intTypePromotion=1
ADSENSE

Kết hợp lựa chọn Ăng-ten phát với mã không gian thời gian phân tán trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

29
lượt xem
2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo đề xuất một giải pháp truyền dẫn mới cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp đa đầu vào đa đầu ra (multiple input multiple output: MIMO), trong đó kỹ thuật chọn lọc ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection: TAS) được kết hợp cùng kỹ thuật mã không gian thời gian phân tán (Distributed Space-Time Code: DSTC) nhằm nhận được tăng ích phân tập không gian cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO trong khi giảm được số chuỗi cao tần phát (Radio Frequency: RF) tại các nút chuyển tiếp.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Kết hợp lựa chọn Ăng-ten phát với mã không gian thời gian phân tán trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> KẾT HỢP LỰA CHỌN ĂNG-TEN PHÁT VỚI MÃ KHÔNG GIAN<br /> THỜI GIAN PHÂN TÁN TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN<br /> CHUYỂN TIẾP MIMO<br /> Trần Thế Nghiệp1*, Phạm Văn Biển2, Phạm Tuấn Giáo1, Đỗ Quang Hiệp3<br /> Tóm tắt: Bài báo đề xuất một giải pháp truyền dẫn mới cho hệ thống vô tuyến<br /> chuyển tiếp đa đầu vào đa đầu ra (multiple input multiple output: MIMO), trong đó<br /> kỹ thuật chọn lọc ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection: TAS) được kết hợp<br /> cùng kỹ thuật mã không gian thời gian phân tán (Distributed Space-Time Code:<br /> DSTC) nhằm nhận được tăng ích phân tập không gian cho hệ thống vô tuyến<br /> chuyển tiếp MIMO trong khi giảm được số chuỗi cao tần phát (Radio Frequency:<br /> RF) tại các nút chuyển tiếp. Mỗi nút chuyển tiếp sẽ lựa chọn một ăng-ten phát có<br /> tăng ích kênh truyền từ nó đến nút đích tốt nhất để tham gia chuyển tiếp tín hiệu từ<br /> nút nguồn đến nút đích theo cấu trúc mã DSTC. Mô phỏng Monte-Carlo được thực<br /> hiện với sơ đồ đề xuất TAS/DSTC và sơ đồ sử dụng mã khối không gian thời gian<br /> trực giao mở rộng vòng kín phân tán (Distributed Close Loop-Extended<br /> Orthogonal STBC: DCL-EO STBC) có cùng cấu hình sử dụng toàn bộ ăng-ten tại<br /> nút chuyển tiếp. Các kết quả mô phỏng cho thấy sơ đồ đề xuất có phẩm chất tỉ lệ<br /> lỗi bít (Bit Error Rate: BER) tốt hơn so với sơ đồ DCL-EO STBC khi sử dụng giao<br /> thức khuếch đại và chuyển tiếp (amplify-and-forward: AF).<br /> Từ khóa: Mạng chuyển tiếp vô tuyến, Lựa chọn ăng-ten phát, Mã không gian thời gian, Mã không gian thời<br /> gian phân tán trực giao mở rộng vòng kín.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Mã không gian thời gian phân tán DSTC là kỹ thuật phát triển ý tưởng mã không gian<br /> thời gian (Space-Time Code: STC) trong hệ thống MIMO điểm-điểm cho mạng vô tuyến<br /> chuyển tiếp MIMO để nhận được phân tập không gian tương tự như hệ thống đa ăng-ten<br /> điểm tới điểm thông thường sử dụng mã không gian thời gian STC [1-5]. Yindi và các<br /> cộng sự [3-5] nghiên cứu mạng vô tuyến chuyển tiếp MIMO với các nút chuyển tiếp<br /> trang bị một hay nhiều ăng-ten đã chỉ ra rằng tăng ích phân tập của hệ thống sẽ tăng khi<br /> số nút tham gia chuyển tiếp hoặc số ăng-ten trang bị tại nút chuyển tiếp tăng. Tuy nhiên,<br /> khi tăng số nút chuyển tiếp hoặc tăng số ăng-ten trang bị tại các nút chuyển tiếp thì lại<br /> làm tăng độ phức tạp giải mã tại nút đích. Các tác giả trong [1, 2, 6] đã đề xuất sơ đồ cho<br /> hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO với các nút chuyển tiếp trang bị hai ăng-ten sử<br /> dụng mã không gian thời gian trực giao phân tán mở rộng vòng kín DCL-EO STBC và có<br /> sự hỗ trợ của kênh hồi tiếp từ nút đích về nút chuyển tiếp cho phép hệ thống vừa nhận<br /> được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten trang bị tại nút chuyển tiếp và vừa cho phép<br /> giải mã đơn symbol tại nút đích. Nhưng tất cả các đề xuất trong [1-3] muốn cải thiện tăng<br /> ích phân tập của hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO thì đều phải sử dụng tất cả số<br /> chuỗi RF (thường gồm các khối khuếch đại công suất, trộn tần,...) được trang bị tại các<br /> nút chuyển tiếp. Việc phải sử dụng nhiều chuỗi RF làm tăng kích thước, giá thành và độ<br /> phức tạp cho các thiết bị vô tuyến. Vậy giải pháp nào để nhận được tăng ích phân tập của<br /> tất cả các ăng-ten mà vẫn giảm số chuỗi RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp?<br /> Trong hệ thống MIMO điểm-điểm để giảm số chuỗi RF cần được trang bị và độ phức<br /> tạp giải mã tại máy thu mà vẫn nhận được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten, trong<br /> điều kiện tồn tại kênh hồi tiếp thì kỹ thuật lựa chọn ăng-ten tại máy phát, máy thu hoặc cả<br /> máy phát và máy thu là một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả [7-9]. Phát triển ý tưởng<br /> này và tìm đáp án cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO, nhóm tác giả áp dụng kỹ<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 43<br /> Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> thuật lựa chọn kết hợp thu (Selection Combining: SC) và lựa chọn ăng-ten phát (Transmit<br /> Antenna Selection: TAS) trong hệ thống MIMO điểm-điểm cho hệ thống vô tuyến chuyển<br /> tiếp MIMO. Tuy nhiên, để vẫn giữ được tăng ích mã hóa, bài báo đề xuất kết hợp lựa chọn<br /> ăng-ten phát TAS và mã DSTC cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO với sự hỗ trợ<br /> của kênh hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp. Sơ đồ đề xuất cho phép cải thiện<br /> phẩm chất BER của hệ thống nhờ nhận được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten trang<br /> bị tại các nút chuyển tiếp trong khi giảm được số chuỗi RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp.<br /> Ngoài ra, sơ đồ đề xuất còn có thể cho phép sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp<br /> (Amplify and Forward: AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward: DF) tại<br /> nút chuyển tiếp mà vẫn giữ được độ phức tạp giải mã đơn symbol tại nút đích.<br /> Nội dung còn lại của bài báo được được trình bày như sau: Giới thiệu ngắn gọn về mã<br /> DCL-EO STBC cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO được trình bày trong mục 2.<br /> Mục 3 trình bày sơ đồ đề xuất kết hợp TAS và DSTC (TAS/DSTC) sử dụng giao thức AF<br /> hoặc DF. Các kết quả mô phỏng và so sánh được thể hiện trong mục 4. Cuối cùng là các<br /> kết luận trong mục 5.<br /> Các ký hiệu sử dụng trong bài báo này: Chữ thường in đậm a ký hiệu cho véc-tơ và<br /> chữ hoa in đậm A ký hiệu cho ma trận. Đối với ma trận A, các ký hiệu AT, A*, AH<br /> A<br /> và F biểu thị cho phép chuyển vị, liên hợp, phép chuyển vị liên hợp và chuẩn Frobenius<br /> của ma trận A. E[•] định nghĩa phép lấy kỳ vọng. A là chòm sao tín hiệu điều chế và M là<br /> kích thước của A.<br /> 2. MÃ DCL-EO STBC CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP MIMO<br /> Phần này sẽ trình bày ngắn gọn sơ đồ sử dụng mã DCL-EO STBC cho hệ thống vô<br /> tuyến chuyển tiếp MIMO với giao thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp là DF hoặc AF đã<br /> được đề xuất trong [1, 2]. Mô hình hệ thống bao gồm một nút nguồn và một nút đích được<br /> trang bị một ăng-ten và hai nút chuyển tiếp, mỗi nút được trang bị hai ăng-ten dùng cho cả<br /> thu và phát và không tồn tại kênh truyền trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích do giới hạn về<br /> công suất như trình bày trong hình 1. Quá trình truyền dẫn từ nguồn đến đích thực hiện<br /> qua hai pha truyền dẫn. Pha truyền dẫn thứ nhất, nút nguồn phát chuỗi ký hiệu thông tin<br /> dưới dạng véc-tơ s đến các nút chuyển tiếp với chuẩn hóa công suất là E[sH s] = 1. Pha<br /> truyền dẫn thứ hai, các nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF hoặc AF chuyển tiếp tín hiệu<br /> đến nút đích dưới dạng mã DCL-EO STBC.<br /> <br /> f11 R1 g11<br /> <br /> f21 g21<br /> <br /> <br /> f12 g12<br /> f22 g22<br /> R2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ mã DCL-EO STBC cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO [1, 2].<br /> Trong bài báo này, ký hiệu fik là hệ số pha-đinh từ nút nguồn đến ăng-ten thứ i của nút<br /> chuyển tiếp thứ k và gik là hệ số pha-đinh từ ăng-ten thứ i của nút chuyển tiếp thứ k đến<br /> i, k  1, 2.<br /> nút đích với Pha-đinh được giả sử là pha-đinh Rayleigh phẳng, chậm với<br /> khoảng thời gian đồng bộ τ trong đó τ là chu kỳ symbol. Các hệ số pha-đinh được mô hình<br /> hóa bởi các biến ngẫu nhiên phức phân bố chuẩn đồng nhất độc lập với kỳ vọng 0 và<br /> phương sai đơn vị. Tạp âm nhiệt tại các nút chuyển tiếp và nút đích được giả thiết có phân<br /> <br /> <br /> 44 T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn… chuyển tiếp MIMO.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> bố CN(0,1). Phân bổ công suất giữa các nút trong mạng sử dụng phân bổ tối ưu do Yindi<br /> và các cộng sự đề xuất trong [3] và gọi P là tổng công suất phát trong toàn mạng, P1, P2<br /> lần lượt là công suất phát tại nút nguồn và công suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp thì:<br /> P P<br /> P1  , P2 <br /> 2 2NR (1)<br /> trong đó, N là số ăng-ten tại mỗi nút chuyển tiếp và R là số nút chuyển tiếp.<br /> 2.1. Mã DCL-EO STBC sử dụng giao thức DF<br /> Khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF, pha truyền dẫn thứ nhất nút nguồn phát đi<br /> véc-tơ tín hiệu s = [ s1 s2 ]T , để hạn chế ảnh hưởng của sự giải mã sai mã kênh CRC<br /> được thêm vào. Do đó, giả thiết các nút chuyển tiếp có thể giải mã chính xác các symbol<br /> thông tin đã được phát đi từ nút nguồn [1]. Trong pha truyền dẫn thứ hai, để nhận được<br /> phân tập toàn phần tín hiệu phát đi từ ăng-ten thứ nhất của nút chuyển tiếp thứ nhất và thứ<br /> j j2<br /> hai được xoay pha một góc tương ứng U 1  e 1 ,U 2  e . Khi đó, từ mã DCL-EO<br /> STBC phát đi bởi các nút chuyển tiếp có dạng như sau:<br />  U 1s1 s1 U 2s2 s2 <br />  . (2)<br /> U s * s2* U 2s1* s1* <br />  1 2 <br /> Tín hiệu thu được tại nút đích sau khi qua một số phép biến đổi có thể viết dưới dạng<br /> véc-tơ như sau [1]:<br /> r  P2 Gs  z, (3)<br /> <br /> trong đó, r  [r1 r2* ]T là véc-tơ tín hiệu thu được tại nút đích, z  [z 1 z 2* ]T là véc-tơ tạp<br /> âm nhiệt tại nút đích và G là ma trận kênh tương đương được xác định:<br />  U g  g 21 U 2g12  g 22 <br /> G   *1 11* * * .<br /> (4)<br /> U g  g 22  U1* g11<br /> *<br />  g 21<br />  2 12 <br /> <br /> Lưu ý trong phương trình (3), hệ số P2 để đảm bảo rằng công suất phát cho mỗi<br /> symbol truyền dẫn tại mỗi nút chuyển tiếp là P2. Khi đó, công suất phát trên mỗi ăng-ten<br /> tại nút chuyển tiếp là P2 / 2. Biến đổi phương trình (3) về dạng tương đương:<br />  <br />   2 2 2 2  (5)<br /> y = GH r  P2   U 1g 11  g 21  U 2 g 12  g 22   2 R U 1g 11g 21<br /> *<br />  *<br />  U 2 g 12 g 22 H<br />  s  G z,<br /> <br />    <br />  <br /> a<br />  d <br /> <br /> trong đó, d là tăng ích phân tập thông thường và a là tăng ích phẩm chất mảng. Để đạt<br /> được tăng ích phẩm chất mảng, Qaja và các tác giả [1] đã đề xuất sử dụng hai bít hồi tiếp<br />  <br /> để xác định bốn trạng thái xoay pha từ tập 1, 2    [0,  / 2, , 3 / 2] theo tiêu<br /> chuẩn sau:<br />  *<br />  1  arg max R (g 11g 21<br />  1 <br /> )e<br /> j 1<br />  (6)<br />  arg max R (g <br /> j 2<br /> 2 g * )e<br /> 12 22<br />  2 <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 45<br /> Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Giả thiết nút đích biết thông tin trạng thái kênh từ nút nguồn đến nút đích gik thì giải<br /> mã tại nút đích sử dụng bộ tách sóng bình phương cực tiểu LS (Least Square) như sau:<br /> 2<br /> si = arg min y( j )  si , j  1,2 (7)<br /> si s<br /> <br /> <br /> trong đó, s là chòm sao tín hiệu điều chế.<br /> 2.2. Mã DCL-EO STBC sử dụng giao thức AF<br /> Khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức AF, pha thứ nhất nút nguồn phát P1T s , trong<br /> đó P1 là công suất phát trung bình của nút nguồn trong một khe thời gian truyền dẫn (một<br /> chu kỳ symbol T ) với véc-tơ symbol s = [ s1 -s2* ]T , đến các nút chuyển tiếp [2]. Tín<br /> hiệu nhận được ăng-ten thứ i , nút chuyển tiếp thứ k có dạng như sau:<br /> xik  PT<br /> 1<br /> fik s  vik víi k = 1, 2 (8)<br /> <br /> trong đó, vik  [v1k v2k ]T là véc-tơ tạp âm nhiệt tại ăng-ten thứ i, nút chuyển tiếp thứ k.<br /> Pha truyền dẫn thứ hai, tín hiệu tại mỗi ăng-ten nút chuyển tiếp được xoay pha trước<br /> khi phát đi và ma trận từ mã DCL-EO STBC thu được tại nút đích có dạng:<br />  s e j1 j<br /> s1e 2<br /> j j<br /> s2e 1 s2e 2 <br /> 1<br />  * -j * -j * -j * -j<br /> . (9)<br />  s2e 2 s2e 1 s1e 2 s1e 1 <br /> Tín hiệu phát tại ăng-ten thứ i, nút chuyển tiếp thứ k được thiết kế là một hàm tuyến<br /> tính của tín hiệu thu được và liên hợp phức của nó như sau:<br /> P2<br /> tik <br /> P1  1<br /> A xk ik<br />  Bk xik  (10)<br /> <br /> trong đó, kí hiệu phép lấy liên hợp phức véc-tơ a là a . Ma trận phân tán được sử dụng để<br /> tạo nên ma trận từ mã Alamouti [10] tại nút đích được viết dưới dạng sau:<br /> 1 0  0 1<br /> A1    , B1  02 , A2  02, B2    (11)<br /> 0 1  1 0 <br /> Khi đó, tín hiệu thu được tại nút đích có dạng:<br /> 2<br /> r  g<br /> k 1<br /> t U 1  g2k t2kU 2  w<br /> 1k 1k  (12)<br /> <br /> trong đó, w = [w1 w2 ]T là tạp âm nhiệt tại nút đích và:<br /> <br /> e j1 0  e j2 0 <br /> U1    vµ U 2    (13)<br /> -j -j<br />  0 e 2  0 e 1<br />  <br /> Phương trình (12) có thể viết lại như sau:<br /> P2PT<br /> re  1<br /> Ge se   We (14)<br /> P1  1<br /> <br /> <br /> 46 T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn… chuyển tiếp MIMO.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> trong đó: se  [ s1 s2 ]T , We là tạp âm nhiệt tương đương và ma trân kênh tương đương<br /> <br />  g f e j1  g f e j2 g12 f12*e<br /> j1<br />  g 22 f22*e<br /> j2<br /> <br /> Ge   11*<br /> 11<br /> j2<br /> 21 21<br /> * j j2 j<br /> <br /> g f<br />  12 12 e  g f e 1 g11* f11*e  g 21* f21*e 1 <br /> 22 22 <br /> Góc xoay pha được Elazreg và các tác giả đã đề xuất tại [2] nếu b = 0 thì 1  2  0<br /> hoặc 1  2   nếu b  1 thì 1  0, 2   hoặc 1  , 2  0 trong đó:<br /> <br /> 0, R(f11*g11* g 21 f21 + f12g12* f22*g 22 )  0<br /> b (15)<br /> 1, R(f11*g11* g 21 f21 + f12g12* f22*g 22 )  0<br /> <br /> Giả thiết nút đích biết thông tin trạng thái kênh từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp fik và<br /> từ nút chuyển tiếp đến nút đích gik thì giải pmã ML tại nút đích được cho như sau:<br /> H<br />     <br />  P2PT P2PT<br /> se  arg min  re  1<br /> G s   re  1<br /> G s   (16)<br /> se s <br />  P1<br />  1 e e  P1  1 e e  <br />    <br /> <br /> trong đó, s là chòm sao tín hiệu điều chế.<br /> Nhận xét:<br /> - Từ phương trình phân bổ công suất phát (1) ta thấy công suất phát P2 tại nút chuyển<br /> tiếp sẽ tăng nếu giảm số ăng-ten tại mỗi nút chuyển tiếp N.<br /> - Số chuỗi RF yêu cầu tại mỗi nút chuyển tiếp là hai dẫn đến tăng độ phức tạp và giá<br /> thành cho mỗi nút chuyển tiếp.<br /> - Số bít hồi tiếp yêu cầu từ đích về các nút chuyển tiếp khi sử dụng giao thức DF theo<br /> công thức (6) là hai, khi sử dụng giao thức AF theo công thức (15) là một.<br /> 3. ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ KẾT HỢP TAS VÀ DSTC CHO HỆ THỐNG<br /> VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP MIMO<br /> Những nhận xét trong mục 2 là cơ sở để phát triển ý tưởng, đề xuất sơ đồ cho phép<br /> giảm số chuỗi RF và tăng công suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp. Mô hình sơ đồ đề xuất<br /> cơ bản giống như trong hình 1, điểm khác là các bít thông tin hồi tiếp từ nút đích về nút<br /> chuyển tiếp được sử dụng để lựa chọn ăng-ten phát TAS (Transmit Antenna Selection)<br /> thay vì dùng cho xoay pha tín hiệu phát như được thể hiện trong hình 2. Do đó, các giả<br /> thiết về kênh, tạp âm nhiệt và phân bổ công suất trong sơ đồ đề xuất vẫn giữ nguyên như<br /> mục 2. Sơ đồ đề xuất sử dụng giao thức DF hoặc AF tại nút chuyển tiếp và sẽ được phân<br /> tích chi tiết trong các tiểu mục sau đây.<br /> <br /> f11 R1 g11<br /> <br /> f21 g21<br /> <br /> <br /> f12 g12<br /> f22 g22<br /> R2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình đề xuất kết hợp TAS và DSTC cho mạng vô tuyến chuyển tiếp MIMO.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 47<br /> Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 3.1. Kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức DF<br /> Tiểu mục này sẽ trình bày sơ đồ kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức DF và kí<br /> hiệu là sơ đồ TAS/DSTC (DF). Quá trình truyền dẫn từ nút nguồn đến nút đích được thực<br /> hiện qua hai pha truyền dẫn.<br /> Pha truyền dẫn thứ nhất, nút nguồn phát chuỗi symbol thông tin s = [s1 s2]T đến các nút<br /> chuyển tiếp. Khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF để hạn chế ảnh hưởng của sự giải<br /> mã sai trong pha truyền dẫn thứ nhất mã kênh CRC được thêm vào. s = [s1 s2]T Do đó,<br /> nhóm tác giả giả thiết các nút chuyển tiếp có thể giải mã chính xác các symbol thông tin<br /> đã được phát đi từ nút nguồn.<br /> Trong pha truyền dẫn thứ hai, mỗi nút chuyển tiếp sẽ chọn ra một ăng-ten có độ lợi<br /> kênh truyền từ nó đến nút đích tốt nhất theo tiêu chuẩn lựa chọn ăng-ten phát sau [8]:<br /> 2<br /> u (k )  max gik víi k = 1, 2 (17)<br /> i 1,2<br /> <br /> <br /> trong đó, u (k ) là chỉ số của ăng-ten được chọn tại nút chuyển tiếp thứ k. Khi đó, véc-tơ độ<br /> lợi kênh truyền từ ăng-ten được chọn của nút chuyển tiếp thứ nhất, nút chuyển tiếp thứ hai<br /> đến nút đích được kí hiệu là g = [g1 g2]T. Sau đó, hai nút chuyển tiếp sử dụng ăng-ten đã<br /> chọn phối hợp với nhau để phát tín hiệu theo ma trận từ mã DSTC có dạng giống như ma<br /> trận từ mã được đề xuất bởi Alamouti [10] như sau:<br /> s s <br /> S =  1* 2*  . (18)<br />  s2 s1 <br /> Khi đó véc-tơ tín hiệu thu được tại nút đích r sẽ biểu diễn như sau:<br /> r  P2 Sg  z (19)<br /> T<br /> trong đó, z  z 1 z 2  là véc-tơ tạp âm nhiệt tại nút đích với mỗi phần tử được mô hình<br />  <br /> hóa bởi các biến ngẫu nhiên phức đồng xác suất, kỳ vọng bằng 0 và phương sai đơn vị. Hệ<br /> số nhân P2 trong phương trình (19) để đảm bảo rằng công suất phát cho mỗi symbol<br /> truyền dẫn tại mỗi ăng-ten của mỗi nút chuyển tiếp là P2 .<br /> Giải mã hợp lẽ cực đại ML (Maximum Likelihood) tại nút đích là:<br /> H<br /> <br /> <br /> ˆs  arg min r  P2 Sg<br /> ss<br />  r  P2 Sg  (20)<br /> <br /> với  s là không gian từ mã của tín hiệu điều chế.<br /> Nhận xét:<br /> - Do tính chất trực giao của ma trận từ mã Alamouti, hàm giải mã ML tại nút đích theo<br /> phương trình (20) vẫn đạt được độ phức tạp giải mã đơn symbol.<br /> - Nhờ sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát tại nút chuyển tiếp TAS, sơ đồ đề xuất<br /> đã giảm được một nửa số chuỗi RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp và có công suất phát<br /> tại mỗi ăng-ten nút chuyển tiếp lớn gấp đôi so với sơ đồ đề xuất bởi W. Qaja và các cộng<br /> sự trong bài báo [1] do số ăng-ten phát tại mỗi nút chuyển tiếp giảm một nửa.<br /> - Mỗi nút chuyển tiếp có hai ăng-ten, do đó số bít hồi tiếp cần thiết từ đích về các nút<br /> chuyển tiếp theo công thức (17) là 2 bít.<br /> <br /> <br /> 48 T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn… chuyển tiếp MIMO.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 3.2. Kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức AF<br /> Khi sử dụng giao thức DF độ lợi phân tập của hệ thống không được cam kết từ đầu<br /> cuối đến đầu cuối, độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp lớn. Do đó, giao thức DF không<br /> phù hợp với các mạng đòi hỏi tốc độ chuyển tiếp nhanh và bị hạn chế về nguồn tại các<br /> nút chuyển tiếp. Như đã phân tích trong mục 2.2, khi sử dụng giao thức AF đề xuất của<br /> Elazreg và các tác giả yêu cầu sử dụng tất cả chuỗi RF tại nút chuyển tiếp [2] và độ phức<br /> tạp giải mã tại nút đích sẽ cao [3]. Trong tiểu mục này sẽ trình bày sơ đồ đề xuất kết hợp<br /> TAS và DSTC sử dụng giao thức AF để giảm sỗ chuỗi RF sử dụng tại nút chuyển tiếp,<br /> tăng phẩm chất BER và giữ được độ phức tạp giải mã đơn symbol tại nút đích. Để đơn<br /> giản, trong bài báo này gọi là sơ đồ TAS/DSTC (AF).<br /> Ở pha thứ nhất, nút nguồn phát P1T s , trong đó P1 là công suất phát trung bình của nút<br /> nguồn trong một khe thời gian truyền dẫn (một chu kỳ symbol). Tín hiệu nhận được tại<br /> ăng-ten chuyển tiếp thứ i nút chuyển tiếp thứ k được kí hiệu là rik bị làm suy giảm bởi<br /> tạp âm nhiệt vik như sau:<br /> <br /> rik  PT<br /> 1<br /> fiks j  vik . (21)<br /> Nút chuyển tiếp thứ k sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn SC (Selection Combining) để<br /> chọn thu tín hiệu có độ lợi kênh truyền lớn nhất [11] theo tiêu chuẩn như sau:<br /> 2<br /> v (k )  max fik , víi k = 1, 2 (22)<br /> i 1,2<br /> <br /> <br /> trong đó, v (k ) là chỉ số của ăng-ten thu được chọn tại nút chuyển tiếp thứ k. Kí hiệu<br /> fk (k  1,2) là hệ số kênh truyền từ nút nguồn đến ăng-ten thu được chọn tại nút chuyển<br /> tiếp thứ k theo tiêu chuẩn (22). Như vậy, tín hiệu sau khi kết hợp lựa chọn tại nút chuyển<br /> tiếp thứ k có thể được viết dưới dạng véc-tơ như sau:<br /> rk  PT<br /> 1<br /> fk s  vk , (23)<br /> <br /> trong đó, vk là véc-tơ tạp âm nhiệt tại nút chuyển tiếp thứ k với các phần tử được mô hình<br /> hóa là các biến ngẫu nhiên phức kỳ vọng 0 phương sai đơn vị.<br /> Trong pha truyền dẫn thứ hai, ăng-ten phát được chọn tại nút chuyển tiếp thứ i sẽ<br /> chuyển tiếp véc-tơ tín hiệu ti . Lưu ý rằng, tiêu chuẩn chọn lựa ăng-ten phát khi sử dụng<br /> giao thức AF cũng giống như giao thức DF đã được trình bày trong mục 3.1 theo công<br /> thức (17). Kí hiệu x và z tương ứng là véc-tơ tín hiệu nhận được và véc-tơ tạp âm tại nút<br /> đích thì ta có:<br /> t 2  g   z.<br /> x   t1 (24)<br />  <br /> Tín hiệu phát tại nút chuyển tiếp thứ k được thiết kế là một hàm tuyến tính của tín hiệu<br /> thu được và liên hợp phức của nó như sau:<br /> P2 P2PT P2<br /> tk <br /> P1 1<br /> A r<br /> k k <br />  Bk rk  1<br /> <br /> P 1<br /> f A s  f B s <br /> k k k<br /> *<br /> k<br /> P1  1<br /> A v<br /> k k <br />  Bk vk . (25)<br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 49<br /> Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Ma trận phân tán được sử dụng để tạo nên ma trận từ mã Alamouti [10] tại nút đích và<br /> P2<br /> được biểu diễn như công thức (11). Hệ số chuẩn hóa trong phương trình (25) để<br /> P1  1<br /> đảm bảo rằng P2 là công suất phát trung bình cho mỗi symbol truyền dẫn tại mỗi khe thời<br /> gian ở mỗi nút chuyển tiếp. Để đơn giản trong trình bày, định nghĩa:<br /> ˆ  A , fˆ  f , v<br />  A ˆk  vk , s(k )  s nÕu Bk  0<br /> k k k k<br /> ˆ ˆ *<br /> ˆk  vk , s(k )  s<br /> Ak  Bk , fk  fk , v nÕu Ak  0<br /> <br /> Khi đó, phương trình (25) có thể viết dưới dạng sau:<br /> P2PT ˆ s( k )  P2 ˆ<br /> tk  1<br /> fˆk A k<br /> Avˆ. (26)<br /> P1  1 P1  1 k k<br /> <br /> Thay ti từ phương trình (26) vào phương trình (24) ta nhận được véc-tơ tín hiệu thu tại<br /> nút đích:<br /> P2PT (27)<br /> x 1<br /> Ch   n<br /> P1  1<br /> <br /> ˆ s(1)<br /> trong đó: C   A ˆ s(k )  là ma trận từ mã Alamouti [10] phân tán DSTC được tạo<br /> A<br /> 1 k <br /> T<br /> thành tại nút đích, h =  fˆ1g1 fˆk gk  là véc-tơ độ lợi kênh truyền tương đương, và<br />  <br /> P2 2<br /> n<br /> P1 1<br />  g Aˆ vˆ<br /> k 1<br /> k k k<br /> z (28)<br /> <br /> với n, z là véc-tơ tạp âm nhiệt tương đương và véc-tơ tạp âm nhiệt của riêng tại nút đích.<br /> <br /> Giả thiết nút đích biết thông tin trạng thái kênh từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp fik và từ<br /> nút chuyển tiếp đến nút đích gik . Do đó, giải mã ML tại nút đích có thể được viết như sau:<br /> H<br />     <br /> <br />   arg min  x  P PT P2PT (29)<br /> C 2 1<br /> Ch  x  1<br /> Ch  <br />  <br /> C c<br /> <br />  P1<br />  1   P1  1  <br />    <br /> <br /> với  c là không gian từ mã của tín hiệu điều chế.<br /> Nhận xét:<br /> - So sánh phương trình tín hiệu thu (27) với phương trình tín hiệu thu tại nút đích của<br /> hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chặng được sự chuyển tiếp tín hiệu bởi hai nút chuyển<br /> tiếp, mỗi nút chuyển tiếp được trang bị hai ăng-ten đề xuất bởi Yindi và các cộng sự [3]<br /> chúng ta thấy: i) Sơ đồ đề xuất giảm được một nửa số chuỗi RF yêu cầu nhờ sử dụng kỹ<br /> thuật kết hợp lựa chọn thu SC và kỹ thuật TAS ở pha truyền dẫn thứ hai. ii) Sơ đồ đề xuất<br /> có công suất phát tại mỗi ăng-ten ở mỗi nút chuyển tiếp là P2  P / (2R) trong khi sơ đồ<br /> theo đề xuất của Yindi là P2  P / (4R) do có số ăng-ten phát tại mỗi nút chuyển tiếp lớn<br /> <br /> <br /> <br /> 50 T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn… chuyển tiếp MIMO.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> gấp đôi. iii) Sơ đồ đề xuất được truyền dẫn bởi các kênh truyền có độ lợi lớn nhất nhờ sử<br /> dụng kỹ thuật SC ở pha truyền dẫn thứ nhất và TAS ở pha truyền dẫn thứ hai. iv) Sơ đồ đề<br /> xuất phải chấp nhận tăng độ phức tạp khi yêu cầu kênh hồi tiếp từ nút đích về các nút<br /> chuyển tiếp so với sơ đồ của Yindi đề xuất.<br /> - Sơ đồ đề xuất vẫn giữ được độ phức tạp giải mã ML tuyến tính đơn symbol tại nút<br /> đích do vẫn sử dụng ma trận từ mã DSTC Alamouti trực giao tại nút chuyển tiếp.<br /> - Tương tự sơ đồ đề xuất cũng tăng được gấp đôi công suất phát và giảm một nửa số<br /> chuỗi RF yêu cầu so với sơ đồ được đề xuất bởi A. M. Elazreg và các cộng sự [2].<br /> - Số bít hồi tiếp yêu cầu từ nút đích về các nút chuyển tiếp trong sơ đồ sử dụng giao<br /> thức AF theo công thức (17) là 2 bít.<br /> 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> Mục này trình bày các kết quả mô phỏng để đánh giá phẩm chất sơ đồ đề xuất theo cả<br /> giao thức DF và AF. Các tham số đưa vào mô phỏng là: sử dụng điều chế QPSK, giải mã<br /> ML tại nút đích. Phẩm chất tỉ lệ lỗi bít BER của hệ thống được xem như hàm số của công<br /> suất phát tại nút nguồn P1 cho cả hai giao thức. Kênh hồi tiếp được giả thiết coi như không<br /> trễ và không lỗi.<br /> 4.1. Đánh giá chất lượng BER khi sử dụng giao thức DF<br /> Phẩm chất BER của sơ đồ đề xuất khi sử dụng giao thức DF được so sánh với sơ đồ sử<br /> dụng mã DCL-EO-STBC được W. Qaja và các cộng sự đề xuất [1]. Lưu ý trong [1] các<br /> tác giả xem xét cho mạng đồng bộ hoàn hảo PS (Perfect Synchronous) và không đồng bộ<br /> AS (Asynchronous). Tuy nhiên, trong giới hạn bài báo này nhóm tác giả chỉ so sánh sơ đồ<br /> đề xuất DSTC/TAS sử dụng giao thức DF với mã DCL-EO-STBC do W. Qaja đề xuất khi<br /> mạng được giả thiết đồng bộ hoàn hảo. Hình 3 cho thấy sơ đồ đề xuất đạt được cùng phẩm<br /> chất BER so với mã DCL-EO-STBC. Trong khi đã giảm được số chuỗi RF của sơ đồ đề<br /> xuất đi một nửa so với sơ đồ do W. Qaja và các cộng sự đã đề xuất.<br /> 0 0<br /> 10 10<br /> DCL-EO-STBC (DF) [1]<br /> -1 Proposed TAS/DSTC (DF)<br /> 10 -1<br /> 10<br /> <br /> -2<br /> 10 -2<br /> 10<br /> -3<br /> 10<br /> BER<br /> BER<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -3<br /> 10<br /> -4<br /> 10<br /> -4<br /> 10<br /> -5<br /> 10<br /> <br /> -5<br /> -6 10 DCL-EO STBC (AF) [2]<br /> 10<br /> DSTC (AF) [3]<br /> Proposed TAS/DSTC (AF)<br /> -7 -6<br /> 10 10<br /> 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35<br /> P1 in dB P1 in dB<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Phẩm chất BER của sơ đồ Hình 4. Phẩm chất BER của sơ đồ<br /> TAS/DSTC với giao thức DF. TAS/DSTC với giao thức AF.<br /> 4.2. Đánh giá chất lượng BER khi sử dụng giao thức AF<br /> Trong phần này trình bày kết quả mô phỏng phẩm chất BER của sơ đồ đề xuất sử dụng<br /> giao thức AF so sánh với sơ đồ có kênh hồi tiếp từ đích về nút chuyển tiếp sử dụng mã<br /> DCL-EO-STBC do A. M. Elazreg và các cộng sự đề xuất [2] và sơ đồ không có kênh hồi<br /> tiếp sử dụng mã DSTC do Yindi và các cộng sự đề xuất [3]. Trong [2], Elazreg đề xuất sử<br /> dụng mã DCL-EO-STBC với một bít hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp để hệ<br /> thống đạt được tăng ích phẩm chất hồi tiếp. Ngược lại, trong [3] Yindi không sử dụng<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 51<br /> Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> kênh hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp. Nhưng để nâng cao phẩm chất hệ thống<br /> Yindi đề xuất phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa MRC (Maximum Ratio Combining) cho thu<br /> tín hiệu từ nút nguồn phát đến các ăng-ten tại nút chuyển tiếp ở pha truyền dẫn thứ nhất.<br /> Lưu ý rằng cả sơ đồ của Elazreg [2] và Yindi [3] đều sử dụng toàn bộ các ăng-ten tại nút<br /> chuyển tiếp, trong khi sơ đồ đề xuất TAS/DSTC chỉ sử dụng một ăng-ten cho thu và một<br /> ăng-ten cho phát tín hiệu tại mỗi nút chuyển tiếp.<br /> Hình 4 cho thấy tại phẩm chất BER = 103 sơ đồ đề xuất yêu cầu công suất phát tại nút<br /> nguồn giảm 3.5 dB so với sơ đồ do Elazreg đề xuất và giảm khoảng 5 dB so với sơ đồ Yindi<br /> và các cộng sự đề xuất. Phẩm chất của sơ đồ đề xuất tăng lên do công suất phát tại mỗi nút<br /> chuyển tiếp chỉ dùng cho một ăng-ten phát. Ngược lại, sơ đồ do Elazreg và Yindi đề xuất,<br /> công suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp phải chia đều cho hai ăng-ten để phát tín hiệu. Để<br /> tăng được phẩm chất BER, sơ đồ đề xuất cũng phải trả giá là tăng số bít hồi tiếp so với sơ đồ<br /> của Elazreg và phải sử dụng kênh hồi tiếp so với sơ đồ của Yindi. Lưu ý rằng sơ đồ đề xuất<br /> đã giảm được một nửa số chuỗi RF yêu cầu tại nút chuyển tiếp so với các sơ đồ đề xuất bởi<br /> Elazreg và Yindi. Bảng 1 dưới trình bày chi tiết phẩm chất của sơ đồ đề xuất.<br /> Bảng 1. So sánh phẩm chất của sơ đồ đề xuất và các đề xuất trước đây.<br /> Số chuỗi RF yêu cầu tại Công suất phát yêu cầu tại Giao thức sử dụng<br /> mỗi nút chuyển tiếp BER  103 tại nút chuyển tiếp<br /> DCL-EO STBC [1] 2 P1  11.5 (dB ) DF<br /> DCL-EO STBC [2] 2 P1  19 (dB ) AF<br /> DSTC [3] 2 P1  20 (dB ) AF<br /> <br /> Sơ đồ đề xuất P1  11.5 (dB ) (giao thức DF)<br /> 1 DF hoặc AF<br /> TAS/DSTC P1  15 (dB ) (giao thức AF)<br /> <br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã đề xuất một sơ đồ xử lý tín hiệu mới kết hợp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát<br /> TAS và mã DSTC cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp MIMO với sự hỗ trợ của kênh hồi tiếp<br /> từ nút đích về nút chuyển tiếp. Sơ đồ đề xuất cho phép giảm số chuỗi cao tần RF yêu cầu tại<br /> các nút chuyển tiếp trong khi vẫn thu được tăng ích phân tập như hệ thống sử dụng toàn bộ<br /> ăng-ten tại các nút chuyển tiếp. Phẩm chất BER của sơ đồ đề xuất đã được phân tích và minh<br /> chứng thông qua mô phỏng Monte Carlo là tốt hơn so với các sơ đồ sử dụng toàn bộ ăng-ten<br /> tại nút chuyển tiếp để phát mã DCL-EO STBC [2] và mã DSTC [3] khi dùng giao thức AF<br /> đã được đề xuất trước đây. Ngoài ra, sơ đồ mới còn cho phép sử dụng giao thức DF hoặc AF<br /> tại nút chuyển tiếp trong khi vẫn giữ được độ phức tạp giải mã đơn symbol tại nút đích. Độ<br /> phức tạp của sơ đồ đề xuất tăng lên ở mức có thể chấp nhận được trong thực tế.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. W. M. Qaja, A. M. Elazreg, and J. A. Chambers, "Near-optimum detection scheme<br /> with relay selection technique for asynchronous cooperative relay networks," IET<br /> Communications, vol. 8, no.8, May 2014, pp. 1347-1354.<br /> [2]. A. M. Elazreg and J. A. Chambers, "Distributed one bit feedback extended<br /> orthogonal space time coding based on selection of cyclic rotation for cooperative<br /> relay networks," in Proc. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and<br /> Signal Processing (ICASSP), Prague, Czech Republic, May 2011, pp. 3340-3343.<br /> [3]. J. Yindi, "Combination of MRC and Distributed Space-Time Coding in Networks with<br /> Multiple-Antenna Relays," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 9,<br /> no. 8, Aug. 2010, pp. 2550-2559.<br /> <br /> <br /> 52 T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn… chuyển tiếp MIMO.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [4]. J. Yindi and H. Jafarkhani, "Using Orthogonal and Quasi-Orthogonal Designs in<br /> Wireless Relay Networks," Journal of IEEE Transactions on Information Theory, vol.<br /> 53, no. 11, Nov. 2007, pp. 4106-4118.<br /> [5]. J. Yindi and B. Hassibi, "Distributed Space-Time Coding in Wireless Relay<br /> Networks," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 5, no 12, Dec.<br /> 2006, pp. 3524-3536.<br /> [6]. W. Qaja, A. Elazreg, and J. Chambers, "Near-Optimum Detection for Use in Closed-<br /> Loop Distributed Space Time Coding with Asynchronous Transmission and Selection<br /> of Two Dual-Antenna Relays," in Proc. Wireless Conference (EW), Proceedings of<br /> the 2013 19th European, Guildford, UK, Apr. 2013, pp. 1-6.<br /> [7]. B. Özbek and D. L. Ruyet, Feedback Strategies for Wireless Communication:<br /> Springer Science+Business Media New York, 2014.<br /> [8]. D. A. Gore and A. J. Paulraj, "MIMO antenna subset selection with space-time<br /> coding," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 50, no. 10, Nov. 2002, pp. 2580-2588.<br /> [9]. Z. Chen, I. B. Collings, Z. Zhou, and B. Vucetic, "Transmit antenna selection<br /> schemes with reduced feedback rate," IEEE Transactions on Wireless<br /> Communications, vol. 8, no. 2, Feb. 2009, pp. 1006-1016.<br /> [10]. S. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE<br /> Journal on Selected Areas in Communications vol. 16, no. 8, 1998, pp. 1451-1458.<br /> [11]. K. Ning, "Performance Comparison Among Conventional Selection Combining,<br /> Optimum Selection Combining and Maximal Ratio Combining," in Proc. IEEE<br /> International Conference on Communications, 2009. ICC '09., Dresden, Jun. 2009, pp. 1-6.<br /> ABSTRACT<br /> COMBINATION OF TRANSMIT ANTENNA SELECTION AND DISTRIBUTED<br /> SPACE-TIME CODING FOR MIMO RELAY WIRELESS NETWORKS<br /> This paper proposes a new transmission scheme for MIMO (multiple input<br /> multiple output) relay wireless networks, in which transmit antenna selection TAS is<br /> combined with DSTC (distributed space-time code) in order to achieve diversity<br /> gain and reduce the number of transmit radio frequency RF chains at relays. Based<br /> on the channel gain from relay antennas to the destination antenna, each relay<br /> selects one the best antenna to transmit DSTC to the destination node. The bit error<br /> rate BER performance evaluation of the proposed TAS/DSTC scheme is<br /> accomplished by Monte-Carlo simulations and is compared with the same of<br /> previous DCL-EO STBC (Distributed Close Loop-Extended Orthogonal STBC)<br /> schemes using all antenna at the relay node. The comparison results show that the<br /> proposed scheme has better BER performance than the DCL-EO STBC scheme<br /> with AF (amplify-and-forward) protocol.<br /> Keywords: Wireless relay network, Transmit antenna selection, Space-time coding, Distributed close-loop<br /> extended orthogonal space-time block code.<br /> Nhận bài ngày 21 tháng 3 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 21 tháng 4 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016<br /> 1<br /> Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> 2<br /> Trung tâm Phát thanh - Truyền hình Quân đội ;<br /> 3<br /> Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp.<br /> *<br /> E-mail: nghiepsqtt@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 53<br />
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2