Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu bộ tách tín hiệu trong các hệ thống SM-STBC: Mô hình, thuật toán và thực thi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận án là nghiên cứu và thiết kế các kiến trúc phần cứng cho các bộ tách tín hiệu phía thu sử dụng trong hệ thống điều chế không gian tốc độ cao, trong đó chú ý đến việc sử dụng bộ tách tín hiệu cận tối ưu Sphere Detector và các bộ tách tín hiệu tuyến tính. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu bộ tách tín hiệu trong các hệ thống SM-STBC: Mô hình, thuật toán và thực thi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN NGHĨA NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG SM-STBC: MÔ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ THỰC THI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN NGHĨA NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG SM-STBC: MÔ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ THỰC THI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. PHẠM NGỌC NAM TS. NGÔ VŨ ĐỨC HÀ NỘI - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, hình ảnh, tài liệu được nêu trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đó. Hà Nội, ngày 26 tháng 01 năm 2021 Tác giả Nguyễn Xuân Nghĩa Người hướng dẫn khoa học Phạm Ngọc Nam Ngô Vũ Đức
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian vừa qua, được học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nghiên cứu sinh đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của quý thầy cô nơi đây. Với tất cả lòng biết ơn, nghiên cứu sinh xin gửi đến quý thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến các thầy giáo hướng dẫn là PGS.TS Phạm Ngọc Nam và TS. Ngô Vũ Đức. Các Thầy đã luôn luôn hướng dẫn tận tình, chia sẻ và truyền động lực cũng như kinh nghiệm cho nghiên cứu sinh vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu luận án này. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các nghiên cứu sinh cùng khóa đã luôn đông viên, giúp đỡ, chia sẻ các khó khăn giúp nghiên cứu sinh chuyên tâm nghiên cứu và đạt được những kết quả như ngày hôm nay.
MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HRSM VÀ CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU PHÍA THU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1. Hệ thống HRSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.1. Tổng quan về hệ thống MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.2. Hệ thống HRSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2.2. Ưu điểm của HRSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2. Tổng quan các bộ tách tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.1. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.1.1. Bộ tách tín hiệu ZF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.1.2. Bộ tách tín hiệu MMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.2. Các bộ tách tín hiệu phi tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.2.1. Bộ tách tín hiệu QRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.2.2. Bộ tách tín hiệu V-BLAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.2.3. Bộ tách tín hiệu MLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 i
1.2.2.4. Bộ tách tín hiệu SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.3. Một số bộ tách tín hiệu phức tạp khác . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.3.1. Bộ tách tín hiệu MSQRD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.3.2. Bộ tách tín hiệu ISQRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.3.3. Bộ tách tín hiệu cầu SESD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.2.3.4. Bộ tách tín hiệu cầu FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3. Bối cảnh nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Chương 2. THUẬT TOÁN TÁCH TÍN HIỆU VÀ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1. Cải tiến bộ tách tín hiệu ISQRD trong hệ thống HRSM . . 50 2.1.1. Đề xuất bộ tách tín hiệu EISQRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.2. Đề xuất ánh xạ từ mã SC tối ưu (Opti-SC). . . . . . . . . . . 52 2.1.3. Kết quả cải tiến thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.1.3.1. Độ phức tạp tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.1.3.2. Phẩm chất BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.2. Thiết kế hệ thống mã khối không gian-thời gian sử dụng điều chế không gian tốc độ cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.1. Đặt vấn đề thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.2. Xây dựng hệ thống HRSM-STBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.2.2.1. Thiết kế từ mã STBC X và từ mã SC cho hệ thống HRSM- STBC 4 ăng-ten phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.2.2.2. Thiết kế từ mã SC cho hệ thống HRSM có nhiều hơn 4 ăng-ten phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 ii
2.2.2.3. Tách tín hiệu trong hệ thống HRSM-STBC . . . . . . . . . 67 2.2.3. Tối ưu hiệu suất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.2.3.1. Tối ưu góc xoay α . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.3.2. Tối ưu góc xoay θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.2.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.3. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Chương 3. THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG CHO CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.1. Thiết kế kiến trúc bộ tách tín hiệu MSQRD . . . . . . . . . . . . . . 78 3.1.1. Kiến trúc phần Sorted Modified Gram-Schmidt . . . . . . . 78 3.1.2. Kiến trúc phần thuật toán tách tín hiệu MSQRD . . . . . 80 3.1.3. Kết quả triển khai thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2. Thiết kế kiến trúc bộ tách tín hiệu SESD . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2.1. Thiết kế kiến trúc mức đỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2.2. Thiết kế kiến trúc chi tiết các khối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2.3. Kết quả triển khai thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3. Thiết kế kiến trúc bộ tách tín hiệu FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.1. Kiến trúc phần SQRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.3.2. Kiến trúc phần tách sóng FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.3. Kết quả triển khai thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt CSTSK Coherent Space Time Khóa dịch chuyển không Shift Keying gian thời gian kết hợp DSTTD Double Space Time Phân tập phát không Transmit Diversity gian-thời gian kép STSK Space Time Shift Keying Khóa dịch không gian- thời gian BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bit bpcu Bit per Channel Use Số bit truyền đi trên một lần sử dụng kênh truyền DSTTD Double Space Time Phân tập phát không Transmit Diversity gian-thời gian kép DT-SM Double Space Time Điều chế không gian kết Coded Spatial Modula- hợp mã không gian-thời tion gian kép EISQRD Enhanced ISQRD Bộ tách tín hiệu ISQRD cải tiến flop Floating Point Operation Phép tính dấu phẩy động FSD Fixed Sphere Decoder Bộ tách tín hiệu cầu cố định iv
GSM Generalized Spatial Điều chế không gian tổng Modulation quát HRSM High-Rate Spatial Modu- Điều chế không gian tốc lation độ cao HR-STBC-SM High Rate Space Time Điều chế không gian kết Block Code Spatial Mod- hợp mã khối không gian- ulation thời gian tốc độ cao IAS Inter Antenna Synchro- Đồng bộ ăng-ten phát nization ICI InterChannel Interfer- Nhiễu xuyên kênh ence IEEE Institute of Electri- Hiệp hội các kỹ sư điện – cal and Electronics điện tử Engineers ISQRD Improved-MMSE-SQRD Bộ tách tín hiệu MMSE- SQRD cải tiến ISQRD Improved Sorted QR De- Phân tích QR sắp xếp composition nâng cao LMS Least Mean Square Bình phương trung bình nhỏ nhất LS Least Square Bình phương nhỏ nhất MBLAST Modified Bell Laborato- Không gian-thời gian ries Layered Space-Time phân lớp của phòng thí nghiệm Bell cải tiến MGS Modified Gram – Modified Gram – Schmidt Schmidt v
MIMO Multi-Input, Multi- Hệ thống nhiều ăng-ten Output thu phát ML Maximum Likelihood Cực đại hợp nhẽ MLD Maximum Likelihood Tách tín hiệu hợp nhẽ cực Detection đại MM Matrix Multiplication Khối nhân ma trận MMSE Minimim Mean-Square Sai số bình phương trung Error bình tối thiểu MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình MSQRD Modified Sorted QR De- Phân tích QR sắp xếp cải composition tiến OSTBC Orthogonal Space Time Mã khối không gian-thời Block Coding gian trực giao PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương QPSK Quadrature Phase Shift Khóa dich vuông pha Keying đồng bộ QRD QR decomposition based Bộ tách tín hiệu dựa trên Detector phân tích QR RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SC Spatial Codeword Từ mã không gian SD Sphere Detector Bộ tách sóng cầu vi
SESD Sphere Detection with Tách sóng cầu với Schnerr-Euchnerr phương pháp liệt kê Schnorr-Euchnerr SIC Successive Interference Triệt nhiễu nối tiếp Cancellation SINR Signal to Interference Tỉ số tín hiệu trên tạp âm plus Noise Ratio cộng nhiễu SM Spatial Modulation Điều chế không gian SM-OSTBC Spatially Modulated Mã khối không gian-thời Orthogonal Space Time gian trực giao kết hợp Block Code điều chế không gian SM-STBC Spatial Modulation Điều chế không gian kết - Space-Time Block hợp mã khối không gian- Coding thời gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SQRD Sorted QR Decomposi- Phân tách QR có sắp xếp tion SSK Space Shift Keying Khóa dịch không gian STBC Space-Time Block Cod- Mã hóa khối không gian- ing thời gian STE Space-Time Encoder Bộ mã hóa không gian- thời gian TC Threshold Comparison Khối so sánh ngưỡng TOSD-SSK Time Orthogonal Signal Khóa dịch chuyển không Design Space Shift Key- gian thiết kế tín hiệu trực ing giao thời gian vii
V-BLAST Vertical-Bell Laborato- Không gian-thời gian ries Layered Space-Time tuần tự theo lớp của phòng thí nghiệm Bell VLSI Very-large-scale integra- Tích hợp với quy mô rất tion lớn ZF Zero Forcing Cưỡng bức bằng không viii
DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Mô hình hệ thống MIMO (nguồn[10]). . . . . . . . . . . . 15 1.2 Các phương thức truyền tin trong MIMO (nguồn: [2]). . . 16 1.3 Mô hình hệ thống HRSM (nguồn [3]). . . . . . . . . . . . . 18 1.4 Phẩm chất BER giữa HRSM, SM và GSM với cùng hiệu suất phổ 6 bpcu (nguồn: [3]). . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5 Phẩm chất BER giữa HRSM, Alamouti’s STBC, SM- STBC, và V-BLAST với cùng hiệu suất phổ là 10 bpcu (nguồn: [3]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.6 Sơ đồ phát triển của một số bộ tách tín hiệu cơ bản trong MIMO và HRSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.7 Lưu đồ thuật toán Sorted Modified Gram – Schmidt. . . . 30 1.8 Lưu đồ thuật toán trong bộ tách tín hiệu MSQRD. . . . . 31 1.9 Tóm tắt thuật toán tách tín hiệu ISQRD. . . . . . . . . . . 34 1.10 Mô tả dàn của bộ SD (nguồn: [10]). . . . . . . . . . . . . . 35 1.11 Hai cách liệt kê theo phương pháp Schnorr-Euchner. . . . . 38 1.12 Ví dụ cách liệt kê (duyệt điểm) của thuật toán FSD trong hệ thống 4 × 4 điều chế 16-QAM. . . . . . . . . . . . 40 1.13 So sánh phẩm chất BER giữa bộ tách tín hiệu FSD và SESD trong hệ thống MIMO 4×4 sử dụng điều chế 16-QAM.41 1.14 So sánh độ phức tạp giữa bộ tách tín hiệu FSD và SESD trong hệ thống MIMO 4 × 4 sử dụng điều chế 16-QAM. . . 42 ix
2.1 Lưu đồ thuật toán tách tín hiệu Enhanced ISQRD. . . . . 52 2.2 Chòm sao tín hiệu phía thu trong hệ thống HRSM 4 × 4. . 53 2.3 Ví dụ về cách áp dụng ánh xạ Gray cho các từ mã SC . . . 54 2.4 So sánh độ phức tạp tính toán các bộ tách tín hiệu ML, ISQRD và EISQRD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.5 Phẩm chất BER các bộ tách tín hiệu với nT = nR = 4, 16-QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.6 Phẩm chất BER các bộ tách tín hiệu với nT = nR = 4; 8, 8-PSK/16-QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.7 Mô hình hệ thống HRSM-STBC [38] . . . . . . . . . . . . 63 2.8 Hiệu suất phổ được cung cấp bởi điều chế không gian trong các hệ thống SM, STBCSM, STBC-CSM và HRSM- STBC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.9 Phẩm chất BER của các hệ thống SM, SM-STBC, STBC- CSM, DT-SM và HRSM- STBC ở mức 6 bpcu và nR = 4. . 73 2.10 Phẩm chất BER của các hệ thống SM-STBC, SM-OSTBC C(8, 4, 4), DT-SM, và HRSM-STBC ở mức 9 bpcu và nR = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.1 Kiến trúc phần cứng cho thuật toán Sorted MGS. . . . . . 78 3.2 Chu trình pipeline 8 – Clock trong kiến trúc Sorted MGS. 79 3.3 Kiến trúc phần cứng cho thuật toán tách tín hiệu MSQRD. 81 3.4 Khối so sánh ngưỡng TC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5 Kiến trúc mức đỉnh của SESD. . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Các giai đoạn pipeline cho bộ tách sóng SESD. . . . . . . . 85 3.7 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED1. . . . . . . . . . . . . 85 3.8 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED2. . . . . . . . . . . . . 86 x
3.9 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED3. . . . . . . . . . . . . 86 3.10 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED4. . . . . . . . . . . . . 87 3.11 Sơ đồ thiết kế tổng thể của bộ tách tín hiệu FSD . . . . . 91 3.12 Sơ đồ thiết kế tổng thể của bộ tách tín hiệu . . . . . . . . 91 3.13 Kiến trúc SQRD giai đoạn X th , với X ∈ {1, 2, 3} . . . . . . 92 3.14 Kiến trúc khối Updater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.15 Kiến trúc SQRD giai đoạn 4th . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.16 Biểu đồ thời gian của khối SQRD . . . . . . . . . . . . . . 93 3.17 Kiến trúc khối Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.18 Kiến trúc sơ đồ thiết kế tổng thể của khối FSD . . . . . . 95 3.19 Kiến trúc khối PED 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.20 Kiến trúc khối PED 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.21 Kiến trúc khối PED 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.22 Kiến trúc khối PED 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.23 Sơ đồ pipeline khối FSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 xi
DANH MỤC BẢNG 1.1 So sánh hiệu suất phổ HRSM và SM khi nT = 2, 4, 8, tín hiệu phát điều chế QPSK/4-QAM, 16-QAM và 64-QAM.22 2.1 Các giá trị góc xoay tối ưu trong hệ thống HRSM-STBC. . 72 3.1 So sánh kết quả triển khai thiết kế kiến trúc bộ tách sóng MSQRD với các công trình nghiên cứu khác. . . . . . 83 3.2 Kết quả tổng hợp thiết kế SESD trên Virtex2-XC2V6000. . 88 3.3 So sánh kết quả tổng hợp kiến trúc SESD. . . . . . . . . . 89 3.4 So sánh kết quả triển khai thiết kế khối SQRD . . . . . . . 100 3.5 So sánh kết quả triển khai thiết kế khối FSD . . . . . . . . 101 xii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa. nT Số lượng ăng-ten phát. nR Số lượng ăng-ten thu. a Ký hiệu một số vô hướng. a Ký hiệu một véc-tơ. A Ký hiệu một ma trận. aij Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A. AH Chuyển vị liên hợp phức (Hermit) của ma trận A. AT Chuyển vị của ma trận A. A∗ Liên hợp phức của ma trận A. x∗ Liên hợp phức của x. < (x) Phép toán lấy phần thực của x. = (x) Phép toán lấy phần ảo của x. H Ma trận kênh truyền. x Véc-tơ tín hiệu phát. N Ma trận tạp âm. n Véc-tơ tạp âm. Y Ma trận tín hiệu thu. y Véc-tơ tín hiệu thu. I Ma trận đơn vị. M Bậc tín hiệu điều chế. xiii
γ Tỉ số SNR trung bình tại mỗi ăng-ten máy thu. Es Năng lượng trung bình của tín hiệu điều chế. |a| Modul của số phức a. Ωx Chòm sao tín hiệu điều chế. hi Cột thứ i của ma trận H. d.e Phép làm tròn lên số nguyên gần nhất. b.c Phép làm tròn xuống số nguyên gần nhất. b.e Phép lấy phần nguyên trong tập các số thực R. bηc2p Toán tử trả về lũy thừa cơ số 2 gần nhất nhỏ hơn hoặc bằng η xiv
MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ dữ liệu di động của người dùng không ngừng tăng nhanh. Các dịch vụ dữ liệu di động rất đa dạng về chủng loại như xem phim trực tuyến, truyền hình, chơi điện tử online hay dẫn đường. . . . Các dịch vụ này cũng yêu cầu chất lượng ngày càng cao làm cho dung lượng dữ liệu mà các hệ thống thông tin di động phải phục vụ tăng rất nhanh. Theo dự báo của Cisco, tới năm 2022, lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu sẽ dự kiến đạt 77,5 EB mỗi tháng, tăng gấp bảy lần so với 2017 [1]. Để đáp ứng sự tăng trưởng nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu, các hệ thống thông tin di động đang không ngừng được cải tiến và áp dụng các kỹ thuật mới nhằm đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu nhanh, dung lượng lớn, chất lượng truyền tin cao, độ trễ truyền dẫn nhỏ. . . Kỹ thuật thu phát tín hiệu sử dụng nhiều ăng-ten tại cả máy phát và máy thu (MIMO) là giải pháp hữu hiệu để cải thiện không chỉ tốc độ truyền dữ liệu mà còn cả phẩm chất lỗi bit (BER) của hệ thống. Dựa trên cách truyền dữ liệu, các hệ thống MIMO có thể phân thành ba dạng chính là SMX, STBC và SM. Cả ba dạng này, mỗi dạng đều có một đặc trưng, ưu điểm riêng. Các hệ thống SMX đặc trưng bởi tốc độ truyền dữ liệu cao, đem lại độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho phép gia tăng tốc độ truyền dẫn tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng. STBC đem lại độ lợi phân tập (diversity gain) nhằm cải thiện phẩm chất tín hiệu BER, tăng độ tin cậy trong việc truyền dữ liệu. Còn SM giảm độ phức tạp khi tách sóng 1
ở phía thu, đồng thời cung cấp phẩm chất BER tốt do không chịu ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI) và vấn đề về đồng bộ ăng-ten phát (IAS) [2]. Tuy nhiên, nhược điểm của các hệ thống SM nguyên thủy là có hiệu suất phổ kém. Để giải quyết vấn đề phổ kém của hệ thống SM nguyên thủy, một mô hình hệ thống MIMO khác là Điều chế không gian tốc độ cao (HRSM: High-Rate Spatial Modulation) đã được Nguyễn Thu Phương và cộng sự đề xuất tại công trình số [3]. Mô hình này được phát triển dựa trên khái niệm chòm sao không gian (Spatial Constellation) và từ mã SC [4, 5]. Khác với hệ thống SM nguyên thủy với chỉ một khối bit được dùng để lựa chọn ăng-ten phát nào được kích hoạt, thì HRSM sẽ kích hoạt toàn bộ các ăng-ten phát, đồng thời sử dụng từ mã SC để mã hóa tín hiệu vào chỉ số các ăng-ten và truyền từ mã thông qua điều chế biên độ cầu phương (QAM) hoặc điều chế pha PSK (Phase-shift keying). Từ mã SC này được tạo bằng cách cố định phần tử đầu tiên bằng 1, các phần tử còn lại được lựa chọn trong tập ±1, ±j . Sau khi nhân với từ mã SC, tín hiệu điều chế ban đầu có thể được giữ nguyên hoặc quay pha trực giao để phát trên những ăng-ten khác nhau. Chính vì vậy nên hệ thống HRSM có ưu điểm là phẩm chất BER tốt hơn do ít nhiễu ICI và IAS hơn một số hệ thống SMX trước đó, như hệ thống SM-STBC [6]. Đồng thời, HRSM cung cấp hiệu suất phổ cao hơn đáng kể so với phương pháp điều chế không gian trong công trình số [7] và điều chế không gian tổng quát (GSM) trong công trình số [8, 9]. Ở phía thu của các hệ thống MIMO kích hoạt nhiều ăng-ten phát nói chung và HRSM nói riêng, tín hiệu thu được là tổng hợp các tín 2