Tài liệu Truyền dẫn mimo trong các hệ thống vô tuyến hợp tác và chuyển tiếp hai chiều sử dụng pnc

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 -