Xem mẫu
- 28 Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương
KỸ THUẬT PRECODING VÀ POSTCODING TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN ĐA TẾ BÀO ĐƯỜNG XUỐNG
PRECODING AND POSTCODING TECHNIQUES IN THE MULTICELL
DOWNLINK TRANSMISSION SYSTEM
Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: ndnvien@dut.udn.vn
Tóm tắt - Nhiễu giao thoa là một yếu tố làm giảm hiệu suất của Abstract - Interference is a factor that limits the performance of a
mạng đa tế bào sử dụng lại tần số. Nghiên cứu về sự phối hợp dense cellular network with frequency reuse. Researching into the
hoạt động giữa các BS ở các cell với nhau để hạn chế hoặc triệt cooperation among base stations (BSs) to eliminate or mitigate
các nhiễu giao thoa là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn để nâng interference is a promising approach for improving the data rates.
cao tốc độ dữ liệu trong mạng đa cell. Ở kênh quảng bá (đường For the downlink, we can eradicate interference by using precoding
xuống) của mạng, việc triệt hoàn toàn giao thoa được thực hiện matrices at the transmitting side and postcoding matrices at the
bằng các ma trận precoding ở đầu phát và ma trận postcoding ở receiving side. Among the present researches on encryption, most
đầu thu. Trong các nghiên cứu về mã hóa hiện nay, phần lớn các of the published papers focus only on pre-coding at the base
bài báo đã có chỉ tập trung vào tiền mã hóa ở trạm gốc mà chưa station but do not mention the encryption of the subscibers at the
đề cập đến mã hóa tại các thuê bao thu xa. Khác với các bài báo remote receiver. Unlike the other papers, this paper presents a
đã được công bố, bài báo này đề xuất một phương pháp thiết kế method to design precoding and postcoding matrices in a dense
các ma trận precoding và postcoding trong một mạng đa cell sử cellular network with frequency reuse. Moreover, an algorithm for
dụng lại tần số. Hơn nữa, cũng giới thiệu thuật toán phân bổ công allocating the output capacity is introduced to maximaze the
suất phát để có thể tối ưu được tốc độ dữ liệu (dung lượng) mạng. network capacity. Several computer simulations are provided to
Một vài mô phỏng máy tính sẽ được tiến hành để kiểm chứng lại verify the performance of the suggested precoding and postcoding
khả năng của hệ thống đã được thiết kế. techniques.
Từ khóa - mạng đa tế bào; precoding; postcoding; kênh quảng bá; Key words - multicell network; precoding; postcoding; broadcast
phân bổ công suất tối ưu. channel; optimal power allocation.
1. Giới thiệu thứ k (k=1,...,K c) lần lượt được trang bị N c , B anten phát và
Đa người dùng đa anten MU MIMO (Multi-user N c , k anten thu. Tín hiệu nhận được tại trạm di động thứ k
multiple-input multiple-output) là kỹ thuật truyền dẫn đem của tế bào thứ c có thể được viết thành
Kc
lại hiệu quả phổ cao trong các hệ thống thông tin di động
LTE–A (Long Term Evolution - Advanced), trong đó,
y c , k = H cc , k Tc , k sc , k + H cc , k
k =1, k k
Tc , k s c , k
một trạm gốc BS (Base Station) phục vụ nhiều trạm di động C Kc (1)
MS (Mobile Station) nhờ kỹ thuật ghép kênh phân chia + H c c , k Tc, k sc, k + n c , k ,
không gian [1], [2]. Vì tần số là một tài nguyên khá hạn hẹp c =1, c c k =1
nên việc tái sử dụng lại tần số gây ra giao thoa đối với các trong đó s c , k là tín hiệu mà BSc muốn truyền tới BSc, s c , k
kênh lân cận và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và dung là tín hiệu BSc mong muốn truyền tới MS c , k nhưng bị giao
lượng mạng [3]. thoa qua MS c , k , ta gọi tín hiệu này là ICI (intra-cell
Để hạn chế ảnh hưởng của giao thoa từ các tế bào khác interferes), sc, k là tín hiệu BSc mong muốn truyền tới
cũng như từ các người dùng khác, kỹ thuật beamforming MS c ', k nhưng bị giao thoa qua MS c , k , ta gọi các tín hiệu
được áp dụng trong thông tin vô tuyến [4]. Đã có rất nhiều này là OCI (out-of-cell interferes), Hcc, k Nc,B Nc,k là ma
nghiên cứu khác nhau trong thời gian qua để giải quyết vấn trận kênh truyền từ BSc tới MS c , k và Hcc, k Nc,B Nc,k là ma
đề này [5, 6, 7], tuy nhiên, bài toán đa tế bào vẫn chưa có trận kênh truyền từ BSc tới MS c , k , Tc , k , Tc , k , Tc ', k ' là các ma
câu trả lời thoả đáng. trận precoding được nhân lần lượt theo thứ tự cho các tín
Bài báo đề xuất một kỹ thuật triệt giao thoa đa tế bào, hiệu s c , k , sc , k , sc, k và nc, k Nc,k 1 là vector nhiễu trắng
đa người dùng trên cơ sở của kỹ thuật tiền mã hoá đường Gaussian phức có trung bình bằng 0 và ma trận hiệp
chéo hoá khối BD (block diagonalization) [8]. Trong đó, phương sai.
ma trận tiền mã hoá (precoding) bao gồm 3 ma trận: 1 ma Tại MS c , k , tín hiệu nhận được sẽ được nhân bởi ma trận
trận dùng để khử giao thoa liên tế bào, ma trận thứ hai khử postcoding WcH, k như sau
giao thoa liên người dùng và ma trận thứ ba dùng để phân yˆ c , k = WcH, k y c , k
bổ công suất nhằm tối đa hóa dung lượng hệ thống. Ngoài Kc
ra, ma trận mã hoá sau (postcoding) và kỹ thuật tối ưu hoá = WcH, k H cc , k Tc , k s c , k + WcH, k H cc , k Tc , k s c , k (2)
công suất phát cũng được thiết kế một cách chi tiết trong k =1, k k
C Kc
bài báo này. + WcH, k H
c =1, c c k =1
c c , k Tc , k sc , k + WcH, k n c , k .
2. Mô hình hệ thống
Xét một mạng có C tế bào với mỗi tế bào c (c=1,...,C) Theo (2), tín hiệu nhận được tại mỗi MS c , k bao gồm tín
Kc
bao gồm một trạm gốc (BSc) và K c trạm di động (MS c , k ).
Trong mỗi tế bào c (c=1,...,C), trạm gốc và trạm di động
hiệu mong muốn WcH, k Hc, k Tc,k sc, k , ICI: WcH, k H c , k
k =1, k k
Tc , k s c , k
- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(82).2014 29
Kc
C
trong đó V là Lcc , j vector riêng bên phải đầu tiên (đặt
(1)
và OCI: WcH, k H
c =1, c c k =1
c , k Pc, k s c, k . Sự có mặt của các tín cc , j
Lcc , j là hạng của H cc , j ), và Vcc(0),j là (N c , B − Lcc , j) vector riêng
hiệu OCI và ICI sẽ làm giảm chất lượng truyền dẫn của bên phải cuối cùng. Do đó, Vcc(0),j là dạng cơ sở trực giao cho
mạng. Do đó, ma trận precoding không gian không của H cc , j , tức là H cc , j Vcc(0),j = 0. Tiếp tục
Tc = Tc ,1 ,. . ., Tc , Kc ( c = 1,. . ., C ), được thiết kế sao cho có thực hiện phân tích SVD đối với H cc , j Vcc( 0),j
thể vừa triệt tiêu được ICI vừa triệt tiêu được OCI. Trong bài
H cc , j Vc0 Vcc(0), j = U cc , j Σcc , j 0 Vcc(1), j Vcc(0), j . (8)
H
này, chúng ta sẽ đi nghiên cứu phương pháp thiết kế Tc, có
thể gọi tên là phương pháp BD-null space. Từ (4),(7) và (8) ta thành lập được ma trận precoding
và ma trận postcoding
Tc = Pc Λ c
1/2
= Vc0 Vcc(0),1Vcc(1,1) Vc0 Vcc(0),2 Vcc(1),2 . . .
Vc0 Vcc(0), Kc Vcc(1), Kc Λ c
1/2
(9)
Wc = Wcc,1 Wcc, 2 Wcc , Kc
= U Hcc,1 U Hcc,2 U Hcc, Kc ,
Λ c là một ma trận đường chéo chứa các thành phần
công suất phát được phân bổ trên các cột của Pc .
• Phân bổ công suất phát tối ưu (Water Filling)
Giả sử tổng công suất phát cho tất cả các anten phát ở
tế bào c là Pt , c. Ma trận precoding lúc này là Pc . Ta có được
điều kiện ràng buộc về tổng công suất phát như sau
Hình 1. Mô hình mạng 3-tế bào. Trong mỗi tế bào có một BS
Trace Tc sc scH TcH Pt ,c , (10)
T
phục vụ nhiều MS, các MS này bị ảnh hưởng từ các BS trong đó sc = sTc,1 , sTc,2 ,. . ., sTc,Kc là vector kí tự dữ liệu
của các tế bào lân cận
được phát từ BSc tới các MSc .
3. Thiết kế các ma trận precoding và postcoding Theo (9), Tc = Pc Λ1/c 2 với Pc = Pcc,1 Pcc ,2 . . . Pcc , Kc
C
K c N c, B
= Vc0 V1(0) V1(1) Vc0 V2(0) V2(1) . . . Vc0 VK(0)c VK(1)c và Λc = diag c ,1 , c ,2 ,
Xét trong tế bào c, ta đặt ma trận G c c =1,c c
là
. . . , c , Kc = diag 1,1 , . . . , 1, Nc,1 ; . . . ; Kc ,1 , . . . , Kc , Nc,Kc
ma trận kênh truyền từ BSc tới các
MS c, k ( c = 1,. . ., C , c c, k = 1,. . ., K c ) , G c được viết là ma trận đường chéo chứa các mức công suất phân bổ
G c = H c1,1 , . . ., H c1, K1 ,. . ., H c ( c −1),1 , . . . trên từng anten, kí hiệu k ,u biểu diễn cho mức công suất
, H c ( c −1), Kc−1 , H c ( c +1),1 , . . ., H c ( c +1) , Kc+1 ,. . . (3) của anten thứ k của trạm MS thứ u. Công thức (10) được
viết lại thành
, H cC ,1 , . . ., H cC , KC .
Thực hiện phép phân tích Single Value Decomposition
Trace Pc Λ1/c 2 s c s cH ( Λ1/c 2 ) PcH
H
= Trace Λ (Λ )
(SVD) cho G c , ta được 1/ 2 H
1/ 2
P PcH
G c = U c Σc 0 Vc(1) Vc(0) ,
H c c c
(4)
= Trace Λ P P c c
H
c
(11)
thành phần Vc0 là không gian không của G c , có nghĩa là
G c Vc0 = 0. Như vậy, với việc sử dụng thành phần Vc0 , tín Kc N c ,i
hiệu OCI không mong muốn từ BScđến các MS c , k đã bị triệt = i , j PcH Pc Kc Nc,i Kc Nc,i
Pt ,c .
tiêu. Phương pháp được trình bày sau đây sẽ được sử dụng
i =1 j =1
j, j
i =1 j =1 i =1 j =1
để loại bỏ ICI. Để đơn giản trong khảo sát, mô phỏng, ta thường sử
• Phương pháp BD-nullspace dụng kịch bản phân bổ đều các mức công suất lên mỗi
anten, lúc đó 1,1 , = . . . = 1, Nc,1 = . . . = Kc ,1 = . . . =
Sử dụng phương pháp BD được đề cập trong [8] cho tế
bào c, với ma trận kênh truyền mới lúc này trở thành Kc , Nc,Kc = . Theo (11), sẽ được tính
H = ( H c c ,1Vc0 ) ,. . ., ( H c c , Kc Vc0 ) T .
T
T Pt , c
(5) =
K c N c ,i
Theo [2], ta sẽ định nghĩa ma trận Hcc , j ( j = 1, . . . , Kc ) PcH Pc' Kc Nc,i Kc Nc,i
i =1 j =1
j , j (12)
từ H có dạng i =1 j =1 i =1 j =1
H cc , j = ( H cc ,1Vc0 ) , . . ., ( H c c , j −1Vc0 ) Pt , c
T T
= .
(6) Trace PcH Pc
, ( H cc , j +1Vc0 ) , . . ., ( H cc , Kc Vc0 ) T ,
T T
Tuy nhiên, do tính chất các kênh truyền không đều
nhau, nên cách phân bổ đều công suất như trên không đạt
thực hiện phân tích SVD đối với H cc , j
H được kết quả tối ưu về mặt dung lượng. Do đó, để đạt được
H cc , j = U cc , j Σcc , j Vc(1)
c, j Vcc(0), j , (7) mức dung lượng tối ưu, ta phải phân bổ công suất một cách
- 30 Nguyễn Duy Nhật Viễn, Lê Quang, Nguyễn Thị Hồng Sương
tối ưu, không đều bằng cách giải bài toán tối ưu dung lượng tốt của phương pháp BD-nullspace so với BD. Tỉ lệ lỗi bit
với điều kiện ràng buộc tổng công suất phát. Bài toán tối của phương pháp BD-nullspace là rất nhỏ, giảm theo sự
ưu dung lượng với điều kiện ràng buộc về tổng công suất giảm của tỉ số SNR, ở SNR bằng 14 dB trở đi, số bit lỗi
được viết như sau bằng 0 (không có bit lỗi) trong khi ở phương pháp BD, số
H cc , k Pc,k Λ c , k PcH,k H Hcc,k bit lỗi là rất lớn, tỷ lệ bit lỗi trên tổng số bit gần như không
k =1
Kc
max log I+ thay đổi theo SNR.
c2,k
tr Pc,k Λ c , k PcH,k Pt ,c ,
Kc
subject to k =1
(13) 50
c,k 0 45 BD
với biểu diễn một bất đẳng thức ma trận được định BD-nullspace
Dung Luong [bps/Hz]
40
nghĩa trên nón của ma trận semidefinite dương. Phân tích
H ccH , k H cc , k 35
SVD tích = U k Ω k U kH , trong đó
c2,k 30
Ωk = diag k ,1 , k ,2 , . . . , k , Nc ,k . Theo [9], ta tìm được 25
nghiệm của bài toán (13) 20
1 1
Λ c , k = U k diag − ,... 15
PkH Pk k ,1
1,1 + 10
(14)
5
1 1 H
,
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
− Uk , SNR[dB]
PkH Pk k , N c,k
N c, k , N c, k + Hình 2. Dung lượng trung bình theo SNR cho kênh
với ()+ = max(0 , ) . Mức công suất trung bình được quảng bá với cầu hình bảng ở tế bào 1
tính theo ràng buộc 10
0
Kc N c, k PkH Pk
1
k =1 i =1
−
i ,i
= Pt ,c . (15) 10
-1
+
k , l
-2
10
4. Kết quả mô phỏng hệ thống
Ti le loi bit
-3
10
Trong phần này, hệ thống thông tin MIMO đa tế bào đa
người dùng được mô phỏng trên MATLAB để đánh giá 10
-4
hiệu năng của phương pháp đề xuất thông qua dung lượng
và tỷ lệ lỗi bít BER (Bit Error Rate) trong 2 trường hơp: 10
-5
a) chỉ thực hiện precoding và postcoding phương pháp 10
-6 BD
BD [8] trong mỗi tế bào mà ko quan tâm đến các tín BD-nullspace
hiệu giao thoa từ các tế bào khác. 10
-7
b) thực hiện precoding và postcoding trong mỗi tế bào 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
SNR[dB]
theo phương pháp BD-null space (có sử dụng thành
phần triệt giao thoa liên tế bào). Hình 3. BER trung bình theo SNR cho kênh quảng bá
Quá trình mô phỏng được thực hiện theo cấu hình trong với cấu hình 1 ở tế bào 1
Bảng 1 (với số anten tại mỗi MS trong một tế bào là bằng Hình 4, Hình 5 và Hình 6, so sánh dung lượng của tế
nhau và kiểu phân bố công suất là phân bố đều). bào 1 theo sự thay đổi của số MS tế bào 1 (K1) ở 3 mức
Số tế bào (c) 1 2 SNR khác nhau lần lượt là 0 dB, 10 dB và 20 dB. Các
thông số còn lại cho trong Bảng 2. Từ các kết quả này, ta
Số trạm MS (K c) 3 3
thấy rằng: sự vượt trội vẫn thuộc về phương pháp BD-
Số anten trạm BS ( N c , B) 16 16 nullspace khi đồ thị mức tăng dung lượng có độ dốc lớn
Số anten trạm MS ( Nc.k ) 2 2 hơn hẳn so với BD. Hơn nữa, ở mức SNR càng cao thì sự
khác biệt càng lớn. Sự hiệu quả của việc phân bổ công
Kỹ thuật điều chế QPSK suất theo tính chất kênh truyền (Water Filling) so với
Bảng 1. Các thông số hệ thống chung. phân bổ đều cũng được thể hiện, rõ nhất là ở các mức
SNR thấp (tức là nhiễu lớn).
Kết quả mô phỏng được hiển thị cho tế bào 1. Các kết
quả mô phỏng được thể hiện ở các hình dưới. Hình 2 thể Bảng 2. Các thông số hệ thống cho Hình 4, 5 và 6
hiện được sự vượt trội về dung lượng hệ thống của phương Số MS tế bào 2(K 2) 2
pháp BD-nullspace có xứ lý triệt giao thoa ngoài tế bào so
với phương pháp BD thông thường chỉ xử lý các giao thoa Số anten trạm MS tế bào 1 (N1.k ) 2
trong mỗi tế bào. Số anten trạm MS tế bào 2 (N2.k ) 2
Kết quả trong Hình 3 cho ta thấy khả năng chống nhiễu Số anten trạm BS tế bào 1(N1,B) K1 N1, k + K 2 N 2, k
- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(82).2014 31
5. Kết luận
25
BD Bài báo đã đề xuất phương pháp precoding và
BD-nullspace postcoding để nâng cao chất lượng và dung lượng của hệ
20
thống MIMO đa người dùng đa tế bào. Với các ma trần tiền
Dung Luong [bps/Hz]
BD-nullspace WaterFilling
mã hoá được thiết kế, các giao thoa liên tế bào và liên người
15 dùng được khử khá triệt để khi số anten phát của BS lớn
hơn bằng với tổng số anten thu của tất cả các MS nhận đựoc
tín hiệu từ BS này. Hiệu quả của phương pháp đề xuất cũng
10
được thể hiện qua kết quả mô phỏng thông qua hai tiêu chí
quan trọng là BER và dung luợng hệ thống.
5
TÀI LIỆU THAM KHẢO
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [1] 3GPP TR 36.871 V11.0.0, “Evolved Universal Terrestrial Radio
so tram MS (K1) Access (E-UTRA); Downlink Multiple Input Multiple Output
(MIMO) enhancement for LTE-Advanced (Release 11)”.
Hình 4. Dung luợng theo số thuê bao khi SNR=0dB [2] F. Boccardi, B. Clerckx, A. Ghosh, E. Hardouin, G. Jongren, K.
Kusume, E. Onggosanusi, Y. Tang, “Multiple-Antenna Techniques
70 in LTE-Advanced,” IIEEE Comm. Mag., vol. 50, no. 3, Mar. 2012,
BD pp. 114-121.
60 BD-nullspace [3] R. Zhang and L. Hanzo, "Joint and Distributed Linear Precoding for
Centralised and Decentralised Multicell Processing," 2010.
Dung Luong [bps/Hz]
BD-nullspace WaterFilling
50 [4] S.-H. Park and I. Lee, “Degrees of freedom and sum rate maximization
for two mutually interfering broadcast channels,” in Proc. IEEE Int.
40 Conf. Commun. (ICC), Dresden, Germany, June 2009.
[5] C. Suh, M. Ho, and D. N. C. Tse, “Downlink interference alignment,”
30 IEEE Trans. Commun., vol. 59, no. 9, pp. 2616–2626, 2011.
[6] Shim, Seijoon, et al. "Block diagonalization for multi-user MIMO
20 with other-cell interference." Wireless Communications, IEEE
Transactions on 7.7 (2008): 2671-2681.
10 [7] Tang, Jie, and Sangarapillai Lambotharan. "Interference alignment
techniques for MIMO multi-cell interfering broadcast channels."
0
Communications, IEEE Transactions on 61.1 (2013): 164-175.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
[8] Cho, Yong Soo, et al. MIMO-OFDM wireless communications with
so tram MS (K1) MATLAB. John Wiley & Sons, 2010.
Hình 5. Dung lượng theo số thuê bao khi SNR=10dB [9] Spencer, Quentin H., A. Lee Swindlehurst, and Martin Haardt.
"Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in
140 multiuser MIMO channels." Signal Processing, IEEE Transactions
BD on 52.2 (2004): 461-471.
120 BD-nullspace [10] KAVIANI, Saeed; KRZYMIEN, Witold A. On the optimality of
multiuser zero-forcing precoding in MIMO broadcast channels.
Dung Luong [bps/Hz]
BD-nullspace WaterFilling In: Vehicular Technology Conference, 2009. VTC Spring 2009.
100
IEEE 69th. IEEE, 2009. p. 1-5.
80
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
so tram MS (K1)
Hình 6. Dung lượng theo số thuê bao khi SNR=20dB.
(BBT nhận bài: 12/05/2014, phản biện xong: 01/07/2014)
nguon tai.lieu . vn
