BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
VŨ ĐỨC HIỆP
TRUYỀN DẪN MIMO TRONG
CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC VÀ
CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
VŨ ĐỨC HIỆP
TRUYỀN DẪN MIMO TRONG
CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC VÀ
CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 62.52.02.03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS TRẦN XUÂN NAM
HÀ NỘI - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong
bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được
trích đầy đủ và theo đúng quy định
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2015
Tác giả
Vũ Đức Hiệp
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn
PGS.TS. Trần Xuân Nam đã giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, và
hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn TS. Phạm Văn
Biển đã hướng dẫn và góp ý khoa học cho một phần nội dung của luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Bộ môn Thông tin,
Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận
lợi để tác giả hoàn thành nhiệm vụ. Tác giả cũng xin cảm ơn Bộ Tư lệnh
Thông tin Liên lạc, Trường sĩ quan Thông tin là đơn vị chủ quản, đã tạo
điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm
nghiên cứu sinh.
Luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu tối ưu mạng
vô tuyến hợp tác MIMO” mã số 102.03-2012.18 của Quỹ phát triển Khoa học
và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) và đề tài “Truyền thông hợp tác liên
lớp mạng không dây dựa trên kỹ thuật mã mạng” mã số 39/2012/HD/NDT
của Bộ Khoa học và Công nghệ. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Khoa học
và Công nghệ và Quỹ Nafosted đã tài trợ một phần kinh phí cho nghiên cứu
của luận án.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng
chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn
để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay.
MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vi
DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xi
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN
VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.1. Sự phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến . . . . . . . . . . . . . .
15
1.2. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.3. Phân loại các trạm chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.4. Phân loại các kỹ thuật chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.5. Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.6. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.7. Mô hình mô phỏng PNC kênh TWRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.8. Tóm tắt chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
i
ii
Chương 2. TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP MIMO
KẾT HỢP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP . . . . . . . . . . . . . .
36
2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.2. Mô hình truyền thông chuyển tiếp MIMO-SDM . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
2.3. Mô hình truyền thông hợp tác MIMO-SDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
2.4. Lựa chọn nút chuyển tiếp cho kênh truyền thông hợp tác MIMO-SDM . .
42
2.5. Đề xuất các thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cải tiến . . . . . . . .
44
2.6. Mô phỏng đánh giá chất lượng các thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
2.7. Tóm tắt chương và kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
Chương 3. TRUYỀN THÔNG MIMO TRÊN KÊNH
VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
3.1. Tổng quan về truyền thông chuyển tiếp hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . .
58
3.2. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC cho kênh MIMO . . . . . . . . . . .
60
3.3. Hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.4. Mô hình đề xuất MIMO-SDM-PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
3.5. Mô hình đề xuất MIMO-STBC-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
3.6. Vấn đề ước lượng kênh truyền và đồng bộ trong các hệ thống
MIMO-PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
3.7. Tóm tắt và kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . .
126
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh
3GPP
Nghĩa Tiếng Việt
Third Generation Partner- Dự án hợp tác thế hệ 3
ship Project
AWGN
Additive
White
Gaussian Tạp âm Gauss trắng cộng
Noise
tính
AF
Amplify and Forward
Khuếch đại và chuyển tiếp
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bít
BC
Broadcast Phase
Pha quảng bá
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm gốc
CCI
Co-Channel Interference
Nhiễu đồng kênh
CQI
Channel Quality Index
Chỉ số chất lượng kênh
truyền
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
truyền
DF
Decode and Forward
Giải mã và chuyển tiếp
eNodeB
E-UTRAN
LLR
Nút B của E-UTRAN
Evolved -Universal Terres- Mạng truy nhập vô tuyến
trial Radio Access Network
mặt đất vạn năng tăng cường
Log Likelihood Ratio
Tỷ số hợp lệ theo hàm lô-garít
LTE
Long Term Evolution
Phát triển dài hạn
MA
Multiple Access
Đa truy nhập
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập môi
trường
iii
iv
MAP
Maximum A posteriori Prob- Xác suất hậu nghiệm cực đại
ability
MANET
Mobile Ad hoc Network
MIMO
Multiple
Mạng Ad hoc di động
Input-Multiple Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra
Output
MISO
Multiple Input-Single Out- Nhiều đầu vào-một đầu ra
put
ML
Maximum Likelihood
Hợp lệ cực đại
MRT
Maximal Ratio Transmission Phát tỷ lệ cực đại
MMSE
Minimum Mean Square Er- Sai số bình phương trung
ror
bình nhỏ nhất
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSE
Mean Square Error
Sai số bình phương trung
bình
NC
Network Coding
Mã hóa mạng
N
Node
Nút
PNC
Physical layer Network Cod- Mã hóa mạng lớp vật lý
ing
QAM
Quadrature Amplitude Mod- Điều chế biên độ cầu phương
ulation
QPSK
Quadrature
Phase-Shift Khóa dịch pha cầu phương
Keying
SDM
Spatial Division Multiplex- Ghép kênh phân chia theo
ing
SIMO
không gian
Single Input – Multiple Out- Một đầu vào-nhiều đầu ra
put
SINR
SNR
Signal to Interference plus Tỷ số công suất tín hiệu trên
Noise Ratio
công suất nhiễu cộng tạp âm
Signal to Noise Ratio
Tỷ số công suất tín hiệu trên
tạp âm
v
STBC
Space-Time Block Code
Mã khối không gian thời gian
STC
Space-Time Coding
Mã không gian thời gian
R
Relay
Chuyển tiếp
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RN
Relay Node
Nút chuyển tiếp
RS
Relay Station
Trạm chuyển tiếp
TS
Traditional Scheme
Sơ đồ truyền thống
TWRC
Two-Way Relay Channel
Kênh chuyển tiếp hai chiều
UE
User Equipment
Thiết bị người dùng
V-BLAST
Vertical Bell Labs Layered Hệ thống không gian thời
Space Time
gian phân lớp theo chiều dọc
của Bell Labs
Wi-Fi
Wireless Fidelity
Chuẩn mạng cục bộ không
dây của Wi-Fi Alliance
WiMAX
ZF
Worldwide Interoperability Tương thích toàn cầu qua
for Microwave Access
truy nhập vi-ba
Zero Forcing
Cưỡng bức về không
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1
Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2
Minh họa vai trò của trạm chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3
Chuyển tiếp loại I và loại II [19].
1.4
Minh họa mô hình chuyển tiếp một chiều [19]. . . . . . . . . . . 20
1.5
Minh họa mô hình chuyển tiếp hai chiều [19]. . . . . . . . . . . . 21
1.6
Sơ đồ không mã hóa mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.7
Sơ đồ mã hóa mạng NC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8
Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý PNC.
1.9
Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất. . . . 30
. . . . . . . . . . . . . . . . . 19
. . . . . . . . . . . . . . . 26
1.10 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai.
. . . 31
1.11 So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh. 35
2.1
Mô hình truyền thông chuyển tiếp MIMO-SDM. . . . . . . . . . 38
2.2
Mô hình truyền thông hợp tác. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3
Mô hình kênh MIMO tương đương sử dụng phân tích SVD,
trong đó λi là giá trị riêng của kênh [1]. . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4
So sánh phẩm chất BER cho các trường hợp lựa chọn nút khác
nhau, các nút sử dụng MIMO-SDM, hai nút chọn một. . . . . . . 53
2.5
Phẩm chất BER của thuật toán lựa chọn nút dựa trên SNR
khi số nút trung gian thay đổi, các nút sử dụng MIMO-SDM. . . 53
2.6
Phẩm chất BER của thuật toán lựa chọn nút dựa trên giá trị
riêng khi số nút trung gian thay đổi, các nút sử dụng MIMO-SDM. 54
2.7
So sánh độ phức tạp tính toán giữa ba thuật toán lựa chọn nút
chuyển tiếp MSE, SNR và Eigen-value. . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1
Mô hình kênh chuyển tiếp hai chiều sử dụng SIMO-PNC. . . . . 63
vi
vii
3.2
Mô hình MIMO tương đương của hệ thống chuyển tiếp hai
chiều SIMO-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3
Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng ZF (LLR)
cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và không lựa chọn
nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4
Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng ZF (kết
hợp chọn lọc) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và
không lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5
Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng MMSE
(LLR) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và không
lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6
Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng MMSE (kết
hợp chọn lọc) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và
không lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . 75
3.7
Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC kết hợp lựa chọn
nút chuyển tiếp sử dụng tách tín hiệu ZF khi số nút trung gian
thay đổi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.8
Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC kết hợp lựa chọn
nút sử dụng tách tín hiệu MMSE khi số nút trung gian thay đổi.
3.9
78
Đề xuất mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC.79
3.10 Giá trị ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách ZF trong hệ
thống MIMO-SDM-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.11 Giá trị ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách MMSE trong
hệ thống MIMO-SDM-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.12 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách ZF. 90
3.13 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách
MMSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.14 Ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách ZF trong hệ thống
MIMO-SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
viii
3.15 Ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách MMSE trong hệ thống
MIMO-SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.16 Phẩm chất BER cho trường hợp tách ZF trong hệ thống MIMOSDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.17 Phẩm chất BER cho trường hợp tách MMSE trong hệ thống
MIMO-SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.18 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa
chọn nút và không lựa chọn nút; tách ZF (LLR); hai nút chọn một.96
3.19 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa
chọn nút và không lựa chọn nút; tách ZF (kết hợp chọn lọc);
hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.20 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa
chọn nút và không lựa chọn nút; tách MMSE (LLR); hai nút
chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.21 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa
chọn nút và không lựa chọn nút; tách MMSE (kết hợp chọn
lọc); hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.22 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC đề xuất kết
hợp lựa chọn nút trong trường hợp số nút trung gian thay đổi. . . 98
3.23 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC-PNC. . . . 101
3.24 Giá trị ngưỡng tốt nhất cho hệ thống MIMO-STBC-PNC sử
dụng tách ZF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.25 Giá trị ngưỡng tốt nhất cho hệ thống MIMO-STBC-PNC sử
dụng tách MMSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.26 Phẩm chất BER của hệ thống đề xuất MIMO-STBC-PNC sử
dụng tách tín hiệu ZF tại chuyển tiếp.
. . . . . . . . . . . . . . 112
3.27 Phẩm chất BER của hệ thống đề xuất MIMO-STBC-PNC sử
dụng tách tín hiệu MMSE tại chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . 112
ix
3.28 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách
ZF (LLR) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn nút; hai nút
chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.29 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách
ZF (kết hợp chọn lọc) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn
nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.30 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách
MMSE (LLR) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn nút; hai
nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.31 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách
MMSE (kết hợp chọn lọc) kết hợp lựa chọn nút và không lựa
chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.32 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC kết hợp lựa
chọn nút trong trường hợp số nút trung gian thay đổi. . . . . . . 118
DANH MỤC BẢNG
1.1
Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu đồng pha. . . . . . . 29
1.2
Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu vuông pha. . . . . . . 29
2.1
Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào giá trị riêng. . . . . 47
2.2
Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào SNR.
3.1
Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC
trên kênh TWRC theo chuẩn ma trận kênh.
3.2
. . . . . . . 49
. . . . . . . . . . . 71
Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC
trên kênh TWRC theo tiêu chuẩn trung bình hài hòa. . . . . . . 72
x
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu
Ý nghĩa
Ví dụ
Chữ thường, in nghiêng
Biến số
x
Chữ thường, in nghiêng, đậm
Véc-tơ
s
Chữ hoa, in nghiêng, đậm
Ma trận
H
Chữ I in đậm, nghiêng
Ma trận đơn vị có các phần
I
tử trên đường chéo bằng 1 và
các phần tử khác bằng 0
N
Số ăng-ten phát
N
z
Tạp âm
zr
σ2
Phương sai tạp âm
E {·}
Phép tính kỳ vọng
E {x}
Pr{·}
Xác suất
Pr{A
- Xem thêm -