Đang tải... (xem toàn văn)
KỸ THUẬT TÁCH NGUỒN MÙ (BSS) ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY MIMO HỢP TÁC NGUYỄN THANH HÙNG Trang nhan đề Lời cảm ơn Mục lục Danh mục Mở đầu Chương 1 Tổng quan truyền thông không dây Chương 2 Hệ thống truyền thông hợp tác Chương 3 Kỹ thuật phân tách nguồn mù Chương 4 Ứng dụng kỹ thuật BSS trong hệ thống Mimo hợp tác Chương 5 Kết luận và hướng phát triển Tài liệu tham khảo
Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 MỞ ĐẦU 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 12 1.1 Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập 12 1.1.1 Kênh truyền dẫn fading 12 1.1.2 Các kỹ thuật phân tập 15 1.2 Các kỹ thuật kết hợp phân tập 17 1.2.1 Phương pháp EGC (Equal Gain Combining) 18 1.2.2 Phương pháp MRC (Maximal Ratio Combining) 19 1.3 Kỹ thuật mã hóa không-thời gian 22 1.3.1 Mã hóa không-thời gian (Space-Time Coding) 22 1.3.2 Bộ giải mã ML (Maximum Likelihood) 26 1.4 Hệ thống MIMO 27 1.5 Tóm tắt chương 1 29 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 30 2.1 Kỹ thuật truyền thông hợp tác 30 2.1.1 Kiểu hợp tác AF (Amplify-and-Forward) 32 2.1.2 Kiểu hợp tác DF (Decode-and-Forward) 39 2.1.3 Một số kiểu hợp tác khác 43 2.2 Hệ thống MIMO hợp tác 44 Trang 2 2.2.1 Không có kết hợp tín hiệu 46 2.2.2 Có kết hợp tín hiệu 49 2.3 Ước lượng kênh trong hệ thống truyền thông hợp tác 52 2.4 Tóm tắt chương 2 55 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT PHÂN TÁCH NGUỒN MÙ 57 3.1 Vấn đề phân tách nguồn mù 57 3.2 Phân tích thành phần độc lập (ICA) 59 3.2.1 Nguyên lý ước lượng trong ICA 60 3.2.2 Tiền xử lý tín hiệu 61 3.2.3 Thuật toán FastICA 63 3.2.4 Tính không xác định của ICA 68 3.3 Thuật toán BSS khác 69 3.3.1 Thuật toán JADE 69 3.3.2 Phân tích thành phần thưa (SCA) 70 3.4 Tóm tắt chương 3 73 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BSS TRONG HỆ THỐNG MIMO HỢP TÁC 74 4.1 Ước lượng kênh trong hệ thống MIMO hợp tác 74 4.2 Uớc lượng mù kênh truyền ở máy relay 76 4.3 Kết quả mô phỏng 78 4.3.1 Thông số mô phỏng 78 4.3.2 Có kênh truyền trực tiếp 78 4.3.3 Không có kênh trực tiếp 85 4.4 Tóm tắt chương 4 90 Trang 3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 Trang 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 3GPP 3 rd Generation Partnership Project AF Amplify-and-Forward AWGN Additive White Gaussian Noise BCE Blind Channel Estimation BER Bit Error Rate BSS Blind Source Separation CSI Channel Sate Information CLT Central Limit Theorem DF Decode-and-Forward DSTC Distributed Space-Time Code EGC Equal-Gain Combining EVD eigenvalue decomposition FDMA Frequency Division Multiple Access IC Independent Component ICA Independent Component Analysis ISI Intersymbol Interference JADE Joint Approximate Diagonalization of Eigenmatrices LMMSE Linear Minimun Mean Square Error LOS Line-Of-Sight LTE Long-Term Evolution MIMO Multiple-Input Multiple-Output MISO Multiple-Input Single-Output ML Maximum Likelihood MLE Maximum Likelihood Estimation MMSE Minimun Mean Square Error MSE Mean Square Error MRC Maximal Ratio Combining Trang 5 NLOS Non-Line-Of-Sight NMSE Normalized Mean-Square Error OPA Optimal Power Allocation OSTBC Orthogonal Space-Time Block Code PCA Principle Component Analysis pdf probability density function SC Selection Combining SCA Sparse Component Analysis SIMO Single-Input Multiple-Output SISO Single-Input Single-Output SNR Signal-to-Noise Ratio STBC Space-Time Block Code STTC Space-Time Trellis Code SVD Singular Value Decomposition TDMA Time Division Multiple Access Trang 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình hệ thống SIMO 18 Hình 1.2: Xác suất outage của hệ thống SIMO dùng EGC [5] 20 Hình 1.3: Xác suất outage của hệ thống SIMO dùng MRC [5] 21 Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống dùng mã hóa không-thời gian 23 Hình 1.5: Mô hình hệ thống MIMO 27 Hình 1.6: Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO [5] 28 Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông hợp tác 31 Hình 2.2: Hệ thống hợp tác có một máy relay 32 Hình 2.3: Kiểu hợp tác AF 33 Hình 2.4: So sánh xác suất outage của các kiểu hợp tác AF [5] 38 Hình 2.5: So sánh hiệu quả truyền hợp tác AF đơn anten khi có và không có kết hợp tín hiệu ở máy đích 39 Hình 2.6: Kiểu hợp tác DF 40 Hình 2.7: So sánh xác suất outage của các kiểu hợp tác DF [5] 43 Hình 2.8: Mô hình MIMO hợp tác 45 Hình 2.9 : So sánh hiệu quả MIMO hợp tác AF không có kết hợp tín hiệu và truyền trực tiếp 48 Hình 2.10 : So sánh hiệu quả MIMO hợp tác AF có và không có kết hợp tín hiệu và truyền trực tiếp 52 Hình 3.1: Mô hình phân tách nguồn tín hiệu 57 Hình 3.2: Nguồn tín hiệu thưa 72 Hình 3.3: Phân bố tín hiệu trước và sau xử lý SCA [21] 72 Hình 4.1: BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK và N=512 79 Trang 7 Hình 4.2: NMSE hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK và N=512 80 Hình 4.3: BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế BPSK và N=512 81 Hình 4.4: BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm bình phương, điều chế QPSK và N=512 81 Hình 4.5: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N 83 Hình 4.6: So sánh NMSE hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N 83 Hình 4.7: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng thuật toán JADE, điều chế QPSK theo giá trị N 84 Hình 4.8: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF có dùng kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK, N=512 theo lỗi ước lượng ở máy đích 85 Hình 4.9: BER hệ thống MIMO hợp tác AF không có kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK và N=512 86 Hình 4.10: BER hệ thống MIMO hợp tác AF không có kênh trực tiếp, dùng FastICA hàm log, điều chế BPSK và N=512 87 Hình 4.11: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF không có kênh trực tiếp, dùng FasICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N 88 Hình 4.12: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF không có kênh trực tiếp, dùng thuật toán JADE, điều chế QPSK theo giá trị N 89 Hình 4.13: So sánh BER hệ thống MIMO hợp tác AF không có kênh trực tiếp, dùng FasICA hàm log, điều chế QPSK, N=512 theo lỗi ước lượng ở máy đích 90 Trang 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Giá trị BER hệ thống MIMO hợp tác AF có kết hợp tín hiệu, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK và N=512 80 Bảng 4.2: Giá trị BER hệ thống MIMO hợp tác AF có kết hợp tín hiệu, dùng FastICA hàm log, điều chế QPSK theo giá trị N 82 Trang 9 MỞ ĐẦU Hệ thống truyền thông hợp tác được nghiên cứu trong vài năm gần đây có thể khai thác được tính phân tập không gian ngay khi các máy thu phát chỉ có một anten, do đó có thể giảm được kích thước, độ phức tạp và chi phí cho thiết bị. Đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép người dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp (máy relay) hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác. Tùy theo cách máy relay thực hiện xử lý và chuyển tiếp tín hiệu đến máy đích mà ta có các kiểu hợp tác khác nhau, trong đó kiểu hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp (AF - Amplify-and-Forward) được xem là đơn giản nhất vì máy relay chỉ thực hiện khuếch đại tín hiệu và sau đó truyền đến máy đích. Tùy theo hệ số khuếch đại mà kiểu AF được chia thành hai loại: AF có hệ số khuếch đại cố định và AF có hệ số khuếch đại biến thiên. Kiểu AF dùng hệ số khuếch đại biến thiên cho hiệu quả tốt hơn so với hệ số khuếch đại cố định vì nó được tính theo hệ số kênh truyền giữa máy nguồn và máy relay (kênh s-r), đảm bảo tín hiệu do máy relay truyền đến máy đích có công suất ổn định và bằng với công suất tín hiệu do máy nguồn truyền [7]. Trong hệ thống MIMO (Multiple - Input Multiple - Output ) hợp tác, theo tài liệu [1], thông tin kênh s-r cũng cần có ở máy đích để khôi phục tín hiệu. Do đó, trong các đề tài nghiên cứu hiện nay về hệ thống hợp tác thường sử dụng cách ước lượng thông tin kênh s-r trực tiếp ở máy đích dựa vào chuỗi huấn luyện do máy nguồn gởi [1],[2]. Cách này có ưu điểm là máy nguồn không cần phải gởi chuỗi huấn luyện cho máy relay, tránh được lỗi lượng tử khi chuyển thông tin kênh từ máy relay đến máy đích, tiết kiệm được băng thông và công suất truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khi thông tin kênh s-r được ước lượng ở máy đích thì máy relay chỉ sử dụng hệ số khuếch đại cố định được tính theo trị thống kê của kênh truyền nên làm giảm hiệu quả hệ thống so với sử dụng hệ số biến thiên. Do đó đề tài này hướng đến thực hiện ước lượng mù ma trận kênh truyền s-r ở máy relay mà không cần sử dụng chuỗi huấn luyện, thông tin kênh sau ước lượng được sử dụng để tính hệ số khuếch đại biến thiên. Trang 10 Ước lượng mù ma trận kênh truyền là một ứng dụng của kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS - Blind Source Separation). Mục tiêu chính của đề tài là áp dụng kỹ thuật BSS ở máy relay trong mạng MIMO hợp tác để ước lượng ma trận kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện. Khi đó máy relay dùng hệ số khuếch đại biến thiên được tính theo hệ số kênh truyền ước lượng nên cho hiệu quả tốt hơn so với dùng hệ số khuếch đại cố định. Luận văn được trình bày theo 4 chương như sau: - Chương 1 trình bày về hiện tượng fading trong truyền thông không dây và các kỹ thuật phân tập giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Kỹ thuật mã hóa STBC (Space-Time Block Code ) và hệ thống MIMO cũng được trình bày để có khái niệm cơ bản trong hệ thống MIMO hợp tác. - Chương 2 trình bày cơ bản về truyền thông không dây hợp tác với hai kiểu hợp tác phổ biến là AF và DF (Decode-and-Forward). Chương này cũng trình bày cách tính hệ số khuếch đại tối ưu trong hệ thống MIMO hợp tác kiểu AF và vấn đề ước lượng kênh hợp tác ở máy đích dựa trên chuỗi huấn luyện kênh. - Chương 3 là nội dung cơ bản của kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS). Nội dung chính của chương là ước lượng mù các tín hiệu thực và tín hiệu phức bằng kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (ICA - Independent Component Analysis) và thuật toán JADE. - Chương 4 là thực hiện ứng dụng kỹ thuật BSS để ước lượng mù kênh truyền ở máy relay trong hệ thống MIMO hợp tác. Hai thuật toán ước lượng được sử dụng là FastICA và JADE. Phần cuối của chương trình bày kết quả mô phỏng trên máy tính hiệu quả của hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ thuật BSS. Kết quả của đề tài thể hiện hiệu suất hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ thuật BSS ở máy relay. Khi đó máy relay có thể ước lượng được ma trận kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện kênh, nên hệ số khuếch đại biến thiên được dùng thay cho hệ số cố định để cải thiện hiệu suất cho hệ thống, nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông nên đặc biệt hữu ích trong các mạng truyền tin băng hẹp trong [...]... hệ thống MIMO hợp tác kiểu AF khi các máy thu phát có nhiều anten Phần cuối là vấn đề ước lượng kênh truyền trong mạng hợp tác khi có sử dụng chuỗi huấn luyện kênh 2.1 Kỹ thuật truyền thông hợp tác Kỹ thuật truyền thông MIMO có nhiều ưu điểm được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền thông hiện nay nhờ khai thác tốt tính phân tập không gian nhưng yêu cầu các máy thu phát phải có nhiều anten Trong thực... THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật cho phép các người dùng có thể truyền giúp bản tin của người khác đến máy đích, như vậy có thể mở rộng khoảng cách truyền tin hoặc tăng hiệu quả truyền tin trong hệ thống Chương này trình bày tổng quan về khái niệm và các kỹ thuật cơ bản trong hệ thống truyền thông hợp tác Phần 1 của chương trình bày hai kiểu hợp tác cơ bản và phổ biển là hợp. .. và phần 3 là các kỹ thuật kết hợp phân tập và kỹ thuật mã hóa được dùng trong phân tập không gian khi máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten thu phát sóng Cuối cùng là tóm tắt về hệ thống MIMO khi máy thu và máy phát đều có nhiều anten 1.1 Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập 1.1.1 Kênh truyền dẫn fading Trong các hệ thống truyền thông không dây, tín hiệu được lan truyền trong không gian gần mặt... phiên bản khác của tín hiệu được truyền, khi đó máy thứ 3 được gọi là máy chuyển tiếp (relay) như trong Hình 2.1 Hệ thống truyền thông có phương thức hợp tác truyền tín hiệu giữa các máy như trên còn gọi là truyền thông hợp tác Trang 31 Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông hợp tác Trong mạng hợp tác, máy relay có thể phát lại một bản sao tín hiệu được truyền bởi máy nguồn nên tạo ra một mảng anten... phương pháp kết hợp tín hiệu cho máy thu để tăng hiệu quả truyền tin Kênh truyền dẫn trong hệ thống này còn được gọi là kênh truyền MIMO, có dung lượng kênh phụ thuộc trạng thái thông tin kênh truyền được biết ở máy phát Trong phần này ta xem xét về dung lượng của kênh MIMO khi máy phát không biết thông tin CSI và sử dụng kỹ thuật mã hóa STBC như trên Giả sử các kênh truyền trong hệ thống MIMO cũng là... nhiều hạn chế nên đề tài không tránh được sự thiếu sót, tác giả mong nhận được ý kiến đánh giá, góp ý để hoàn thiện đề tài tốt hơn Trang 12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về truyền thông không dây và kỹ thuật phân tập không gian trong hệ thống có nhiều anten thu phát Phần 1 của chương tóm tắt về kênh fading đa đường và các kỹ thuật phân tập Nội dung... hóa không- thời gian (STC Space-Time Coding) được dùng khi máy phát không biết thông tin về CSI, là trường hợp phổ biến nhất trong hệ thống truyền thông không dây thực tế Khi đó, tín hiệu cần truyền được mã hóa trong cả miền không gian và thời gian, nên tín hiệu được truyền trên nhiều anten qua các lần truyền khác nhau [5],[12] 1.3.1 Mã hóa không- thời gian (Space-Time Coding) Phương pháp mã hóa không- thời... của tín hiệu được truyền ở máy nguồn như trong hệ thống phân tập không gian, do đó có thể tăng chất lượng hệ thống truyền thông Trong phần này, ta phân tích hiệu quả hợp tác qua thông số SNR tín hiệu thu ở máy đích và dung lượng kênh của hệ thống hợp tác kiểu AF, DF Hệ thống có một máy nguồn, một máy relay và một máy đích, mỗi máy chỉ có một anten được minh họa như trong Hình 2.2, trong đó Ps , Pr là... bản sao của nó được truyền trên các anten khác nhau Các anten được đặt cách nhau một khoảng cách đủ xa tùy theo bước sóng (λ) của sóng mang và môi trường truyền dẫn Trong môi trường có nhiều tán xạ gần mặt đất, khoảng cách anten trong máy di động thường là λ/2 đến λ và trong trạm cố định (base station) là khoảng 10λ Phân tập hợp tác: đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép người... Các kỹ thuật kết hợp phân tập Kỹ thuật phân tập không gian là kỹ thuật được dùng phổ biến trong các hệ thống truyền thông hiện nay, với sự phát triển của công nghệ linh kiện điện tử nên có thể tích hợp nhiều hơn một anten vào thiết bị cầm tay Nếu máy thu có nhiều anten thì tại một thời điểm máy thu sẽ thu được nhiều bản tín hiệu khác nhau ở các anten khác nhau, các tín hiệu này có thể được kết hợp . THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 30 2.1 Kỹ thuật truyền thông hợp tác 30 2.1.1 Kiểu hợp tác AF (Amplify-and-Forward) 32 2.1.2 Kiểu hợp tác DF (Decode-and-Forward) 39 2.1.3 Một số kiểu hợp tác khác. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 12 1.1 Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập 12 1.1.1 Kênh truyền dẫn fading 12 1.1.2 Các kỹ thuật phân tập 15 1.2 Các kỹ thuật kết hợp phân tập 17. Kiểu hợp tác DF 40 Hình 2.7: So sánh xác suất outage của các kiểu hợp tác DF [5] 43 Hình 2.8: Mô hình MIMO hợp tác 45 Hình 2.9 : So sánh hiệu quả MIMO hợp tác AF không có kết hợp tín hiệu và truyền