Luận văn Nghiên cứu mã không gian – thời gian phân tán cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
NGUYỄN ĐÌNH THÁI
NGHIÊN CỨU MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN
PHÂN TÁN CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN
CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
( Theo định hướng ứng dụng)
Hà Nội - 2020
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
NGUYỄN ĐÌNH THÁI
NGHIÊN CỨU MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN
PHÂN TÁN CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN
CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
( Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỜNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. VŨ VĂN SAN
Hà Nội - 2020
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đã khép lại quá trình học tập, nghiên cứu của học viên tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Học viên xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới
Thầy hướng dẫn, PGS.TS. Vũ Văn San đã định hướng nghiên cứu và tận tình giúp
đỡ, trực tiếp chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Đồng thời học viên cũng
xin bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của Khoa Đào tạo Sau Đại
học, Khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Trân trọng!
Hà Nôi, tháng năm 2020
Học viên
Nguyễn Đình Thái
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................................v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. vi
LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................................1
HỢP TÁC....................................................................................................................2
1.1.2 Dung lượng kênh truyền MIMO .................................................................4
1.2. Hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác ............................................................9
1.3. Kết luận chương 1...........................................................................................17
2.1. Khái quát chung..............................................................................................18
2.1.1. Mô hình hệ thống đa ăng-ten....................................................................18
2.1.2. Mã hóa khối không gian-thời gian ...........................................................19
dụng mã DSTC...................................................................................................23
iv
ăng-ten sử dụng mã DSTC .................................................................................32
2.4. Kết luận chương 2...........................................................................................38
PHÂN TÁN TRỰC GIAO........................................................................................39
3.1. Mô hình hệ thống............................................................................................39
3.4. Kết luận chương 3...........................................................................................49
KẾT LUẬN...............................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình hệ thống MIMO điểm-điểm .........................................................2
Hình 1.2: Mô hình kênh MIMO tương đương ............................................................6
Hình 2.1 Hệ thống đa ăng - ten .................................................................................18
vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
4G
Tiếng Anh
Tiếng Việt
The Fourth Generation
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 4
AF
Amplify and Forward
Khuếch đại và chuyển tiếp
Additive White Gaussian Noise Tạp âm trắng cộng tính
AWGN
Gauss
CF
CR
Compress-and- Forward
Cognitive Radio Systems
Cooperative Relay Network
Nén và chuyển tiếp
Mạng vô tuyến nhận thức
Vô tuyến chuyển tiếp hợp
tác
CRN
DF
Decode and Forward
Distributed Space-Time
Coding
Giải mã và chuyển tiếp
Mã không gian-thời gian
phân tán
DSTC
DT
FD
HD
Direct Transmission link
Kênh truyền trực tiếp
Song công
Full Duplex
Half Duplex
Bán song công
International Mobile
Telecommunications
Imperfect Frequency
synchronization
Chuẩn truyền thông di động
quốc tế
IMT
IPF
Không đồng bộ tần số
ImPerfect Time
Không đồng bộ thời gian
IPT
synchronization
IRI
ISI
Inter-Relay Interference
Nhiễu chuyển tiếp
Nhiễu liên kí hiệu
Inter-Symbol Interference
Long Term Evolution
Các hệ thống phát triển dài
hạn tiên tiến
LTE
LTE-A
MIMO
LTE Advanced
Multiple-Input Multiple-
Output
Chuẩn LTE tiên tiến
Truyền dẫn đa đầu vào đa
đầu ra
vii
ML
Maximum-Likelihood
Giải mã hợp lý cực đại
Kết hợp tỉ số cực đại
MRC
Maximum Ratio Combining
OD
Orthogonal designs
Orthogonal DSTC
Thiết kế mã trực giao
Mã DSTC trực giao
O-DSTC
Orthogonal-Space Time Block Mã khối không gian-thời
OSTBC
PEP
Coding
gian trực giao
Pairwise error probability
Perfect Frequency
synchronization
Xác suất lỗi theo cặp
Đồng bộ hoàn hảo
về tần số
PF
Đồng bộ hoàn hảo
về thời gian
PT
Perfect Time synchronization
QOD
QO-DSTC
QO-STBC
RF
Quasi-Orthogonal Designs
Quasi-Orthogonal DSTC
Quasi-Orthogonal STBC
Radio Frequency
Thiết kế cận trực giao
Mã DSTC cận trực giao
Mã STBC cận trực giao
Tần số vô tuyến
Spatial Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
không gian
SDM
SISO
SNR
Single Input Single Output
Signal-to-Noise Ratio
Space-Time Block Coding
Space-Time Code
Đơn đầu vào, đơn đầu ra
Điện toán đám mây
Mãkhốikhônggian-thờigian
Mã không gian- thời gian
Bộ mã hóa không gian thời
gian
STBC
STC
SpaceTime Encoder
STE
WAdN
WiFi
Wireless Ad hoc Network
Wireless Fidelity
Mạng tùy biến không dây
Mạng cục bộ vô tuyến
Worldwide interoperability for Hệ thống tương thích toàn
WiMAX
WSN
Mircrowave Access
cầu qua truy nhập vi-ba
Mạng cảm biến không dây
Wireles Sensor Network
1
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử viễn thông và công
nghệ thông tin, tốc độ phát triển của các mạng di động cũng như nhu cầu của người
dùng về các dịch vụ vô tuyến tăng rất nhanh. Tuy nhiên, chất lượng của các kênh
truyền thông vô tuyến thường có tính chất không ổn định, biến đổi ngẫu nhiên theo
không gian và thời gian. Trong các nguyên nhân tác động đến phẩm chất kênh truyền
vô tuyến, có thể nói pha-đinh vô tuyến, đặc biệt là hiện tượng truyền sóng đa đường
gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tổng thể của hệ thống truyền thông không
dây. Việc cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm lỗi của kênh truyền vô tuyến dưới sự
ảnh hưởng của pha-đinh là việc vô cùng khó khăn; kèm theo đó là ảnh hưởng của
nhiễu Gauss (AWGN) đến chất lượng tín hiệu. Đồng thời, chúng ta cũng không thể sử
dụng công suất phát cao hơn hoặc bổ mở rộng băng thông vì điều đó đi ngược lại với
yêu cầu của hệ thống thế hệ tiếp theo.
Phương thức truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input
Multiple-Output) là một giải pháp hiệu quả hạn chế những tác động tiêu cực của hiện
tượng pha-đinh đa đường và khai thác hiệu quả đặc tính không tương quan của các
kênh truyền vô tuyến trong môi trường pha-đinh giàu tán xạ, nâng cao chất lượng
truyền tin. Khái niệm mã không gian-thời gian phân tán DSTC đầu tiên được Y. Jindi
và H. Jafarkhani [3] áp dụng ý tưởng mã không gian-thời gian (Space-Time Code:
STC) trong hệ thống MIMO điểm-điểm lên mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác, giúp
cho các thiết bị đơn ăng-ten vẫn có thể đạt được tăng ích phân tập không gian tương
tự như hệ thống đa ăng-ten.
Luận văn nghiên cứu lý thuyết mã không gian-thời gian, mã không gian - thời
gian phân tán và mã không gian-thời gian phân tán trực giao (O-DSTC) trong mạng
vô tuyến chuyển tiếp hợp tác đồng thời phân tích và đánh giá hiệu năng hệ thống khi
sử dụng mã O-DSTC để đưa ra nhận xét và so sánh với các loại mã trước đó.
Nội dung luận văn “Nghiên cứu mã không gian - thời gian phân tán cho hệ
thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác” gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về truyền thông vô tuyến chuyển tiếp hợp tác
Chương 2: Mã không gian thời gian phân tán cho hệ thống vô tuyến
chuyển tiếp hợp tác
Chương 3: Đánh giá hiệu năng mã không gian-thời gian phân tán trực giao
2
CHƯƠNG IEquation Section (Next)
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN
CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC
1.1. Hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra MIMO
1.1.1 Hệ thống truyền dẫn MIMO điểm-điểm
Trong hệ thống truyền thông không dây, giới hạn của hiệu năng hệ thống luôn
nằm ở lớp vật lý, do dung lượng có thể truyền bị giới hạn bởi độ khả dụng của phổ
tần số, định luật truyền sóng vô tuyến và lý thuyết thông tin. Ba phương pháp cơ bản
để tăng hiệu năng của mạng vô tuyến đó là: tăng mật độ triển khai các điểm truy cập
(tức là tăng hệ số sử dụng lại tần số); bổ sung thêm băng tần hoặc áp dụng kỹ thuật
tăng hiệu suất sử dụng phổ[2]. Do việc triển khai thêm các điểm truy cập cũng như
cấp phát dải tần mới là tốn kém và không dễ dàng, nên nhu cầu tối đa hóa hiệu suất
phổ trên một băng tần cho trước là điều tất yếu. Kỹ thuật MIMO (nhiều đầu vào nhiều
đầu ra) là phương pháp khả thi nhất để cải thiện hiệu suất phổ bằng cách sử dụng
chiều không gian.
Hình 1.1: Mô hình hệ thống MIMO điểm-điểm
Truyền dẫn MIMO hay kỹ thuật phân tập không gian đa ăng-ten trong truyền
thông vô tuyến là một giải pháp hiệu quả chống lại ảnh hưởng của hiện tượng pha-
đinh đa đường. Ba lợi ích cơ bản nhất của kỹ thuật truyền dẫn MIMO điểm-điểm đó
là tăng ích phân tập (diversity gain), tăng ích mảng (array gain) và tăng ích ghép kênh
3
(multiplexing gain) mà không yêu cầu tăng thêm băng thông cũng như công suất
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời cả phân tập phát
s
n
được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng các ăng-ten phát) và thời gian
nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE: SpaceTime Encoder). Tín hiệu sau khi
ˆ
s
được mã hóa không gian-thời gian (KG-TG)
được phát đi nhờN ăng-ten phát.
n
Máy thu sử dụng phân tập thu với M ăng-ten thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx)
và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra, và vì vậy, được gọi là kênh MIMO M×N.
Kênh truyền giữa các ăng-ten máy phát (Tx) và ăng-ten máy thu (Rx) được gọi là một
kênh đa đầu vào, đầu ra MIMO. Một hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi
là hệ thống truyền dẫn MIMO [1].
Kênh truyền đơn giữa ăng-ten máy thu m∈ {1, 2,...,M} và ăng-ten máy phát
n∈ {1, 2,...,N} được ký hiệu là hmn. Tương tự như các hệ thống phân tập phát hoặc
thu để tránh ảnh hưởng giữa các ăng-ten phát hoặc các ăng-ten thu với nhau khoảng
cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử ăng-ten ở các mảng ăng-ten phát hoặc thu là
λ/2. Thực tế khoảng cách này cần phải lựa chọn vào khoảng vài bước sóng. Kênh
MIMO trong trường hợp này được gọi là kênh MIMO không tương quan
(uncorrelated MIMO channel). Trong trường hợp pha-đinh Rayleigh bằng phẳng
(flatfading) không có tương quan, hmn được mô hình hóa bằng một biến số Gauss
phức có giá trị trung bình 0 và phương sai 1. Một kênh MIMO gồm N ăng-ten phát
và M ăng-ten thu thường được biểu diễn bởi một ma trận số phức gồm M hàng và N
cột như sau:
h
h12
h21
11
(1.1)
h21
H
hM 1 hM 1
Định nghĩa các véc-tơ phát, thu và tạp âm tương ứng là:
4
s s , s ,
1
2
(1.2)
(1.3)
y y , y ,
1
2
z z , z ,
1
2
ta có mối quan hệ giữa tín hiệu thu và phát biểu diễn qua phương trình sau:
y = Hs + z
Ở đây, tổng công suất phát trung bình trong một chu kỳ tín hiệu được giới hạn
bằng PT cho bất kỳ số lượng ăng ten phát N nào. Điều đó có nghĩa là, ma trận tương
quan (covariance matrix) của s, Rss = E{ssH}, thỏa mãn điều kiện:
trace(Rss) = PT
(1.4)
trong đó trace(A) là "vết" của ma trận A được tính bằng tổng tất cả các phần tử nằm
trên được chéo chính của A; z là véc-tơ tạp âm với các phần tử zm được mô phỏng bởi
các biến số phức Gauss độc lập có phân bố như nhau và có cùng công suất trung bình σ2,
tức là, E zz H
z2 IM , trong đó IM biểu diễn một ma trận đơn vị với M hàng và M cột.
1.1.2 Dung lượng kênh truyền MIMO
Dung lượng kênh truyền (channel capacity) được định nghĩa là tốc độ có thể
truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó. Dung lượng của một
kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss theo định lý Shannon
được tính như sau:
CSISO= W log2(1 + ρ∣h∣2) [bits/s]
(1.5)
trong đó W là băng tần của kênh truyền tính bằng Hz và ρ|h|2 chính là tỉ số tín hiệu
trên tạp âm (SNR) tại đầu vào máy thu. Từ các công thức trên chúng ta thấy rằng với
một kênh vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không gian
(SISO: Single Input Single Output) thì dung lượng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở đầu
vào máy thu theo luật logarith. Vì vậy, muốn tăng dung lượng kênh truyền thì chỉ có
cách tăng công suất phát. Tuy nhiên, do mối quan hệ logarith nên dung lượng kênh
truyền SISO tăng rất chậm [1].
5
Dựa vào phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa thu và phát, ta sử dụng
phương pháp SVD (Singular Value Decomposition) chúng ta có thể phân tích ma trận
H thành:
H = UDVH
(1.6)
trong đó U và V là các ma trận đơn nhất (unitary), tức là UUH = UHU = IM và
V VH = VHV = IN. D là một ma trận đường chéo với các giá trị không âm (≥ 0) trong
đó các phần tử trên đường chéo là các giá trị căn bậc hai của các trị riêng (eigenvalue)
của ma trận:
H H H (M N )
Φ
(1.7)
H
H H ( M N )
Thay H ở (1.6) vào (1.2) ta có:
y = UDVHs + z
(1.8)
Nhân hai vế của phương trình trên với UH chúng ta thu được phương trình
tương đương:
(1.9)
y′ = Ds′ + z′
trong đó y′ ≜ UHy, s′ ≜ VHs, và z′ ≜ UHz. Để ý rằng do D là một ma trận đường chéo
với r = min(M,N) phần tử đầu tiên khác không, nên thông qua phép biến đổi SVD
kênh MIMO đã được phân tích thành r kênh truyền song song hữu ích. N − r kênh
đương với các giá trị riêng tương ứng với biên độ của độ lợi của các kênh song song.
Ký hiệu các trị riêng khác không của ma trận Φ là λi, ta có thể biểu diễn công thức
(1.9) ở dạng r kênh song song như sau:
yi i si zi , i 1, 2, , r
(1.10)
trong đó 휆푖 biểu diễn biên độ của độ lợi (tăng ích) kênh truyền tương đương thứ i.
√
Dung lượng kênh truyền MIMO, vì vậy, là tổng dung lượng của r kênh song song.
6
Hình 1.2: Mô hình kênh MIMO tương đương
Giả sử công suất phát trên các ăng-ten phát là như nhau và được chuẩn hóa
PT
thành
. Do s′i = VH(i, ∶)s = V(∶,i)s với A(i, ∶) và A(∶,i) tương ứng biểu diễn một
N
véc-tơ xây dựng từ hàng i hay cột i của ma trận A. Do đó công suất thu tại kênh thứ
i,i ≤ r, có thể tính được như sau:
2
H
PR E
iV (:, i)s
V (:, i) E s H s V (:, i)
i
i
PT
r
(1.11)
N
i PT r
i PT r
V (:, i)V (:, i)H
N
N
trong đó V(,i) HV(∶,i) = 1 dựa trên tính chất của ma trận unitary.
Tương tự, công suất tạp âm ở kênh i được tính như sau:
2
H
H
PN E U (i,:)z
U (:, i) E z H z U (:, i)
i
(1.12)
(1.13)
rN 0
2
H
2
r z U (i,:)U (i,:) r z
Từ các công thức trên ta có thể tính được tỉ số SNR ở kênh i:
i PT
i
2
N z
Thay ρi vào công thức Shannon chúng ta có:
7
r
i PT
2
z
CM IM O W log 2 1
(1.14)
i1
N
Từ công thức (1.14) ta thấy dung lượng của một kênh MIMO bằng tổng dung
lượng của r kênh SISO mà mỗi một kênh có độ tăng ích công suất là λi và công suất
PT
phát
. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ MIMO cho phép một tuyến thông tin vô
N
tuyến tạo ra được nhiều đường truyền tín hiệu khác nhau trong không gian nối liền
giữa máy phát và máy thu. Do đó, kênh MIMO có hiệu suất phổ tần lớn hơn rất nhiều
so với kênh SISO.
Sử dụng ma trận Φ, công thức dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu diễn
một cách tổng quát như sau:
W log det I
HH H [bits / s] neáu
M N
M N
2
r
N
CM IM O
(1.15)
W log det I
H H H [bits / s] neáu
2
r
N
Dựa vào công thức trên đã chứng minh được rằng dunglượng kênh truyền tăng
tuyến tính theo số ăng-ten phát hoặc thu và có thể đạt đến r, tức là số ăng-ten tối thiểu
sử dụng ở phía thu hay phát.
1.1.3 Các phương pháp truyền dẫn MIMO
Kết quả nghiên cứu về dung lượng kênh truyền MIMO đã tạo ra một làn sóng
nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn nhằm đạt được dung lượng lý thuyết mong muốn.
Tiếp theo công trình chung với Gans, Foschini [x] đề xuất một hệ thống truyền dẫn
theo lớp kết hợp với mã hóa nhằm đạt được dung lượng kênh truyền mong muốn.
Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Foschini cho thấy dung lượng kênh truyền MIMO
thực tế chỉ là một đường giới hạn trên có thể đạt được nhờ kết hợp các phương pháp
mã hóa và thuật toán có độ phức tạp hay giữ chậm không có giới hạn. Vì vậy, để có
được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các
công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phương pháp truyền
8
dẫn thỏa mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO và độ phức tạp
cần thiết[1]. Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thành hai nhóm sau:
- Ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing):
phương pháp này tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng cách truyền đồng
thời một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các ăng-ten phát và sử dụng các máy thu
có độ phức tạp thấp để duy trì tỉ số lỗi bít cho phép. Phương pháp này cho phép thu
được độ tăng ích ghép kênh (multiplexing gain) lớn.
- Mã không gian-thời gian (STC: Space-Time Codes): khác với phươngpháp
ghép kênh theo không gian, mã không gian-thời gian kết hợp việc mã hóa giữa các
luồng tín hiệu để tối đa hóa độ tăng ích phân tập (diversity gain) nhằm giảm thiểu tỉ
số lỗi bít (BER).
Các phương án truyền dẫn MIMO điểm-điểm thông thường gặp phải một số
thách thức như:
- Hệ thống MIMO điểm-điểm bị ảnh hưởng lớn do tổn hao đường truyền và
hiện tượng bóng che vô tuyến. Trong đó, tín hiệu bị suy hao quá lớn khi truyền từ
máy phát đến máy thu trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn lớn hoặc sử dụng
tần số vô tuyến ở tần số cao. Ảnh hưởng của bóng che vô tuyến thường được xếp
chồng với tổn hao đường truyền và xảy ra khi xuất hiện các vật thể che chắn kích
thước lớn nằm trong môi truyền sóng vô tuyến.
- Yêu cầu đa ăng-ten tại các thiết bị đầu cuối làm tăng độ phức tạp và kích
thước. Điều này gây ra sự khó khăn đối với các thiết bị cầm tay, các nút mạng trong
mạng WAdN và WSN.
- Các chuỗi tần số vô tuyến RF sử dụng để phát tín hiệu một cách đồng thời
có giá thành cao và khó triển khai cho các phần tử trong mạng WadN và WSN [2].
Những vấn đề nêu trên làm cho việc triển khai các phương án truyền dẫn
MIMO trong thực tế gặp nhiều khó khăn như việc triển khai phân tập phát cho đường
lên trong mạng thông tin di động tế bào hay thực hiện kỹ thuật phân tập không gian-
thời gian điểm-điểm giữa các nút đầu cuối trong mạng.
9
1.2. Hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác
1.2.1 Khái quát chung
Phương thức truyền dẫn đa đầu vào-đa đầu ra MIMO là một giải pháp hiệu
quả hạn chế những tác động tiêu cực của hiện tượng pha-đinh đa đường và khai thác
hiệu quả đặc tính không tương quan của các kênh truyền vô tuyến trong môi trường
pha-đinh giàu tán xạ, nâng cao chất lượng truyền tin. Tuy nhiên, yêu cầu trang bị đa
ăng-ten tại các thiết bị đầu cuối của hệ thống MIMO làm tăng độ phức tạp và kích
thước thiết bị. Bên cạnh đó, trong một số trường hợp truyền dẫn thực tế như: khoảng
cách vật lý giữa máy thu và máy phát quá xa; hệ thống sử dụng dải tần số vô tuyến
siêu cao; xuất hiện các vật thể che chắn kích thước lớn trong môi trường truyền dẫn
hoặc công suất phát xạ tín hiệu của máy phát bị hạn chế thì các giải pháp truyền dẫn
MIMO điểm-điểm triển khai không có hiệu quả. Phương thức truyền dẫn vô tuyến
chuyển tiếp hợp tác dựa trên nguyên tắc của chuyển tiếp vô tuyến, trong đó các thiết
bị đầu cuối đơn ăng-ten nhờ sự trợ giúp chuyển tiếp tín hiệu của các nút (trạm) trung
gian vẫn có thể nhận được những lợi ích tương tự như hệ thống MIMO điểm-điểm
mà không gặp phải các hạn chế như các thiết bị đa ăng-ten. Phương thức truyền dẫn
này thông qua sự hỗ trợ và cộng tác của các nút trung gian tạo nên mạng các ăng-ten
ảo cho phép hệ thống nhận được tăng ích ghép kênh, tăng ích phân tập hay tăng ích
mảng và được gọi là truyền thông hợp tác (cooperative communication) hay vô tuyến
chuyển tiếp hợp tác (CRN: Cooperative Relay Network) [2].
Truyền thông hợp tác có khả năng tăng dung lượng kênh truyền hoặc thông
lượng truyền dẫn, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao phẩm chất hệ thống, giảm công
suất phát trong khi vẫn đảm bảo vùng phủ sóng, giảm kích thước và giá thành thiết
bị cũng như việc triển khai hệ thống mạng. Ngày nay, nhiều giải pháp kỹ thuật dựa
trên truyền thông hợp tác đã và đang được khuyến nghị cho các hệ thống thông tin vô
tuyến khác nhau như: chuẩn tiến hóa dài hạn (LTE: Long Term Evolution), chuẩn
LTE tiên tiến (LTE-A: LTE Advanced) cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4
(4G: the Fourth Generation), chuẩn truyền thông di động quốc tế (IMT: International
Mobile Telecommunications), các chuẩn IEEE 802.16j và IEEE 802.16m trong hệ
10
thống tương thích toàn cầu qua truy nhập vi-ba (WiMAX: Worldwide interoperability
for Mircrowave Access), các chuẩn IEEE 802.11s và IEEE 802.11n cho các mạng
cục bộ vô tuyến (WiFi: Wireless Fidelity), các mạng tùy biến không dây (WAdN:
Wireless Adhoc Network), các mạng cảm biến không dây (WSN: Wireles Sensor
Network) và các mạng vô tuyến nhận thức (CR : Cognitive Radio Systems). Cuối
cùng, kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến hợp tác còn được xác định là một trong những
giải pháp kỹ thuật đầy hứa hẹn nhưng cũng nhiều thách thức cho hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ 5 (5G: the fifth Generation).
1.2.2 Mô hình hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác
Không giống như kỹ thuật truyền dẫn MIMO điểm-điểm truyền thống, truyền
thông hợp tác cho phép các trạm (nút) trung gian trong môi trường truyền sóng vô
tuyến có thể chia sẻ ăng-ten của mình cho các nút khác trong mạng sử dụng. Nhờ
vậy, có thể cải thiện tăng ích phân tập hợp tác, tăng dung lượng truyền dẫn, mở rộng
vùng phủ sóng, nâng cao phẩm chất hệ thống, giảm kích thước và giá thành triển khai
mạng. Trong trường hợp tổng quát, quá trình truyền dẫn tín hiệu từ nút nguồn đến nút
đích trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác MIMO một chiều, hai chặng diễn
ra trong hai pha truyền dẫn: i) pha quảng bá, nút nguồn phát tín hiệu một cách quảng
bá, nút chuyển tiếp, nút đích hoặc cả hai nhận tín hiệu; ii) pha hợp tác, nút nguồn
một số kịch bản quá trình truyền dẫn của một hệ thống truyền thông hợp tác điển
hình, cụ thể như sau:
nút nguồn phát tín hiệu quảng bá đến các nút chuyển tiếp và nút đích. Pha thứ hai,
nút nguồn và các nút chuyển tiếp phát tín hiệu đến nút đích. Nút đích sử dụng kỹ thuật
kết hợp tỉ số cực đại (MRC: Maximum Ratio Combining) để kết hợp các phiên bản
tín hiệu thu được trong cả hai pha truyền dẫn.
dẫn trong pha quảng bá giống như kịch bản truyền dẫn thứ nhất. Tuy nhiên, trong pha
11
thứ hai, các nút chuyển tiếp phát tín hiệu đến nút đích, còn nút nguồn chuyển sang
chế độ im lặng.
dẫn trong kịch bản này gần giống như kịch bản truyền dẫn thứ hai. Điểm khác biệt là
nút đích chỉ thu tín hiệu từ nguồn trong pha hợp tác mà không thu tín hiệu trong pha
quảng bá.
tồn tại kênh truyền trực tiếp (DT: Direct Transmission link) giữa nguồn và đích trong
cả hai pha truyền dẫn. Quá trình truyền dẫn từ nút nguồn đến nút đích hoàn toàn dựa
vào sự kết hợp chuyển tiếp tín hiệu nhờ sự trợ giúp của các nút chuyển tiếp.
Hình 1.3: Một số kịch bản quá trình truyền dẫn từ nút nguồn đến nút đích trong
truyền thông hợp tác MIMO
Trong thực tế, kịch bản truyền dẫn thứ nhất và thứ tư thường được quan tâm
nghiên cứu nhiều nhất. Kịch bản truyền dẫn thứ nhất cho phép hệ thống nhận được
Tải về để xem bản đầy đủ
61 trang
20100
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu mã không gian – thời gian phân tán cho hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hợp tác", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_ma_khong_gian_thoi_gian_phan_tan_cho_he.pdf
