Thạc Sĩ Nghiên cứu Tách sóng MIMO-VBLAST đa người dùng

Mở đầu

Do đặc điểm của truyền thông không dây là: Tài nguyên vốn có bị hạn chế; chất lượng truyền thộng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi phađinh ngẫu nhiên từ địa hình, thời tiết, .đặc biệt khi truyền dẫn tín hiệu băng rộng, trong khi đó nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng cũng như yêu cầu tính đa dạng, chất lượng về dịch vụ ngày càng cao. Vì vậy vấn đề khám phá tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên nhưng vẫn đảm bảo chất lượng truyền luôn là những chủ đề được quan tâm nghiên cứu triển khai. Từ lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng, ở đó đã khai thác khá triệt để tài nguyên thời gian, tần số, không gian, mã. Vấn đề giải quyết ở đây được hiểu là việc khám phá tài nguyên vốn có (tập các thông số đặc trưng, các tính chất, các nhược điểm hạn chế của môi trường truyền thông), từ đó tìm các giải pháp để khắc phục đối phó nhược điểm, đưa ra các công nghệ, giải pháp kỹ thuật để sử dụng hiệu quả tài nguyên. Các cơ chế, các công nghệ thích ứng, phân bổ (cấp phát) tài nguyên động, cơ chế điều khiển luồng, công nghệ IP, máy thu phát thông minh, vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR, hệ thống vô tuyến khả tri là những minh họa điển hình cho vấn đề này. Chẳng hạn dựa vào các đặc tính kênh trong các miền được xét, người ta đưa ra một số giải pháp công nghệ điển hình nhất như: Điều chế QAM thích ứng (AQAM); Mã hóa kênh thích ứng; Cân bằng kênh thích ứng; CDMA thích ứng; Chia sẽ mã động; Anten thích ứng; MIMO thích ứng; Phân bổ tài nguyên thích ứng trong các hệ thống OFDM (trên cơ sở các đặc tính kênh trong miền tần số, phân chia tài nguyên phổ tần của môi trường truyền và đưa ra các giải thuật cấp phát kênh con và phân bổ công suất cho các người dùng); Tạo búp sóng; Ghép kênh không gian . Thích ứng cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên (tăng dung lượng) của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER cũng như việc dung hòa các tham số đối lập của hệ thống. Trong một phạm vi nhất định, thích ứng được hiểu là thay đổi các tham số đặc trưng của hệ thống theo kịch bản kênh truyền sao cho đạt được hiệu năng tốt nhất. Chẳng hạn khi xét hệ thống trong miền không gian như hệ thống MIMO thích ứng, tùy vào chất lượng kênh truyền mà hệ thống lựa chọn phân tập không gian hay ghép kênh không gian, hay nói cách khác khi kịch bản kênh tồi để đảm bảo chất lượng BER hệ thống hướng về việc chọn phân tập (nhận được ưu điểm của phân tập là cải thiện hiệu năng BER) ngược lại khi kịch bản kênh tốt hệ thống hướng về lựa chọn ghép kênh không gian (nhận được ưu điểm của ghép kênh không gian là cải thiện hiệu năng dung lượng), lấy trung bình hiệu năng dung lượng (hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần) ta nhận được dung lượng của hệ thống được tăng lên nhiều lần nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER. Cách lập luận như vậy tương tự cho các hệ thống CDMA thích ứng, OFDM thích ứng . Tất cả các hệ thống này đều đạt được hiệu năng tốt nhất hay hiệu quả sử dụng tài nguyên tốt nhất cũng như khắc phụ nhược điểm vốn có của môi trường truyền thông. Vì vậy một cách sơ bộ có thể thấy rằng, một hệ thống thông minh sẽ phải có tính thích ứng cao, và cũng là xu hướng tất yếu của các hệ thống truyền tin hiệu đại, ở đó sẽ khẳng định sự hội tụ các công nghệ phần cứng cũng như phần mềm, hội tụ các tinh túy của các giải pháp kỹ thuật.

Như vậy, từ lịch sử phát triển cũng như xu thế tất yếu của các hệ thống truyền thông thế hệ mới là sử dụng hiệu quả tài nguyên, đặc biệt là thông tin vô tuyến, các giải pháp nhằm tăng dung lượng truyền dẫn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng, cũng như bài toán đảm bảo tính công bằng mềm dẻo trong việc phân bổ tài nguyên, bài toán phân bổ tài nguyên thích ứng trong mạng viễn thông và nhân tố ảnh hưởng lên vấn đề phân bổ tài nguyên. Hai kỹ thuật OFDM và MIMO được coi là kỹ thuật chủ đạo cho các hệ thống vô tuyến thế hệ sau như WIMAX và 4G: Từ quan điểm lập luận này, vấn đề có tính chất then chốt là xây dựng các giải thuật để khai thác và xử lý triệt để đặc tính kênh vô tuyến. Trong hệ thống MIMO bài toán tách tín hiệu hiệu quả ở ghép kênh không gian nhằm khai thác triệt để dung lượng vốn có của nó có tính chất quyết định. Vì vậy, đề tài “Tách sóng MIMO-VBLAST đa người dùng” sẽ tìm hiểu, nghiên và trình bày các giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống MIMO. Cụ thể là: các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống ghép kênh không gian MIMO-VBLAST với quan điểm phân tích các kỹ thuật cơ bản sau đó kết hợp (hội tụ) chúng để có được hiệu năng cao, chẳng hạn sự kết hợp của ZF, V-BLAST, MAP tạo thành giải thuật V-BLAST/ZF/MAP. Sau đó xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng cho các mô hình và giải thuật này. Đề tài sẽ xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng MIMO-V-BLAST gồm: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP; V-BLAST/LLSE/MAP.

Từ quan điểm nhìn nhận mô hình ở dạng chức năng và hệ thống, các đặc tính kênh vô tuyến di động, cũng như mục tiêu của đề tài, đề tài được tổ chức và trình bày với các nội dung sau:

Chương 1 đặc tính kênh vô tuyến di động và mô hình truyền sóng MIMO;

Chương 2 mô hình và hiệu năng hệ thống MIMO;

Chương 3 đa người dùng MIMO-VBLAST;

Chương 4 giải thuật và mô phỏng tách tín hiệu trong hệ thống MIMO-VBLAST.


MỤC LỤC
Mở đầu i
Thuật ngữ . . v
Danh mục bảng .
Dang mục hình vẽ .

Chương 1: Đặc tính kênh vô tuyến di động và mô hình truyền sóng MIMO . 1
1.1. Mở đầu . 1
1.2. Phân bố Rayleigh và Rice 5
1.2.1. Phân bố Rayleigh . 5
1.2.2. Phân bố Rice 8
1.3. Mô hình kênh pha đinh phạm vi hẹp . . 10
1.3.1. Đáp ứng xung kim kênh (CIR) . 10
1.3.2. Mô hình kênh vô tuyến di động đa đường . 10
1.3.3. Mô hình kênh vô tuyến di động phạm vi hẹp miền thời gian 11
1.3.4. Mô hình kênh trong miền tần số 15
1.3.5. Phân loại pha đinh phạm vi hẹp . 17
1.4. Mô hình kênh truyền sóng MIMO . 19
1.4.1. Mô hình kênh MIMO . 19
1.4.2. Hàm kênh MIMO . 23
1.5. Kết luận 24

Chương 2: Mô hình và hiệu năng hệ thống MIMO . 25
2.1. Mở đầu 25
2.2. Phân tập thời gian, phân tập không gian và ghép kênh không gian . 25
2.2.1. Phân tập thời gian . 26
2.2.2. Phân tập anten thu . . 28
2.2.3. Phân tập phát . . 31
2.2.4. Mã khối không gian thời gian, STBC 39
2.3. Mô hình hệ thống SVD MIMO 40
2.3.1. Mô hình hệ thống SVD MIMO . 40
2.3.4. Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit . 41
2.3.5. Dung lượng của kênh SVD MIMO . 42
2.4. Hiệu năng hệ thống MIMO . 44
2.4.1. Hiệu năng của kênh SISO, SIMO, MISO và MIMO 44
2.4.2. Ảnh hưởng của đường truyền trực tiếp (LOS) lên MIMO . 48
2.4.3. SNR và dung lượng của MIMO . 49
2.5. Kết luận 50

Chương 3: Đa người dùng MIMO-VBLAST . 52
3.1. Mở đầu 52
3.2. Tách sóng đa người dùng cho kênh SISO 53
3.2.1. Mô hình hệ thống . . 53
3.2.2. Máy thu đa người dùng . 54
3.3. kiến trúc V-BLAST . . 57
3.3.1. kiến trúc V-BLAST . . 57
3.3.2. So sánh giữa SIC và PIC . 58
3.3.3. Ảnh hưởng của truyền lan lỗi . 59
3.4. Tách sóng đa ngường dùng với V-BLAST trên MIMO . 60
3.4.1. Mô hình hệ thống . . 60
3.4.2. Máy thu đa người dùng . 61
3.6. Kết luận . 66

Chương 4: Giải thuật và mô phỏng tách tín hiệu trong hệ thống MIMO-VBLAST . 67
4.1. Mở đầu 67
4.2. Quy tắc tách sóng ký hiệu 67
4.2.1. Khái niệm chung . . 68
4.2.2. Giải thuật xác suất hậu nghiệm cực đại MAP . 71
4.2.3. Giải thuật khả giống cực đại ML 71
4.3. Máy thu dùng trong mô phỏng tách tín hiệu MIMO-VBLAST 71
4.3.1. Máy thu cưỡng bức không ZF . 72
4.3.2. Máy thu ước tính sai số bình phương nhỏ nhất LLSE hay MMSE . 72
4.3.3. Máy thu V-BLAST . . 72
4.4. Giải thuật và mô phỏng tách tín hiệu trong hệ thống MIMO-VBLAST . 75
4.4.1. Mô hình và kịch bản mô phỏng . 75
4.4.2. Giải thuật và mô phỏng tách sóng V-BLAST/ZF . 75
4.4.3. Giải thuật và mô phỏng tách sóng V-BLAST/LLSE 81
4.4.4. Giải thuật và mô phỏng tách sóng V-BLAST/ZF/MAP . 84
4.4.5. Giải thuật và mô phỏng tách sóng V-BLAST/LLSE/MAP 88
4.5. Kết luận 90
Kết luận 91
Tài liệu tham khảo 92
Phụ lục . . 94