tập không gian Phân tâp không gian là sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu, máy phát ̣ hoặccả ở phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không giankhác nhau. Khoảng cách cần thiết giữa các ăng-ten tối thiểu là một nửa bướcsóng (λ 2) . Khi sử dụng nhiều ăng-ten ở máy phát, ta có hệ thống phân tập không gian phát, và có phân tập không gian thu nếu sửdụng nhiều ăng-ten thu. Trường hợp phân tập không gian mà sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thusẽ tạo nên một hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và phân tập thu, kênh truyền vô tuyến giữa các ăng-ten máy phát và ăng-ten máy thu được gọi là kênh MIMO. Phương pháp phân tập được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong thông tin vô tuyến là phân tập không gian.Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảmhiệu suất băng tần, không tiêu t ốn ph ổ t ần,
dễ sử dụng và trên lýthuyếtkhông có sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập. 1.2.2 Môt số kỹ thuât kêt hợp tin hiêu ̣ ̣ ́ ́ ̣ a) Kỹ thuât kêt hợp phân tâp không gian thu ̣ ́ ̣ Khi tin hiêu s (t ) được truyên qua môi trường pha-đinh Rayleigh tới may ́ ̣ ̀ ́ thu sử dung phân tâp không gian với M nhanh phân tâp, khi đó may thu sẽ thu ̣ ̣ ́ ̣ ́ được M tin hiêu nhanh. Từ M tin hiêu nhanh trên, để tin hiêu ở đâu ra bộ kêt ́ ̣ ́ ́ ̣ ́ ́ ̣ ̀ ́ hợp có chât lượng tôt hơn, có thể sử dung ba phương phap kêt hợp phân tâp ́ ́ ̣ ́ ́ ̣ không gian: • Kêt hợp chon loc (SC: Selection Combining) ́ ̣ ̣ Câu hinh cua bộ kêt hợp chon loc được minh hoa như Hinh 1.2. Tai môt ́ ̀ ̉ ́ ̣ ̣ ̣ ̀ ̣ ̣ thời điêm t , mach chon loc logic thực hiên viêc đo lường và tinh toan ty ̉ sô ́ tin ̉ ̣ ̣ ̣ ̣ ̣ ́ ́ ́ hiêu trên tap âm (SNR: Signal to Noise Ratio) cua t ừng nhanh phân tâp va ̀ chon ̣ ̣ ̉ ́ ̣ ̣ ra tin hiêu ở nhanh có tỷ số SNR lớn nhât. Trong thực tê, viêc đo lường tỷ số ́ ̣ ́ ́ ́ ̣ SNR rât khó thực hiên va, vì vây, tinhiêu trên nhanh phân tâp có tông công suât ́ ̣ ̀ ̣ ́ ̣ ́ ̣ ̉ ́ tin hiêu và tap âm lớn nhât sẽ được chon. ́ ̣ ̣ ́ ̣ 1 2 M 0 ҥ cao tҫn ch 0 ҥ cao tҫn ch 0 ҥ cao tҫn ch y1 ﾷ t ﾷ y2 ﾷ t ﾷ yM ﾷ t ﾷ 0 ҥ FK lô-gic ch ӑn y ﾷt ﾷ Hinh 1.2: Mô hinh phương phap kêt hợp chon loc. ̀ ̀ ́ ́ ̣ ̣ • Kêt hợp số cực đai (MRC: Maximal-Ratio Combining) ́ ̣
Phương phap kêt hợp tỉ số cực đai được Kahn đề xuât năm 1954. Sử ́ ́ ̣ ́ dung phương phap nay, tin hiêu cua M nhanh phân tâp được nhân trong số ̣ ́ ̀ ́ ̣ ̉ ́ ̣ ̣ (weighted) cân xứng theo tỉ số SNR cua cac nhanh, sau đó được điêu chinh ̉ ́ ́ ̀ ̉ đông pha rôi kêt hợp (công) với nhau. Thực tê, phương phap kêt h ợp tỉ số c ực ̀ ̀ ́ ̣ ́ ́ ́ đai là phương phap kêt hợp cho độ lợi lớn nhât. Phương phap kêt h ợp nay con ̣ ́ ́ ́ ́ ́ ̀ ̀ được goi là phương phap kêt hợp tôi ưu (optimum combining). Sơ đồ câu hinh ̣ ́ ́ ́ ́ ̀ môt bộ kêt hợp tỉ số cực đai được trinh bay ở Hinh 1.3. ̣ ́ ̣ ̀ ̀ ̀ 1 2 M 0 ҥ cao tҫn ch 0 ҥ cao tҫn ch 0 ҥ cao tҫn ch y1 ﾷ t ﾷ y2 ﾷ t ﾷ yM ﾷ t ﾷ w1 w2 wM y ﾷt ﾷ Hinh 1.3: Mô hinh phương phap kêt hợp tỷ số cực đai. ̀ ̀ ́ ́ ̣ • Kêt hợp đông độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining) ́ ̀ Tuy phương phap MRC là phương phap kêt hợp tôi ưu cho độ lợi phân ́ ́ ́ ́ tâp lớn nhât trong tât cả cac phương phap kêt hợp phân tâp thu, nh ưng ph ương ̣ ́ ́ ́ ́ ́ ̣ phap nay yêu câu phai biêt chinh xac được cac trong số kêt hợp w , do đó ́ ̀ ̀ ̉ ́ ́ ́ ́ ̣ ́ m tương đôi phức tap. Hơn nữa, độ lợi thu được cua phương phap MRC không ́ ̣ ̉ ́ lớn hơn nhiêu so với phương phap kêt hợp chon loc. Điêu nay có nghia là phân ̀ ́ ́ ̣ ̣ ̀ ̀ ̃ ̀ lớn độ lợi phân tâp thu được từ nhanh phân tâp có công suât lớn nhât và nêu ̣ ́ ̣ ́ ́ ́ môt phương phap kêt hợp có thể thu được độ lợi từ nhanh phân tâp đó thì tông ̣ ́ ́ ́ ̣ ̉ độ lợi thu được hâu như không thay đôi. Quan sat nay dân đên môt ph ương ̀ ̉ ́ ̀ ̃ ́ ̣ phap phân tâp mới, kỹ thuât kêt hợp phân tâp đông độ lợi (EGC: Equal-Gain ́ ̣ ̣ ́ ̣ ̀ Combining), đơn gian hơn phương phap MRC. Sử dung ph ương phap kêt h ợp ̉ ́ ̣ ́ ́
EGC, tin hiêu tai cac nhanh được đông pha (co-phasing) giông nh ư trong ́ ̣ ̣ ́ ́ ̀ ́ trường hợp MRC, nhưng sau đó được nhân với cac trong số có cung độ lớn, ́ ̣ ̀ rôi kêt hợp với nhau. Trường hợp đơn gian nhât là đăt độ lợi cua cac trong số ̀ ́ ̉ ́ ̣ ̉ ́ ̣ băng hăng số đơn vi. Như vây, phương phap kêt hợp EGC chỉ là môt trường ̀ ̀ ̣ ̣ ́ ́ ̣ hợp đăc biêt cua phương phap MRC. ̣ ̣ ̉ ́ Hinh 1.4 mô tả độ lợi phân tâp cua cac phương phap khac nhau. Nhin vao ̀ ̣ ̉ ́ ́ ́ ̀ ̀ hinh vẽ có thể nhân thây phương phap kêt hợp tỉ số cực đai cho độ lợi phân tâp ̀ ̣ ́ ́ ́ ̣ ̣ lớn nhât, và phương phap kêt hợp chon loc cho độ lợi thâp nhât. ́ ́ ́ ̣ ̣ ́ ́ Hinh 1.4: Độ lợi phân tâp cua cac phương phap kêt hợp phân tâp. ̀ ̣ ̉ ́ ́ ́ ̣ b) Kỹ thuât kêt hợp phân tâp không gian phat ̣ ́ ̣ ́ Phân tâp phat được tao nên bởi viêc sử dung nhiêu ăng-ten phat kêt hợp ̣ ́ ̣ ̣ ̣ ̀ ́ ́ với môt phương phap xử lý tin hiêu thich hợp. Môt số phương phap phân tâp ̣ ́ ́ ̣ ́ ̣ ́ ̣ phat điên hinh được đề xuât gân đây la: ́ ̉ ̀ ́ ̀ ̀ • Phân tâp phat tỉ số cực đai (MRT: Maximal-Ratio Transmit) ̣ ́ ̣
Bộ phân tâp MRT mang lai bâc phân tâp giông như cua môt bộ phân tâp ̣ ̣ ̣ ̣ ́ ̉ ̣ ̣ thu MRC. Tuy nhiên do tông công suât phat được chuân hoa thanh đơn vị nên ̉ ́ ́ ̉ ́ ̀ bị thiêt hai về phâm chât BER. ̣ ̣ ̉ ́ • Phân tâp phat giữ châm ̣ ́ ̣ Cac ban sao cua tin hiêu sk được truyên tới may thu tai cac thời điêm ́ ̉ ̉ ́ ̣ ̀ ́ ̣ ́ ̉ khac nhau và thông qua cac ăng-ten phat khac nhau. Cac tin hiêu giữ châm ́ ́ ́ ́ ́ ́ ̣ ̣ được may thu coi như cac tin hiêu đa đường. Vì vây, để tach được cac tin hiêu ́ ́ ́ ̣ ̣ ́ ́ ́ ̣ phat, may thu sử dung môt bộ san băng ước lượng chuôi hợp lệ cực đai ́ ́ ̣ ̣ ̀ ̃ ̣ (MLSE: Maximum Likelihood Sequence Estimator) hay môt bộ san băng sai sô ́ ̣ ̀ binh phương trung binh cực tiêu (MMSE: Minimum Mean Square Error) để đat ̀ ̀ ̉ ̣ được độ lợi phân tâp N . ̣ Ưu điêm cua phương phap phân tâp phat giữ châm là nó có thể cho độ ̉ ̉ ́ ̣ ́ ̣ lợi phân tâp bâc N mà không yêu câu phai mở rông băng tân, cung như cân phan ̣ ̣ ̀ ̉ ̣ ̀ ̃ ̀ ̉ hôi từ may thu. Môt ưu điêm khac cua phương phap nay là nó có thể ap dung ̀ ́ ̣ ̉ ́ ̉ ́ ̀ ́ ̣ trực tiêp cho cac kênh đa đường để thu được thêm độ lợi phân tâp đa đường ́ ́ ̣ (path diversity). • Phân tâp phat không gian-thời gian ̣ ́ Hệ thống MIMO có ưu điểm nổi trội là khả năng cho phép tăng dung lượng kênh truyền vô tuyến theo hàm tuyến tính của số ăng-tennhỏ nhất sử dụng. Các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào vi ệc đ ề xu ất các phương pháp truyền dẫn thoả mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết cho quá trình khôi phục ở phía máy thu. 1.2.3 Cac phương phap truyên dân trên kênh MIMO ́ ́ ̀ ̃ Môt số phương phap truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO là: ghép ̣ ́ kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing), mã không gian-thời gian (STC: Space-Time Codes) và điêu chế không gian (SM: ̀ Spatial Modulation) như mô tả ở Hinh 1.5. ̀ a) Mã không gian-thời gian