Nghiên cứu hệ thống MIMO MC-CDMA sử dụng SVD nhiều chiều dựa trên cơ sở giải thuật MMSE

8 1 0
  • Loading ...
1/8 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 11/02/2020, 18:28

Bài viết này trình bày mô hình hệ thống MIMO MC-CDMA kết hợp với SVD nhiều chiều trên cơ sở giải thuật MMSE để đạt hiệu quả tốt hơn trong sử dụng kênh truyền và kiểm chứng bằng mô phỏng trên Matlab. Trên cơ sở đó, nghiên cứu ứng dụng thiết kế các bộ thu tối ưu cho hệ thống MIMO MC-CDMA. Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MIMO MC CDMA SỬ DỤNG SVD NHIỀU CHIỀU DỰA TRÊN CƠ SỞ GIẢI THUẬT MMSE Dỗn Thanh Bình* Tóm tắt: Kỹ thuật MC-CDMA kế thừa tất ưu điểm CDMA OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với Fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thơng hiệu quả, tính bảo mật cao giảm độ phức tạp hệ thống Bài báo trình bày mơ hình hệ thống MIMO MC-CDMA kết hợp với SVD nhiều chiều sở giải thuật MMSE để đạt hiệu tốt sử dụng kênh truyền kiểm chứng mô Matlab Trên sở đó, nghiên cứu ứng dụng thiết kế thu tối ưu cho hệ thống MIMO MC-CDMA Từ khóa: MC- CDMA; Singular Value Decomposition (SVD); MMSE; MIMO MỞ ĐẦU Hai vấn đề khó khăn thách thức khơng nhỏ hệ thống MC-CDMA truyền thông kênh MIMO nhiễu đa người dùng MUI (Multi User Interference) nhiễu đa anten MAI (Multi Antenna Interference) hay nhiễu đồng không gian CSI (Co-space Interference) Bài báo đưa giải pháp giải khó khăn cách sử dụng phân tích SVD nhiều chiều dựa sở giải thuật MMSE Đồng thời đưa mơ hình thực ngiệm kiểm chứng tính hiệu giải pháp đề tối ưu chất lượng hệ thống qua cho thấy khả thực thi hệ thống MIMO MCCDMA thực tế MƠ HÌNH HỆ THỐNG MIMO MC-CDMA Ta xét hệ thống MIMO MC-CDMA với K người dùng L sóng mang con, trạm gốc sử dụng N anten phát người dùng sử dụng M anten thu M ≥ N Sau điều chế bit liệu, vector liệu người dùng thứ m trạm gốc có cơng thức = với J số luồng con, ∈ {1, … , } Giả thiết ký tự liệu , , , ,…, , thuộc luồng khác người dùng khác độc lập với cơng suất chuẩn, = ( − ) với , ∈ {1, … , }, đó, ma trận xác định với kích thước JxJ [1] Hình Mơ hình đơn giản phát MIMO MC-CDMA Trong hệ thống MC-CDMA thông thường ký tự liệu trải phổ miền tần số Tuy nhiên, để tận dụng đa dạng không gian lợi ích từ thiết kế máy thu loại bỏ ISI cho MIMO MC-CDMA thực việc trải phổ không gian tần số Ma trận mã trải phổ không gian-tần số (SF) = , , , ,…, , với Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, - 2019 121 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử kích thước NLxJ bao gồm J vector mã trực giao trải phổ khác = ( − ) với , ∈ {1,2, … , } với = độ lợi xử lý Ký tự tất người dùng trải phổ NL kênh không gian-tần số sau thêm vào liệu trải phổ này, trạm gốc gửi vector liệu đi: = (1) Hình Mơ hình đơn giản thu MIMO MC-CDMA Tại thu người dùng thứ m, vector tín hiệu đầu khối FFT là: = + (2) Với vector tín hiệu thu MLx1 vector bổ sung nhiễu trắng Gauss với ma trận hiệp phương sai trung bình khơng = Ngồi ra, ma trận kênh không gian-tần số khối chéo MLxNL trạm gốc người dùng thứ m, ( ) … ⎤ ⎡ ⋱ ( ) ⋮ ⎥ ⎢0 =⎢ ⎥ ⋱ ⎥ ⎢ ⋮ ⋱ ( ) ⎣ … ⎦ Để làm bật có mặt MAI/CSI MUI, vector í ệ = ố (3) biểu diễn sau: / ễ + ∑ , + (4) Ta dễ dàng nhận thấy không dễ dàng để khử MUI mã trực giao bị làm hỏng theo kênh truyền liệu người dùng khác Một cách hiệu để giảm thiểu MAI/CSI sử dụng SVD dựa kỹ thuật hướng búp sóng SVD ma trận kênh chéo có biểu thức sau: (5) = Trong đó, ma trận đơn nhất, MLxNL NLxNL ma trận trực giao NLxNL Chúng ta sử dụng ma trận ma trận truyền hướng búp sóng với người dùng ∑ thứ m, = trở thành vector truyền miền không gian-tần số Tín hiệu thu trạm gốc nhận có biểu thức sau [3]: 122 Dỗn Thanh Bình, “Nghiên cứu hệ thống MIMO MC CDMA … giải thuật MMSE.” Nghiên cứu khoa học công nghệ = + = + (6) Ma trận hiệu chỉnh hướng búp sóng viết sau: = = + + (7) Để loại bỏ MUI, trình giải mã trải phổ trình bày sau: = = + (8) + (9) Như vậy, tính trực giao mã trải phổ người dùng bị phá vỡ nhiễu gây ma trận , khơng loại bỏ MUI sử dụng thuật tốn SVD thơng thường Bộ thu SVD dựa giải thuật TIC sử dụng ma trận đồng hướng búp sóng thu khơng cần triển khai ma trận truyền phát ma trận hướng búp sóng cho người dùng thứ m Do vậy, có: = = + (10) Cuối để triệt tiêu MAI/CSI MUI, triển khai ma trận giải trải phổ thu cho thỏa mãn biểu thức quan hệ sau: (11) = Trong đó, kích thước NLxJ Sau giải trải phổ có: (12) = = + Trong đó, = vector nhiễu Jx1 đầu giải trải phổ Chúng ta thấy MAI/CSI MUI bị giảm thiểu hồn tồn tổng nhiễu khơng; Do đó, phương pháp gọi khử tổng nhiễu (TIC) Sự hạn chế SVD dựa phương thức TIC đưa việc sử dụng ma trận tiền đồng Từ đó, cơng suất phát cần điều chỉnh để chuẩn hóa, thành phần đường chéo nhỏ ( trị đơn nhỏ) làm suy giảm công suất chip kênh khơng gian-tần số làm suy giảm hiệu suất (BER) Để khắc phục vấn đề khó khăn này, phần tiếp theo, nghiên cứu ứng dụng phân tích SVD dựa sở giải thuật MMSE PHƯƠNG PHÁP SVD NHIỀU CHIỀU DỰA TRÊN CƠ SỞ GIẢI THUẬT MMSE Xét hệ thống MIMO MC-CDMA, ký tự liệu người dùng trải phổ NI kênh không gian-tần số với NI giá trị nguyên cho phép tối đa ả đầ đủ = người dùng riêng biệt Như biết, mã HW tồn I bội số bốn Để giải vấn đề triển khai tập hợp mã giao thoa sóng mang phức cho tính chất trực giao độc lập với chiều dài mã = Cho ma trận mã trải phổ CI người dùng thứ k thước NIxJ Cột thứ j có dạng sau: , = , , ,…, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, - 2019 ( ) , , , , ,…, , với kích (13) 123 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Pha vector mã trải phổ thiết lập sau: , ≤ , = ≤ (14) −1 Trong đó, = ( − 1) + , hệ số luồng Chúng ta có: = 1≤ ( ≤ , 1≤ ≤ (15) − ) (16) Với , ∈ {1,2, … , } = độ lợi xử lý Vector liệu SF sóng mang hoạt động có biểu thức: = ( ) = ( ) , ,…, ( ) (17) () Với kích thước NIx1 biểu diễn không gian vector liệu Nx1 sóng mang thứ i Để triển khai IDFT L-điểm phát, vector liệu NIx1, , ánh xạ tới sóng mang hoạt động vector liệu NLx1, = ( ) Cho tập hợp xác định hệ số sóng mang = [ , , … , ] với ∈ {1, , } Triển khai theo cú pháp MATLAB cho tham chiếu hàng cột ma trận, có: ( , 1) = ( , 1), ∈ , ∈ {1, … , } (18) ( , 1) = 0, ế ∉ Vector liệu viết sau: = ( ) , ( ) ,…, ( ) (19) ( ) Trong đó, biểu diễn vector liệu khơng gian Nx1 sóng mang thứ l Ma trận lựa chọn NLxNL chọn sóng mang thuộc nhánh anten để truyền phát Do vậy, vector liệu miền thời gian có biểu thức sau: = Trong đó, √ = ( ) , ( ) ,…, ( ) (20) √ ma trận DFT chéo NLxNL có dạng thức sau: ( ) = ,…, ma trận FFT với thành phần thứ (i,j) [ ], = (21) √ √ ( )( ) Tại thu, sau loại bỏ CP, DFT, sóng mang bị ngưng hoạt động, vector liệu không gian tần số NIx1 kênh hoạt động có dạng sau: = + (22) Trong đó, ma trận chéo khơng gian-tần số MIxNI có cách loại bỏ ma trận kênh bị ngưng hoạt động Chúng ta có SVD : (23) = Trong đó, ma trận đơn ma trận NixNI Khai triển ma trận giải trải phổ, hướng búp sóng mà đồng có: 124 Dỗn Thanh Bình, “Nghiên cứu hệ thống MIMO MC CDMA … giải thuật MMSE.” Nghiên cứu khoa học công nghệ = Ma trận giải trải phổ = + (24) có biểu thức tính tốn sau: (25) = Chúng ta xét vector liệu SF thu biểu thức (22), theo phương pháp này, sử dụng ma trận hướng búp sóng sau: (26) = Chúng ta sử dụng ma trận hướng búp sóng (beamforming matrix), ma trận chéo tiền đồng , , cho tín hiệu phát người dùng thứ m, tín hiệu có biểu thức sau: (27) = = , Sau áp dụng , = , có tín hiệu thu trạm gốc sau: = + = (28) Để tránh nhiễu trị đơn nhỏ triển khai riêng ma trận đồng NIxNI cho luồng Do đó, luồng liệu thu thứ j sau giải trải phổ có biểu thức: (29) , = , , Để tính tốn hệ số đồng bộ, hốn đổi vị trí giải trải phổ đồng cho viết lại biểu thức (29), có: , = , , = , , + , , + , (30) , Trong biểu thức trên, chu kỳ biểu diễn ký tự mong muốn người dùng thứ m, chu kỳ thứ hai thứ ba MAI/CSI MUI tương ứng chu kỳ cuối biểu diễn phần nhiễu Để tính tốn vector đồng bộ, , sử dụng mức chip, giải thuật MMSE sử dụng sau trình giải trải phổ mức ký tự Do vậy, phương pháp gọi SC-MMSE Lỗi bình phương trung bình mức chip có dạng thức sau: (31) = − , Thực tối thiểu , tương ứng, có: , , = + , , (32) , Trong đó, ta có: , , , = = = , , , , , Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, - 2019 (33) (34) (35) 125 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Khi so sánh phương trình (30) SC-MMSE với (24) TIC, thấy tính trực giao khơng trì, phương pháp SC-MMSE chưa loại bỏ hoàn toàn MUI Tuy nhiên, ảnh hưởng can thiệp nhiễu việc dò tìm mức ký tự giảm thiểu, dẫn đến hiệu suất vượt trội so với TIC MÔ PHỎNG, SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 4.1 Mô hệ thống uplink MIMO MC CDMA Thực mô với hệ thống uplink MIMO MC-CDMA với liệu khởi tạo sau: Số người dùng 64 Số sóng mang L=32 Phương thức điều chế sử dụng QPSK Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR =30dB Số anten phát anten thu Chúng ta đánh giá hiệu hệ thống với phương pháp TIC SVD nhiều chiều dựa MMSE (SC-MMSE) thông qua thông số BER Hình Đánh giá BER phương pháp TIC SC-MMSE Thông qua mô phỏng, dễ dàng nhận thấy hệ thống MIMO MC-CDMA sử dụng phương pháp SC-MMSE cho hiệu tốt phương pháp TIC trường hợp đơn người dùng đa người dùng 4.2 Mô hệ thống downlink MIMO MC-CDMA Chúng ta thực mô với hệ thống downlink MIMO MC-CDMA với liệu khởi tạo sau: Số người dùng tối đa 24 Số sóng mang L=32 Vector tín hiệu phân bố độc lập với điều chế 16 QAM Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR =30dB Số anten phát anten thu Thành phần suy giảm theo hàm mũ giả thiết β = 0.1 Profile trễ công suất hàm mũ với Lc = 8, phân biệt kênh MIMO lựa chọn tần số với trạm gốc người dùng Mã sử dụng HW CI Chúng ta đánh giá hiệu hệ thống với thu CI-TIC CI-SC-MMSE thông qua thông số BER 126 Dỗn Thanh Bình, “Nghiên cứu hệ thống MIMO MC CDMA … giải thuật MMSE.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình Đánh giá BER phương pháp TIC SC-MMSE Kết mô cho thấy, thu TIC (CI-TIC HW-TIC) loại bỏ hoàn toàn MUI, nhiên, hiệu suất bị suy giảm trị đơn nhỏ kênh Các thu SC-MMSE giải hạn chế cho thấy hiệu suất vượt trội trường hợp đơn người dùng đa người dùng KẾT LUẬN Bài báo trình bày thu dựa SVD uplink MIMO MC-CDMA downlink MIMO MC-CDMA môi trường truyền phát vô tuyến thông minh Đầu tiên, hệ thống uplink MIMO MC-CDMA thấy rõ vượt trội phương pháp đề xuất SC-MMSE so với TIC hai trường hợp đơn người đa người dùng việc loại bỏ MAI/CSI, MUI đảm bảo hiệu suất hệ thống Đối với hệ thống downlimk MIMO MC-CDMA xét môi trường truyền thông vô tuyến thông minh, thu đề xuất CI-TIC CI-SC-MMSE cho thấy khả loại bỏ MAI/CSI MUI tốt, nhiên, CI-TIC gặp hạn chế khuếch đại công suất nhiễu bị suy giảm hiệu suất trị đơn nhỏ, CI-SC-MMSE khắc phục hạn chế cho thấy vượt trội mặt hiệu suất Từ kết nghiên cứu báo này, thấy tiềm phát triển hệ thống MIMO nói chung khả quan MIMO MC-CDMA hoàn toàn khả thi thực tế Do đó, tương lai, cần quan tâm nghiên cứu thêm giải pháp kết hợp để nâng cao chất lượng hệ thống (lọc Kalman, ước lượng kênh với cân MMSE, SVD đa tuyến tính, v.v ), làm giảm độ phức tạp MC-CDMA với MMSEC, hướng tới tính hiệu mặt kinh tế triển khai hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Vehkapera, D Tujkovic, Z Li and M Juntti, "Receiver design for Technol.”, vol 54, No 3, pp 1042 - 1055, May 2005 [2] H Zamiri-Jafarian, M Rajabzadeh, “SVD-based receiver for downlink MIMO MCCDMA systems,” IEEE ICC, June 2009, pp 1-5 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, - 2019 127 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [3] Z Wu, P Ratazzi, V D Chakravarthy and Lang Hong, "Performance evaluation of adaptive non-contiguous MC-CDMA and non-contiguous CI/MC-CDMA for dynamic spectrum access", IEEE CrownCom, May 2008, pp.1-6 [4] B Natarajan, C R Nassar, M Michelini, and Z Wu, “High- performance MCCDMA via carrier interferometry codes,” IEEE Trans Veh Technol., vol 50, no 6, pp 1344–1353, Nov 2001 [5] X Qiao, W Yang, W Liu, “Iteratative soft interference cancellation for uplink turbocoded MIMO MC-CDMA system,” IEEE WiCOM, Sept, 2007, pp 113-117 ABSTRACT A STUDY ON MIMO MC-CDMA SYSTEM USING MULTI-DIMENSIONAL SVD BASED ON MMSE ALGORITHM MC-CDMA technology inherits all the advantages of CDMA and OFDM technology such as: high rate tranmission, subtainability with frequency selective fading, efficient bandwidth usage, high security and reduced system complexity In this paper, MIMO MC-CDMA system model in combination with multidimensional SVD on the basics of MMSE algorithm is presented to archive better efficiency in the use of transmission channels and verification by simulation on Matlab On that basis, the application for optimal receivers for MC-CDMA MIMO system designs is studied Keywords: Large interesting field; The particular field; Interesting subject Nhận ngày 15 tháng năm 2019 Hoàn thiện ngày 11 tháng năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng năm 2019 Địa chỉ: Đại học Điện lực * Email: Binhdt@epu.edu.vn 128 Dỗn Thanh Bình, “Nghiên cứu hệ thống MIMO MC CDMA … giải thuật MMSE.” ... khó khăn này, phần tiếp theo, nghiên cứu ứng dụng phân tích SVD dựa sở giải thuật MMSE PHƯƠNG PHÁP SVD NHIỀU CHIỀU DỰA TRÊN CƠ SỞ GIẢI THUẬT MMSE Xét hệ thống MIMO MC-CDMA, ký tự liệu người dùng... hiệu hệ thống với phương pháp TIC SVD nhiều chiều dựa MMSE (SC -MMSE) thông qua thông số BER Hình Đánh giá BER phương pháp TIC SC -MMSE Thông qua mô phỏng, dễ dàng nhận thấy hệ thống MIMO MC-CDMA sử. .. Thanh Bình, Nghiên cứu hệ thống MIMO MC CDMA … giải thuật MMSE. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ = + = + (6) Ma trận hiệu chỉnh hướng búp sóng viết sau: = = + + (7) Để loại bỏ MUI, trình giải mã trải
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu hệ thống MIMO MC-CDMA sử dụng SVD nhiều chiều dựa trên cơ sở giải thuật MMSE, Nghiên cứu hệ thống MIMO MC-CDMA sử dụng SVD nhiều chiều dựa trên cơ sở giải thuật MMSE

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn