- Trang Chủ
- Kĩ thuật Viễn thông
- Áp dụng tiêu chí tốc độ thông tin cực đại trong thiết kế tiền mã hóa và giải mã cho hệ thống MINO hai chặng có kênh trải trễ
Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Áp Dụng Tiêu Chí Tốc Độ Thông Tin Cực Đại
trong Thiết Kế Tiền Mã Hóa và Giải Mã cho
Hệ Thống MIMO Hai Chặng có Kênh Trải Trễ
Trần Thị Thu Hƣơng và Phạm Thanh Hiệp
Khoa Vô tuyến điện tử
Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email: huongttt_10385@mta.edu.vn; phamthanhhiep@gmail.com
Abstract— Hệ thống thông tin vô tuyến đa đầu vào - đa Trạm chuyển tiếp có thể đƣợc phân loại theo nhiều
đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) cài đặt cách khác nhau. Cách phân loại thứ nhất dựa trên
trạm chuyển tiếp tạo thành hệ thống MIMO đa chặng, có phƣơng pháp xử lý tín hiệu, trạm chuyển tiếp chia
khả năng nâng cao dung lượng hệ thống, tăng diện tích thành ba loại là khuếch đại và chuyển tiếp (AF:
vùng phủ sóng và khoảng cách truyền tin. Hiện tượng
Amplify-and-Forward), giải mã và chuyển tiếp (DF:
truyền sóng đa đường là một hiện tượng phổ biến trong
truyền sóng, tạo nên kênh trải trễ gây ra nhiễu xuyên Decode-and-Forward), và nén và chuyển tiếp (CF:
dấu (ISI: Intersymbol Interference) làm suy giảm chất Compress-and-Forward) [5]. Trạm chuyển tiếp kiểu AF
lượng tín hiệu và hạn chế tốc độ truyền tin. Trong bài thực hiện khuếch đại tín hiệu thu đƣợc rồi phát đi tới
báo này, chúng tôi đề xuất phương pháp cải thiện chất trạm tiếp theo. Trạm chuyển tiếp kiểu DF giải mã tín
lượng hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ bằng cách hiệu thu, mã hóa lại trƣớc khi phát tới trạm tiếp theo.
sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính. Trạm chuyển tiếp kiểu CF nén tín hiệu thu rồi truyền
Tiêu chí thiết kế bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính là tới trạm chuyển tiếp theo. Nhƣ vậy, trạm chuyển tiếp
tốc độ thông tin cực đại để hệ thống phù hợp với các ứng kiểu AF xử lý tín hiệu đơn giản hơn so với các kiểu còn
dụng yêu cầu truyền với tốc độ thông tin cao. Chất lượng
lại [3]. Cách phân loại thứ hai dựa trên kỹ thuật triển
hệ thống được đánh giá dưới ảnh hưởng của các tham số
như mức điều chế, kích thước khối dữ liệu, và số khâu khai, có hai loại trạm chuyển tiếp là trạm chuyển tiếp
trải trễ. Hệ thống hai chặng được so sánh với hệ thống một chiều và hai chiều [5]. Trạm chuyển tiếp một chiều
đơn chặng và so sánh khi sử dụng các tiêu chí thiết kế nhận tín hiệu từ máy phát rồi truyền tới máy thu, trong
khác nhau. Trên cơ sở đó, tùy vào từng ứng dụng cụ thể khi trạm chuyển tiếp hai chiều trao đổi thông tin giữa
và yêu cầu về chất lượng tín hiệu để lựa chọn các tham số máy phát và máy thu. Mặc dù trạm chuyển tiếp một
phù hợp. chiều có hiệu quả phổ kém hơn so trạm chuyển tiếp hai
chiều, hoạt động của trạm chuyển tiếp một chiều đơn
Keywords- MIMO, ISI, CSI, MMSE, trải trễ, tiền mã giản hơn [5].
hóa, giải mã.
Tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu có thể đi
I. GIỚI THIỆU theo đƣờng thẳng (LOS: Light-of-Sight), hoặc chịu ảnh
hƣởng của mặt đất, tầng khí quyển, và vật che chắn gây
Hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra (MIMO: Multiple-
ra các hiện tƣợng nhƣ phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ.
Input Multiple-Output) đã thu hút đƣợc nhiều nghiên
Hiện tƣợng đa đƣờng làm cho tín hiệu tới máy thu tại
cứu trong thời gian qua [1]. Hệ thống MIMO sử dụng
các thời điểm khác nhau, có biên độ và pha khác nhau.
nhiều anten phát và thu để phát đi nhiều luồng dữ liệu
Đặc tính kênh truyền nhƣ vậy gọi là kênh trải trễ [6].
song song, do đó nâng cao dung lƣợng hệ thống và
Do độ trễ của kênh truyền, các phiên bản của các
hiệu quả phổ [2, 3]. Khi tín hiệu truyền từ máy phát tới
symbol khác nhau có thể đến máy thu tại cùng thời
máy thu, chất lƣợng tín hiệu có thể bị suy giảm đáng kể
điểm, gây ra nhiễu xuyên dấu (ISI: Intersymbol
do ảnh hƣởng của tổn hao đƣờng truyền, fading đa
Interference) [7]. Mặt khác, khi tốc độ dữ liệu càng cao
đƣờng và shadowing [3]. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu
thì độ rộng symbol càng hẹp, càng dễ xảy ra ISI. Do
đã đƣa ra giải pháp cài đặt trạm chuyển tiếp (RS: Relay
vậy, ISI gây ra bởi kênh trải trễ không chỉ làm suy
Station) giữa máy phát và máy thu tạo thành hệ thống
giảm đáng kể chất lƣợng tín hiệu mà còn hạn chế tốc
đa chặng. Ƣu điểm của hệ thống đa chặng là khả năng
độ truyền tin của các hệ thống đơn sóng mang [8]. Để
tăng diện tích phủ sóng, cải thiện chất lƣợng và độ tin
nâng cao chất lƣợng tín hiệu của hệ thống đơn sóng
cậy của kết nối [4]. Do đó, việc cài đặt trạm chuyển
mang có kênh trải trễ, một trong các giải pháp nổi bật
tiếp vào hệ thống MIMO tạo thành hệ thống MIMO đa
là sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính
chặng hứa hẹn khả năng nâng cao dung lƣợng cũng
với giả thiết là thông tin trạng thái kênh (CSI: Channel
nhƣ chất lƣợng hệ thống.
State Information) đƣợc biết trƣớc ở máy phát và máy
thu. Một số nghiên cứu đã chứng minh đƣợc ƣu thế của
ISBN 978-604-80-5958-3 353
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
giải pháp này [9, 10]. Các nghiên cứu này đã chỉ ra sự II. PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG
cải thiện về chất lƣợng tín hiệu trong điều kiện kênh
A. Mô hình hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ
trải trễ.
Trong bài báo này, căn cứ vào ƣu điểm về khả năng Hệ thống MIMO hai chặng có kênh truyền trải trễ
cải thiện dung lƣợng và chất lƣợng hệ thống của hệ đƣợc mô tả trong Hình 1. Hệ thống gồm có máy phát,
thống MIMO đa chặng và tính đơn giản của trạm máy thu, và một trạm chuyển tiếp nằm giữa máy phát
chuyển tiếp một chiều kiểu AF, hệ thống MIMO hai và máy thu. Máy phát có anten; máy thu có
chặng có trạm chuyển tiếp một chiều kiểu AF (Gọi tắt anten; trạm chuyển tiếp có anten phát và anten
là hệ thống MIMO hai chặng một chiều) đƣợc tập trung thu. Chặng máy phát-trạm chuyển tiếp có ma trận kênh
nghiên cứu. Hệ thống đƣợc xét trong điều kiện kênh và số khâu trải trễ . Chặng trạm chuyển tiếp-
truyền trải trễ. Để cải thiện chất lƣợng hệ thống, bộ tiền máy thu có ma trận kênh và số khâu trải trễ .
mã hóa và giải mã tuyến tính đƣợc kết hợp sử dụng. Tín hiệu từ máy phát đƣợc phát tới trạm chuyển
Việc sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tiếp. Trạm chuyển tiếp nhận đƣợc bản sao của tín
tính đã đƣợc các nhà nghiên cứu áp dụng cho hệ thống hiệu từ máy phát, thực hiện xử lý rồi phát tới máy thu.
MIMO đa chặng hai chiều [11]. Tuy nhiên, với hệ Máy thu nhận đƣợc bản sao của tín hiệu từ trạm
thống MIMO đa chặng một chiều thì các nghiên cứu chuyển tiếp, xử lý để khôi phục lại tin tức ban đầu.
trƣớc đây chỉ sử dụng bộ tiền mã hóa [12, 13]. Do đó, Hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có trạm
việc sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến chuyển tiếp một chiều kiểu AF và sử dụng bộ tiền mã
tính cho hệ thống MIMO hai chặng có trạm chuyển hóa và giải mã tuyến tính đƣợc minh họa trong Hình 2.
tiếp một chiều kiểu AF trong bài báo này khác với các Nguyên lý hoạt động của máy phát và máy thu trong
nghiên cứu trƣớc đây. hệ thống này tƣơng tự nhƣ trong bài báo trƣớc đây
Bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính cho hệ thống [14].
MIMO đơn sóng mang kênh trải trễ đề xuất bởi nhóm 1 1 1 1
tác giả H. Sampath và các cộng sự [14] đƣợc thiết kế Trạm
dựa trên các tiêu chí khác nhau nhƣ tốc độ thông tin Máy Máy
Chuyển
cực đại (Max-IR: Maximum Rate Information), chất phát thu
tiếp
lƣợng dịch vụ (QoS), cân bằng lỗi (EE: Equal Error),
hoặc lỗi trung bình bình phƣơng tối thiểu (MMSE:
Minimum Mean-Squared Error) không trọng số. Việc
lựa chọn tiêu chí thiết kế tùy thuộc vào từng ứng dụng
cụ thể. Tiêu chí Max-IR ứng dụng cho các hệ thống Hình 1. Sơ đồ khối tổng quát của mô hình hệ thống MIMO
hai chặng kênh trải trễ.
yêu cầu tốc độ thông tin cao; tiêu chí QoS dùng cho
ứng dụng đa phƣơng tiện khi cần truyền đi đồng thời
các loại thông tin với chất lƣợng khác nhau; tiêu chí EE Các
sử dụng cho hệ thống cần số lỗi trên các kênh con nhƣ bit 1
nhau; tiêu chí MMSE không trọng số áp dụng cho hệ vào Chèn
Điều
thống đòi hỏi tối thiểu hóa tổng số lỗi ƣớc lƣợng Chế
F P/S
symbol [14]. Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi sử vector 0
dụng tiêu chí Max-IR. Cơ sở để lựa chọn tiêu chí này là (a)
vì ngày nay nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao tăng lên
1 1
mạnh mẽ, trong khi kênh truyền trải trễ gây ISI làm hạn
chế tốc độ truyền dữ liệu. Theo tiêu chí Max-IR, các Chèn
kênh con có hệ số khuếch đại càng cao thì đƣợc cấp vector 0
công suất càng lớn để cải thiện tốc độ dữ liệu.
Phần còn lại của bài báo đƣợc tổ chức nhƣ sau. (b)
Các
Trong phần II, chúng tôi trình bày mô hình hệ thống bit
MIMO hai chặng có kênh truyền trải trễ và phƣơng 1
ra
pháp thiết kế bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính dựa Giải
S/P G
trên tiêu chí Max-IR cho hệ thống này. Trong phần III, Điều Chế
chúng tôi đánh giá chất lƣợng hệ thống MIMO hai
chặng kênh trải trễ dƣới ảnh hƣởng của các tham số (c)
nhƣ mức điều chế, kích thƣớc khối dữ liệu, và số lƣợng
khâu trải trễ; so sánh chất lƣợng hệ thống hai chặng với Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải
hệ thống đơn chặng; so sánh chất lƣợng hệ thống hai trễ sử dụng bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính. (a) Máy
chặng khi sử dụng các tiêu chí thiết kế khác nhau. Cuối phát. (b) Trạm chuyển tiếp. (c) Máy thu.
cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.
ISBN 978-604-80-5958-3 354
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Ở máy phát, luồng bit đầu vào đƣợc điều chế và B. Thiết kế ma trận tiền mã hóa và giải mã tuyến tính
sắp xếp tạo thành khối symbol kích thƣớc , Bộ tiền mã hóa và giãi mã tuyến tính đƣợc tối ƣu
trong đó có vector symbol đầu vào, mỗi vector có theo tiêu chí tốc độ thông tin cực đại, phƣơng pháp tính
symbol. Khối symbol đƣợc xử lý bởi bộ tiền mã hóa toán tƣơng tự nhƣ tài liệu [14] nhƣng áp dụng cho hệ
tuyến tính kích thƣớc , tạo ra thống hai chặng kênh trải trễ có ma trận tƣơng đƣơng
symbol. Bộ chuyển đổi song song-nối tiếp (P/S: và tạp âm tƣơng đƣơng . Các giả thiết tính
Parallel-to-Serial) chuyển đổi symbol này thành toán nhƣ sau: Trong thời gian truyền mỗi khối dữ liệu
vector nối tiếp, mỗi vector có kích thƣớc . thì ma trận kênh và coi là bất biến; thông tin
Sau đó, vector này đƣợc chèn thêm vector trạng thái kênh CSI đƣợc biết trƣớc ở máy phát và máy
symbol bảo vệ 0 với kích thƣớc mỗi vector để thu.
tránh nhiễu giữa các khối dữ liệu, tạo thành Vì tín hiệu và tạp âm trực giao với nhau, nên ta có
vector phát đi trên chặng máy phát-trạm phƣơng trình sau [14],
chuyển tiếp. (4)
Tại trạm chuyển tiếp, tín hiệu thu đƣợc gồm Ký hiệu * biểu diễn chuyển vị liên hợp phức.
vector symbol, trong đó mỗi vector kích thƣớc Phân tích trị riêng (EVD: Eigenvalue
. Các vector này đƣợc chèn thêm Decomposition) của ma trận kênh đƣợc thực hiện
vector symbol bảo vệ 0 với kích thƣớc mỗi vector nhƣ dƣới đây [14],
, tạo thành vector symbol. Sau
đó, các vector symbol đƣợc phát đi trên chặng trạm ̃ ( ̃) ̃ (5)
chuyển tiếp-máy thu. Trong đó, và ̃ là các ma trận trực giao có kích thƣớc
Ở máy thu, tín hiệu nhận đƣợc gồm lần lƣợt và ; là ma
vector symbol nối tiếp, trong đó mỗi vector kích thƣớc trận đƣờng chéo chứa trị riêng khác 0 theo thứ tự
. Các vector này đƣợc đƣa qua bộ chuyển đổi giảm dần từ phía trên-bên trái xuống phía dƣới-bên
nối tiếp-song song (S/P: Serial-to-Parallel) và bộ giải phải; ̃ chứa các trị riêng bằng 0.
mã tuyến tính kích thƣớc , Biểu diễn dạng ([ ]) với
đƣợc khối symbol ƣớc lƣợng ̂ kích thƣớc . ; ma trận trọng số đƣợc
Khối symbol ̂ đƣợc giải điều chế để khôi phục lại
biểu diễn dạng ([ ]) ;
luồng bit tin ban đầu.
và xếp theo thứ tự giảm dần
Ma trận kênh có kích thƣớc
.
và có kích thƣớc
đƣợc biểu diễn nhƣ sau [14], Ma trận và đƣợc tối ƣu theo tiêu chí tốc độ
thông tin cực đại. Để đạt tiêu chí tốc độ thông tin cực
đại, yêu cầu [14]. Khi đó, ma trận và có
công thức tính nhƣ sau [14],
(1) (6)
(7)
( ) ( ) (8)
( ) (9)
∑ ( )
(2) . (10)
∑
( ) Trong đó, dấu nghĩa là các thành phần có giá trị
Trong đó, ( ) biểu diễn khâu trải âm ở trong ngoặc đƣợc thay thế bởi giá trị 0. là tổng
trễ thứ của ma trận đáp ứng xung kênh MIMO. công suất trên các anten phát. Thuật toán tối ƣu đƣợc
Khối symbol ̂ đƣợc tính toán nhƣ sau, khởi tạo với và kết thúc khi thỏa mãn điều
̂ kiện .
. (3) III. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG
Chất lƣợng hệ thống đƣợc đánh giá dựa trên mối
Trong đó, và . quan hệ giữa tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Ratio) và tỷ
là tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN: số tín/tạp (SNR: Signal-to-Noise) bằng cách sử dụng
Additive White Gaussian Noise) tại trạm chuyển tiếp, mô phỏng Monte Carlo trên phần mềm Matlab. Các
có kích thƣớc . là AWGN tham số dùng cho mô phỏng đƣợc giả thiết nhƣ sau.
tại máy thu, có kích thƣớc . Các thành phần của (khâu trải trễ thứ của ma trận
kênh ) đƣợc tạo ra một cách ngẫu nhiên với phƣơng
ISBN 978-604-80-5958-3 355
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
sai là thành phần thứ của profile trễ công suất (power B. Ảnh hưởng của kích thước khối dữ liệu
delay profile). Thông tin về trạng thái kênh đƣợc giả sử Giả thiết hệ thống sử dụng điều chế 4-QAM. Số
là biết trƣớc ở máy phát và máy thu. Tạp âm ở đầu vào khâu trải trễ của các chặng máy phát-trạm chuyển tiếp
trạm chuyển tiếp và máy thu đƣợc giả định là AWGN. và trạm chuyển tiếp-máy thu là . Kích
Hệ thống sử dụng điều chế biên độ cầu phƣơng (QAM: thƣớc khối dữ liệu đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi số
Quadrature Amplitude Modulation). Tổng công suất vector symbol .
phát trên các anten của máy phát đƣợc chuẩn hóa: Hình 4 minh họa kết quả mô phỏng hệ thống. Tại
. Số lƣợng anten của máy phát, trạm chuyển SNR = 25 dB, khi tăng từ 10 tới 18 thì BER tăng từ
tiếp, và máy thu là anten. Khối dữ tới . Kết quả này có thể giải
liệu có vector, mỗi vector có symbol. Độ dài thích nhƣ sau. Khi tăng tức là số lƣợng symbol phát
vector symbol đƣợc giả sử là không đổi, do đó kích đi từ máy phát tới máy thu tăng lên. Do đó, tổng số lỗi
thƣớc khối dữ liệu đƣợc thay đổi khi thay đổi. Ảnh symbol ở máy thu tăng, dẫn tới BER tăng lên. Mặc dù
hƣởng của các tham số nhƣ mức điều chế, kích thƣớc tăng nâng cao hiệu quả sử dụng phổ nhƣng chất
khối dữ liệu, và số khẩu trải trễ tới BER cũng nhƣ chất lƣợng tín hiệu cũng kém đi.
lƣợng của hệ thống hai chặng so với hệ thống đơn
chặng và chất lƣợng của hệ thống hai chặng khi thiết kế C. Ảnh hưởng của số khâu trải trễ
bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính theo các tiêu chí Xét hệ thống sử dụng điều chế 4-QAM; mỗi khối
khác nhau đƣợc nghiên cứu đánh giá. Khi một trong ba dữ liệu có số vector symbol (Số vector symbol
tham số đƣợc đánh giá thì hai tham số còn lại lựa chọn ở đây và các mô phỏng tiếp theo đƣợc gán
đƣợc giữ cố định. BER đƣợc tính trung bình trên tổng một cách tùy ý, với điều kiện là không quá lớn gây
số 10,000 khối dữ liệu. suy giảm đáng kể chất lƣợng tín hiệu.); số khâu trải trễ
của các chặng máy phát-trạm chuyển tiếp và trạm
A. Ảnh hưởng của mức điều chế
chuyển tiếp-máy thu . Ảnh hƣởng của
Giả thiết chặng máy phát-trạm chuyển tiếp và số khâu trải trễ tới chất lƣợng hệ thống đƣợc đánh giá
chặng trạm chuyển tiếp-máy thu có số khâu trải trễ là bằng cách thay đổi .
. Khối dữ liệu ban đầu có số vector Ảnh hƣởng của tới BER đƣợc mô tả trong Hình
symbol là . Mô phỏng đƣợc thực hiện với các 5. Tại SNR = 25 dB, khi tăng từ 10 tới 14 thì BER
mức điều chế QAM khác nhau . giảm từ xuống . Khi tăng
Kết quả mô phỏng đƣợc minh họa trong Hình 3. gây ra hai ảnh hƣởng nhƣ sau. Ảnh hƣởng tích cực là
Tại cùng SNR, khi mức điều chế tăng thì BER tăng. tăng thì số phiên bản của tín hiệu nhận đƣợc tại máy
Ví dụ, tại SNR = 25 dB, các BER ứng với thu tăng, tức là thông tin dùng cho khôi phục tín hiệu
lần lƣợt là , , tăng lên dẫn tới xác suất lỗi giảm. Ảnh hƣởng không
. Nguyên nhân có thể giải thích là khi tăng mong muốn là số khâu trải trễ tăng làm cho hiện tƣợng
mức điều chế thì mật độ symbol trong chòm sao tín chồng lấn symbol tăng. Tuy nhiên, khi càng lớn thì
hiệu dày hơn, dẫn đến khoảng cách từ điểm tín hiệu tới mức công suất của các symbol trễ phía sau càng nhỏ,
biên quyết định hẹp lại. Hệ quả là khi khôi phục tín nhiễu chồng lấn không đáng kể. Do hai ảnh hƣởng trên
hiệu thì xác suất xảy ra lỗi symbol tăng, làm cho BER nên khi tăng thì BER đƣợc cải thiện nhƣng sự cải
tăng. Nhƣ vậy, khi tăng thì hiệu quả sử dụng phổ thiện này không nhiều.
tăng nhƣng phải trả giá bởi chất lƣợng tín hiệu kém đi.
Hình 3. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ tại
các mức điều chế QAM khác nhau. Hình 4. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ khi
thay đổi kích thƣớc khối dữ liệu.
ISBN 978-604-80-5958-3 356
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
E. So sánh các tiêu chí tối ưu
Xét hai hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có
các tham số nhƣ nhau, nhƣng bộ tiền mã hóa và giải
mã tuyến tính đƣợc thiết kế theo các tiêu chí khác
nhau. Hai hệ thống đều sử dụng điều chế 4-QAM; số
khâu trải trễ của các chặng máy phát-trạm chuyển tiếp
và trạm chuyển tiếp-máy thu ;
mỗi khối dữ liệu có số vector symbol . Hai tiêu
chí thiết kế bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính đƣợc
xem xét là tiêu chí tốc độ thông tin cực đại Max-IR mà
bài báo đang nghiên cứu và tiêu chí MMSE không
trọng số. Phƣơng pháp tính toán ma trận và theo
tiêu chí MMSE không trọng số đƣợc trình bày trong
tài liệu [14]. Để đạt tốc độ thông tin cực đại, tiêu chí
Hình 5. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có Max-IR yêu cầu nhƣ trình bày ở phần II. Để
số lƣợng khâu trải trễ khác nhau. đạt tổng số lỗi ƣớc lƣợng symbol tối thiểu, tiêu chí
MMSE không trọng số yêu cầu . Khi đó, các
D. So sánh hệ thống hai chặng và đơn chặng công thức tính toán và của tiêu chí MMSE không
Xét hệ thống MIMO kênh trải trễ đơn chặng và hai trọng số tƣơng tự nhƣ tiêu chí Max-IR, chỉ khác công
chặng. Hai hệ thống đều sử dụng bộ tiền mã hóa và thức tính và nhƣ sau [14],
giải mã tuyến tính tối ƣu theo tiêu chí tốc độ thông tin
( ) (11)
cực đại; điều chế 4-QAM; mỗi khối dữ liệu có số
vector symbol . Số khâu trải trễ của hệ thống ( ) . (12)
đơn chặng và số khâu trải trễ của mỗi chặng trong hệ Kết quả mô phỏng hai hệ thống đƣợc minh họa
thống hai chặng nhƣ nhau . trong Hình 7. Tại cùng SNR thì BER của tiêu chí Max-
Kết quả mô phỏng chất lƣợng của hai hệ thống IR cao hơn so BER của tiêu chí MMSE không trọng số.
đƣợc minh họa trong Hình 6. Có thể thấy tại cùng SNR Nguyên nhân của kết quả này là do mục tiêu thiết kế
thì BER của hệ thống hai chặng cao hơn hệ thống đơn của tiêu chí MMSE không trọng số nhằm tối thiểu hóa
chặng. Nguyên nhân có thể giải thích nhƣ sau. Đối với tổng số lỗi ƣớc lƣợng symbol nên BER thấp hơn so tiêu
hệ thống đơn chặng, tín hiệu bị nhiễu do ảnh hƣởng của chí Max-IR. Tuy nhiên, tiêu chí Max-IR có ƣu thế về
khâu trải trễ giữa máy phát và máy thu. Đối với hệ tốc độ thông tin so với tiêu chí MMSE không trọng số.
thống hai chặng, tín hiệu bị nhiễu do ảnh hƣởng của Tốc độ thông tin đƣợc tính theo công thức sau [14],
khâu trải trễ giữa máy phát và trạm chuyển tiếp, sau đó ∑ ( ). (13)
bị ảnh hƣởng tiếp bởi khâu trải trễ giữa trạm chuyển
Trong đó, là thành phần đƣờng chéo của ma trận
tiếp và máy thu. Do đó, lỗi tích lũy ở hệ thống hai
chặng cao hơn so với hệ thống đơn chặng. Nhƣ vậy, hệ , biểu diễn dạng .
thống hai chặng làm tăng khoảng cách truyền nhƣng
phải trả giá bởi chất lƣợng tín hiệu kém đi.
Hình 7. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có
bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính đƣợc thiết kế dựa trên
các tiêu chí khác nhau: Tiêu chí tốc độ thông tin cực đại
Hình 6. BER của hệ thống MIMO hai chặng (Dual Hop) và
(Max-IR) và tiêu chí lỗi trung bình bình phƣơng tối thiểu
đơn chặng (Single Hop) có kênh trải trễ, bộ tiền mã hóa và
không trọng số (Unweighted MMSE).
giải mã tuyến tính đƣợc thiết kế theo tiêu chí tốc độ thông tin
cực đại.
ISBN 978-604-80-5958-3 357
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Với các tham số mô phỏng nhƣ trên thì tiêu chí [9] B. Q. Doanh, D. T. Quan, P. T. Hiep, and T. C. Hieu, “An
efficient design of precoding and equalization to reduce BER
Max-IR đạt đƣợc tốc độ thông tin là of multi-path MIMO channels,” in Proc. Of the Third
(bit/s/Hz), trong khi tiêu chí MMSE không trọng số chỉ International Conference on Recent Advances in Signal
đạt tốc độ thông tin là (bit/s/Hz). Nhƣ vậy, Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom),
với các ứng dụng yêu cầu tốc độ thông tin cao thì tiêu 2019.
chí Max-IR chiếm ƣu thế. [10] B. Q. Doanh, D. T. Quan, P. T. Hiep, and T. C. Hieu, “A
combining design of precoder and equalizer based on shared
redundancy to improve performance of ISI MIMO systems,”
IV. KẾT LUẬN Wireless Networks, vol. 25, pp. 2741 - 2750, 2019.
Bài báo đề xuất sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và [11] N. Lee, H. Park, and J. Chun, “Linear precoder and decoder
giải mã tuyến tính cho hệ thống MIMO hai chặng kênh design for two-way AF MIMO relaying system,” in Proc. Of
IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), pp. 1221 -
trải trễ sử dụng trạm chuyển tiếp một chiều kiểu AF. 1225, 2008.
Tiêu chí thiết kế đƣợc lựa chọn nghiên cứu là tiêu chí [12] Y. Huang, L. Yang, M. Bengtsson, and B. Ottersten, “A
tốc độ thông tin cực đại. Tiêu chí này phù hợp cho các limited feedback joint precoding for amplify-and-forward
ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu với tốc độ thông tin relaying,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58,
cao. Nhờ sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và trạm no. 3, pp. 1347 - 1357, 2010.
chuyển tiếp, hệ thống hai chặng này có khả năng nâng [13] X. Liang, Z. Ding, and C. Xiao, “On linear precoding of non-
regenerative MIMO relays for QAM inputs,” in Proc. Of IEEE
cao dung lƣợng kênh, mở rộng vùng phủ sóng và tăng International Conference on Communications (ICC), 2012.
khoảng cách truyền giữa máy phát và máy thu. Việc sử [14] H. Sampath, P. Stoica, and A. Paulraj, “Generalized linear
dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính đã precoder and decoder design for MIMO channels using the
cải thiện đƣợc chất lƣợng hệ thống, cụ thể là bộ tiền mã weighted MMSE criterion,” IEEE Transactions on
Communications, vol. 49, no. 12, pp. 2198 - 2206, 2001.
hóa và giải mã tuyến tính đƣợc tối ƣu để đạt tốc độ
thông tin cực đại. Hệ thống đƣợc đánh giá khi thay đổi
các tham số nhƣ mức điều chế, kích thƣớc khối dữ liệu,
và số khâu trải trễ để tạo cơ sở lựa chọn các tham số
phù hợp khi thiết kế hệ thống. Ngoài ra, hệ thống đƣợc
so sánh với hệ thống đơn chặng để thấy ảnh hƣởng khi
cài đặt thêm trạm chuyển tiếp. Hệ thống còn đƣợc đánh
giá khi sử dụng các tiêu chí thiết kế bộ tiền mã hóa và
giải mã tuyến tính khác nhau. Đây là cơ sở để lựa chọn
tiêu chí thiết kế tùy theo từng ứng dụng cụ thể.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. Kaiser, A. Bourdoux, H. Boche, J. R. Fonollosa, J. B.
Andersen, and W. Utschick, Smart Antennas – State of the Art,
chap. 14, New York, USA: Hindawi Publishing Corporation,
2005.
[2] Y. Rong and Y. Hua, “Optimality of diagonalization of multi-
hop MIMO relays,” IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 8, no. 12, pp. 6068 - 6077, 2009.
[3] R. Mo, Y. H. Chew, and C. Yuen, “Information rate and relay
precoder design for amplify-and-forward MIMO relay
networks with imperfect channel state information,” IEEE
Transactions on Vehicular Technology, vol. 61, no. 9, pp.
3958 - 3968, 2012.
[4] P. Ubaidulla and A. Chockalingam, “Relay precoder
optimization in MIMO-relay networks with imperfect CSI,”
IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 59, no. 11, pp.
5473 - 5484, 2011.
[5] H. Kaur, M. Khosla, and R. K. Sarin, “Channel estimation in a
MIMO relay system: Challenges & approaches,” in Proc. Of
the Second International Conference on Inventive Systems and
Control (ICISC), pp. 203 - 214, 2018.
[6] K. Pahlavan and A. H. Levesque, Wireless Information
Networks, chap. 3, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons,
2005.
[7] H. Arslan and T. Yucek, “Delay spread estimation for wireless
communication systems,” in Proc. Of Eighth IEEE
International Symposium on Computers and Communication
(ISCC), 2003.
[8] C. R. N. Athaudage and A. D. S. Jayalath, “Delay-spread
estimation using cyclic-prefix in wireless OFDM systems,” in
IEE Proc. -Commun., vol. 151, no. 6, pp. 559 - 566, 2004.
ISBN 978-604-80-5958-3 358
nguon tai.lieu . vn
