Mô hình và phương pháp triệt nhiễu trong hệ thống Mimo-OFDM có tính đến ảnh hưởng của tương quan không gian

- Tính cấp thiết đề tài Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cùng với kỹ thuật tích hợp với mật độ rất cao VLSI và kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP cho phép thực hiện các thuật toán cũng như các hệ thống mã hóa phức tạp bằng các thiết bị rất nhỏ có mức công suất tiêu thụ thấp.
- Điều đó tạo điều kiện phát triển các hệ thống thông tin di động hiện đại.
- Ngoài ra, nhu cầu về dung lượng và việc cải thiện chất lượng của các hệ thống thông tin cũng liên tục tăng, các ứng dụng của truyền dữ liệu đa phương tiện hoặc các mạng trò chơi trực tuyến đòi hỏi phải có hệ thống sử dụng hiệu quả phổ để cung cấp chất lượng dịch vụ phù hợp.
- Các hệ thống MIMO đã được quan tâm chú ý trong thập kỷ qua do các lợi ích và tiềm năng của nó, các nghiên cứu liên quan đến MIMO đã hoạt động tích cực trong những năm gần đây trong các viện nghiên cứu lẫn các viện công nghiệp.
- Công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM được phát triển từ những năm sáu mươi của thế kỷ trước và được nghiên cứu bổ sung hoàn thiện trong những năm qua vì nó có ưu điểm nổi bật là sử dụng hiệu quả phổ tần số và khả năng chống lại sự phụ thuộc tần số của kênh pha đinh nhờ vào việc làm tăng chiều dài của ký hiệu dữ liệu.
- Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng, sự kết hợp giữa kỹ thuật MIMO và công nghệ ghép kênh OFDM có thể tăng dung lượng, tăng kích thước phủ sóng và tăng độ tin cậy hệ thống.
- Vì vậy, hệ thống MIMO-OFDM được chọn là ứng viên và đã được chuẩn hóa cho các hệ thống thông tin trong tương lai.
- Trong hệ thống MIMO-OFDM nếu độ dài khoảng bảo vệ đảm bảo lớn hơn trải trễ cực đại và kênh truyền là bất biến thời gian thì hoàn toàn có thể tránh được nhiễu ISI, ICI.
- Vì vậy, bài toán triệt nhiễu để đảm bảo chất lượng cho hệ thống MIMO-OFDM luôn là điều rất cần thiết.
- Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình triệt nhiễu cho các hệ thống MIMO-OFDM, đề xuất cải tiến thuật toán giải mã V-BLAST - 2 - nhằm tăng hiệu quả triệt nhiễu, đề xuất sơ đồ triệt nhiễu cho hệ thống MIMO-OFDM băng rộng có ảnh hưởng của tương quan không gian.
- Nghiên cứu mô hình kênh truyền tương quan không gian và các đặc tính như: ảnh hưởng của tần số Doppler, khoảng cách giữa các phần tử anten phát, thu đến chất lượng hệ thống MIMO-OFDM.
- Xây dựng mô hình nhiễu cho hệ thống thông tin số băng rộng MIMO-OFDM có ảnh hưởng tương quan không gian.
- Nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán giải mã V-BLAST hợp lý có tính đến ảnh hưởng của tương quan không gian.
- Nghiên cứu đề xuất sơ đồ triệt nhiễu hiệu quả cho hệ thống MIMO-OFDM bằng phương pháp kết hợp giải mã V-BLAST với kỹ thuật triệt nhiễu ISI và bù ICI trong miền tần số.
- Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm Matlab để kiểm tra kết quả của các giải pháp đề xuất.
- Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, kế thừa các công trình đã công bố có liên quan cùng với phương pháp giải tích toán học để mô tả, phân tích các đặc tính kỹ thuật của hệ thống.
- Các phép toán ma trận được sử dụng để mô tả các mô hình kênh, mô hình tín hiệu và các thuật khác nhau để tính toán hiệu năng, tỷ lệ lỗi bit… Phương pháp mô phỏng cũng được sử dụng để tính toán, khảo sát, đánh giá và tìm kiếm các kết quả nghiên cứu.
- Cấu trúc luận án Luận án gồm 3 chương: Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO-OFDM Chương 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM CÓ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN Chương 3: ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN CẢI TIẾN V-BLAST VÀ SƠ ĐỒ TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM.
- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO-OFDM 1.1 Các đặc điểm kênh truyền vô tuyến Trong môi trường vô tuyến di động sẽ xảy ra hiện tượng pha đinh đa đường và dịch Doppler.
- Bản chất của pha đinh đa đường là gây ra trải trễ làm cho kênh phụ thuộc vào tần số, còn sự di động gây ra dịch Doppler làm cho kênh phụ thuộc vào thời gian.
- Hình 1.1 mô tả các loại pha đinh của kênh truyền.
- Nếu dịch Doppler mà lớn thì kênh là pha đinh phụ thuộc vào thời gian, còn nếu trải trễ lớn kênh truyền là pha đinh phụ thuộc vào tần số.
- Tùy theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh pha đinh đa đường có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice.
- Tín hiệu truyền qua kênh pha đinh đa đường sẽ gây ra suy hao và méo tín hiệu đa đường, do đó tạo ra nhiễu trong các tín hiệu ở hệ thống thu.
- 1.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Xét hệ thống MIMO-OFDM có Nt anten phát và Nr anten thu.
- Tín hiệu cần truyền được đưa qua bộ phân theo không gian MIMO, mỗi nhánh sau đó được thực hiện giống như máy phát OFDM.
- Tín hiệu truyền qua kênh MIMO băng rộng đến hệ thống thu.
- Tại hệ thống thu, tín hiệu thu được thực hiện loại bỏ khoảng bảo vệ, tách tín hiệu dẫn đường để ước lượng kênh.
- Mỗi luồng tín hiệu sau khi biến đổi nối tiếp sang song song thực hiện giải điều chế và sau đó được tổng hợp để có dữ liệu ra.
- Quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu sau khi FFT được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau: Dịch Doppler Trải trễ Kênh phụ thuộc vào tần số, không phụ thuộc vào thời gian Kênh không phụ thuộc vào tần số, không phụ thuộc vào thời gian Kênh phụ thuộc vào tần số, phụ thuộc vào thời gian Kênh không phụ thuộc vào tần số, phụ thuộc vào thời gian Hình 1.1: Phân loại các kênh pha đinh.
- (1.38) với: 22,sn là phương sai của tạp âm AWGN và tín hiệu phát.
- 1.3 Ước lượng kênh LS (Least Square) Ước lượng kênh theo phương pháp ước lượng bình phương nhỏ nhất LS thường được sử dụng trong các hệ thống MIMO-OFDM vì sự đơn giản tính toán và dễ thực hiện.
- Phương pháp LS được thực hiện dựa vào nguyên lý cực tiểu giá trị bình phương sai số của tín hiệu nhận được tại bên thu so với tín hiệu phát đi.
- Kênh ước lượng LS tại anten thu q được xác định: )()(1kkqHHqYQQQh.
- Chất lượng kênh ước lượng theo phương pháp LS thường không tốt ở khu vực có nhiễu mạnh hay tỷ số SNR thấp.
- Tuy nhiên, phương pháp ước lượng MMSE có độ phức tạp tính toán - 5 - cao hơn do yêu cầu phải lấy ma trận nghịch đảo mỗi lần thay đổi tín hiệu phát.
- Trong ước lượng kênh, tín hiệu huấn luyện TS được chèn vào ký hiệu dữ liệu OFDM trước khi phát.
- Để tăng chất lượng ước lượng trên kênh có nhiễu ISI đồng thời để đảm bảo tính khả đảo của ma trậnQQH sử dụng chuỗi huấn luyện có dạng.
- Hình 1.8: Ước lượng LS cải tiến sử dụng chuỗi TS (1.57) khi có và không có nhiễu ISI.
- Hình 1.6: So sánh ước lượng LS và ước lượng MMSE.
- Hình 1.7: Ước lượng kênh LS thông thường trong hệ thống MIMO-OFDM có và không có nhiễu ISI.
- 6 - 1.4 Mã hóa V-BLAST Mã hóa V-BLAST trong hệ thống MIMO-OFDM minh họa như hình vẽ 1.10 Hệ thống V-BLAST MIMO-OFDM với Nt anten phát và Nr anten thu được mô tả đơn giản trên hình 1.11 Tại phía thu, tín hiệu thu được qy bởi anten q tại được biểu diễn bằng.
- Hình 1.10: Sơ đồ minh họa mã hóa mã hóa V-BLAST, xp(n) là ký hiệu thứ n trên anten phát thứ p.
- Tách không gian 1 : Nt Mã hóa Mã hóa Mã hóa Luồng thông tin Không gian Thời gian x2[0] x2[1] x2[2] x2[3.
- Hình 1.11: Cấu trúc đơn giản hệ thống V-BLAST MIMO-OFDM.
- Thuật toán tách ZF V-BLAST Trong trường hợp tổng quát, từ biểu thức (1.66), véctơ tín hiệu thu tại một thời điểm của ký hiệu được viết dưới dạng: nhy tNiiix1, (1.67) trong đó: ),...,1(tiNi hlà các cột của ma trận kênh H, xi là tín hiệu phát trên anten thứ i, các luồng tín hiệu phát trên các anten là độc lập nhau.
- Chú ý đến luồng dữ liệu thứ k, (1.67) được viết lại bằng: kiiikkxx nhhy, (1.68) trong biểu thức (1.68), số hạng thứ nhất là tín hiệu mong muốn, số hạng thứ hai là nguồn nhiễu của Nt – 1 luồng tín hiệu còn lại, nguồn nhiễu này gọi là nhiễu xuyên luồng hay nhiễu đồng kênh CCI.
- Nguồn nhiễu này có thể loại bỏ bằng cách chiếu véctơ thu y lên không gian con trực giao với các véctơ tNkkhhhh được ký hiệu bằng Vk).
- Phép chiếu là thuật toán tuyến tính và biểu thị nó bằng ma trận Qk kích thước dk × Nr, các hàng của Qk tạo thành không gian con cơ sở trực giao Vk vuông góc với tNkkhhhh .
- Để thực hiện triệt nhiễu thì số luồng tín hiệu phát không lớn hơn số anten thu tức là Nt ≤ Nr.
- Sử dụng bộ lọc phối hợp (matched filter) để giải điều chế luồng dữ liệu k, tại đầu ra bộ lọc tỷ số SNR được xác định bởi: 22nkkkPhQ, (1.70) trong đó, Pk là công suất tín hiệu của luồng (lớp) k.
- Việc chiếu véctơ thu y lên không gian con Vk để tách luồng tín hiệu thứ k tương ứng với việc nhân véctơ thu y với hàng thứ k của ma trận giả đảo (pseudo inverse) của H.
- (1.72) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR sau khi tách là: 22SNRZFknkZFkPW.
- Khi đó một luồng dữ liệu sau khi tách và giải mã, loại chúng ra khỏi véctơ tín hiệu thu và do đó giảm ảnh hưởng của nó đối với các luồng dữ liệu còn lại.
- Nếu trong quá trình tách luồng dữ liệu thứ k, khi thực hiện loại trừ tín hiệu không chính xác thì sẽ xảy ra sai số và sai số này lan truyền đến tất cả các luồng tín hiệu sau: tNk ,...,1.
- Lúc này trong phép chiếu, không gian con chỉ trực giao với tNkhh ,...,1.
- Sai số lan truyền làm cho chất lượng thuật toán tách không hiệu quả.
- Triệt nhiễu theo thứ tự tối ưu V-BLAST Giả sử ký hiệu phát được khôi phục gọi là xˆ, ma trận hiệp phương sai của sai số ước lượng xxˆlà: PHHxxxxQ212ˆˆnHnHE.
- 9 - Toàn bộ thuật toán V-BLAST được tóm tắt như sau: B1.
- Thiết lập ước lượng phần tử tương ứng của x.
- Thuật toán tách MMSE V-BLAST Trong biểu thức (1.68), thành phần nhzkiiix là tạp âm trắng cộng với nhiễu của (Nt – 1) luồng tín hiệu khác tác động lên luồng k gọi là nhiễu màu có hiệp phương sai khả đảo và được xác định bằng: .2trNkiHiiiNnP hhIQz (1.88) Để khắc phục nhược điểm của bộ tách ZF, một ý tưởng được đưa ra đó là: để thực hiện phép chiếu véctơ thu y lên không gian con trực giao, trước tiên đưa véctơ y qua bộ biến đổi tuyến tính khả đảo 21zQ, mục đích là làm trắng nhiễu màu z.
- Sau khi được làm trắng phổ, tín hiệu được chiếu lên không gian con trực giao, lúc này ta có.
- k zQhhQhhQzQhQhQhQyQzzzzzzzz kkkkkkkkxx (1.90) Từ (1.90) luồng tín hiệu xk được tách, bộ tách tuyến tính tương ứng bằng: ,)(121ktrNkiHiiiNnkkP hhIhQhwz (1.91) và đầu ra có tỷ số SINR bằng.
- (1.93) Thuật toán triệt nhiễu nối tiếp SIC MMSE theo thứ tự tối ưu được thực hiện giống như thuật toán ZF V-BLAST.
- Thuật toán tách hợp lý cực đại MLD (Maximum Likelihood Detection) MLD là một phương pháp thực hiện tìm kiếm xác suất hợp lý trên tất cả các vector phát x.
- Ý tưởng phương pháp này là tìm vector thích hợp nhất xi trên chòm sao tín hiệu đã phát ({x1.
- (1.96) Phương pháp tách MLD là phương pháp cho chất lượng BER tối ưu nhất trong ba thuật toán.
- Tuy nhiên thuật toán này có nhược điểm là độ phức tạp tăng theo số mũ với số lượng anten phát Nt.
- So sánh chất lượng các bộ tách Hình 1.15: BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh Rayleigh phẳng, điều chế BPSK của thuật toán ZF V-BLAST.
- Hình 1.16: BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh Rayleigh phẳng, điều chế BPSK của thuật toán MMSE V-BLAST.
- 11 - Hình biểu diễn đồ thị so sánh chất lượng của các bộ tách với các trường hợp có triệt nhiễu nối tiếp SIC và theo thứ tự tối ưu (ORDER).
- Kết quả biểu diễn cho thấy thuật toán tách MLD cho chất lượng tối ưu nhất.
- Thuật toán MMSE là thuật toán dung hòa giữa chất lượng và độ phức tạp nên thường được chọn để áp dụng và nghiên cứu.
- ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM CÓ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN 2.1 Mô hình kênh MIMO tương quan không gian Mô hình kênh MIMO tương quan băng rộng được phân tích, mở rộng dựa trên mô hình hình học một vòng tròn (one-ring) phân tán của kênh MIMO băng hẹp.
- Đối với kênh MIMO băng hẹp, hệ số kênh phức biến đổi theo thời gian )(,thpqgiữa anten phát thứ p và anten thu thứ q được biểu diễn như sau NntfjqnpnpqnnebaNth (2.2) trong đó, các tham số được xác định bằng: Hình 1.17: So sánh BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh Rayleigh phẳng, điều chế BPSK của các thuật toán ZF, MMSE, ML V-BLAST.
- Hàm tương quan không gian được xác định bằng: ,]cossinsin )42cos41([2exp21 )(2exp djdDDDDjryrxtytxkSqSSmSprt.
- Da,b là ký hiệu khoảng cách từ a tới b.
- Hình 2.6 là kết quả SER trong các trường hợp khác nhau của các khoảng cách anten.
- Hình 2.8 cho thấy kênh không tương quan là kênh lý tưởng nên kết quả SER tốt hơn so với kênh tương quan không gian.
- 13 - 2.2 Đề xuất mô hình nhiễu cho hệ thống MIMO-OFDM Ký hiệu chuỗi ký hiệu đầu vào cần truyền {d(0, i), d(1, i.
- d(N-1, i)} tại khe thời gian thứ i, chỉ số sóng mang con thứ n.
- Qua hệ thống MIMO-OFDM có Nt anten phát và Nr anten thu, sau giải điều chế ký hiệu tại anten thu thứ q được biểu diễn bằng.
- (2.25) với: m, k, G tương ứng là chỉ số thời gian tuyệt đối, chỉ số trễ thời gian và độ dài khoảng bảo vệ.
- Nếu kênh truyền không phụ thuộc vào thời gian thì các sóng mang con luôn thỏa mãn điều kiện trực giao nên tín hiệu thu cũng loại được nhiễu ICI.
- Ký hiệu thu được sau khi giải điều chế chính là ký hiệu có ích và được xác định bằng: Hình 2.6: SER của hệ thống 2 × 2 MIMO-OFDM với các khoảng cách giữa các phần tử anten khác nhau.
- δt = 5λ, δr = 3λ δt = 5λ, δr = 2λ δt = 17,5λ, δr = 2λ δt = 10λ, δr = 2.5λ δt = 10λ, δr = 3λ Hình 2.8: So sánh SER của mô hình kênh tương quan và không tương quan.
- Nếu kênh truyền là phụ thuộc thời gian thì hàm truyền của kênh thay đổi trong một ký hiệu OFDM, do đó làm mất tính chất trực giao giữa các sóng mang con.
- Nếu kênh truyền không phụ thuộc vào thời gian (nhiễu ISI sẽ được phân tích sau), trường hợp này sự mất trực giao giữa các sóng mang con do khoảng bảo vệ nhỏ hơn trải trễ cực đại kênh truyền, vì vậy xảy ra nhiễu xuyên sóng mang ICI và được xác định như sau.
- Trường hợp kênh truyền phụ thuộc vào thời gian, sự mất trực giao giữa các sóng mang con xảy ra có cả hai thành phần do kênh phụ thuộc vào thời gian và do khoảng bảo vệ không đảm bảo, vì vậy thành phần nhiễu ICI trong trường hợp này bằng tổng hai thành phần nhiễu gây ra do sự phụ thuộc thời gian và do độ dài của khoảng bảo vệ không đảm bảo, tổng hai thành phần nhiễu ICI này được xác định.
- Mô hình nhiễu xuyên ký hiệu ISI Trong hệ thống OFDM, ISI chỉ xảy ra khi độ dài khoảng bảo vệ nhỏ hơn trải trễ cực đại kênh truyền.
- Ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng hệ thống MIMO-OFDM Để thực hiện mô phỏng, các tham số hệ thống được chọn giống như HiperLAN/2, với N = NFFT = 64, điều chế 16-QAM.
- Hình 2.13 biểu diễn đồ thị SER phụ thuộc vào độ dài khoảng bảo vệ của hệ thống MIMO-OFDM 2 × 2, độ dài kênh L = 18 và có ảnh hưởng của tương quan không gian với các khoảng cách δt, δr khác nhau.
- Xét đồ thị ứng với δt = 11λ, và δr = 0.5λ, khi G càng lớn thì nguồn nhiễu càng giảm nên chất lượng hệ thống càng tăng.
- Đặc biệt chú ý đến điểm gãy ứng với vị trí có G = 18, tức là độ dài khoảng bảo vệ lớn hơn độ dài kênh, lúc này nhiễu ISI được loại bỏ hoàn toàn, nhiễu ICI chỉ còn lại thành phần nhiễu gây ra do kênh phụ thuộc vào thời gian còn nhiễu ICI do khoảng bảo vệ gây ra cũng được loại bỏ.
- Do đó khi G ≥ 18 thì công suất tín hiệu thu được lớn nên tỷ số SER giảm nhanh.
- Trên hình 2.14 là các đồ thị biểu diễn kết quả so sánh tỷ số SER trong các trường hợp bị ảnh hưởng của nhiễu ISI, nhiễu ICI-Gb do G bé hơn trải trễ, nhiễu ICI-TG do kênh truyền phụ thuộc thời gian và khi không có nhiễu.
- Chúng ta thấy rằng chất lượng hệ thống xấu đi rất nhiều khi bị tác động bởi nhiễu.
- ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN V-BLAST VÀ SƠ ĐỒ TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 3.1 Đề xuất cải tiến thuật toán MMSE V-BLAST Hình 2.14: Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM trong các trường hợp có và không có nhiễu trên mô hình tương quan không gian có δt = 11λ, δr = 0.5λ.
- Hình 3.1: Ảnh hưởng sai số lan truyền đến chất lượng giải mã giữa các lớp của thuật toán V-BLAST trong hệ thống MIMO-OFDM 4 × 4, điều chế QPSK và thông tin trạng thái kênh CSI hoàn hảo.
- Hình 2.13: Đồ thị biểu diễn tỷ số SER phụ thuộc vào độ dài khoảng bảo vệ G có ảnh hưởng của tương quan không gian với các khoảng cách anten thu và phát khác nhau

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt