i HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHẠM THỊ MAI HƯƠNG KHÓA: 8 HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA MẠNG CHUYỂN TIẾP MIMO NĂM 2014 ii HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHẠM THỊ MAI HƯƠNG KHÓA: 8 HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 5252020109 NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA MẠNGCHUYỂN TIẾP MIMO Cán bộ hướng dẫn PGS. TS Trần Xuân Nam iii NĂM 2014 BỘ QUỐC PHÒNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA: VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Phê chuẩn Ngày tháng năm 2014 CHỦ NHIỆM KHOA Độ mật: Số: NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: Phạm Thị Mai Hương Lớp: ĐTVT-8B Khóa: 8 Ngành: Kỹ thuật điện - điện tử Chuyên ngành: Điện tử viễn thông 1. Tên đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu mạng chuyển tiếp MIMO 2. Các số liệu ban đầu: …………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 3. Nội dung bản thuyết minh: Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác MIMO. Chương 2: Tối ưu mạng hợp tác MIMO. Chương 3: Kết hợp tối ưu máy thu phát trong các hệ thống MIMO chuyển tiếp không tái sinh. iv 4. Số lượng, nội dung các bản vẽ và các sản phẩm cụ thể (nếu có): …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………. 5. Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Trần Xuân Nam, Thượng tá, Phó chủ nhiệm khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Ngày giao: 14/01/2014 Chủ nhiệm bộ môn Ngày hoàn thành: 20/04/2014 Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2014 Cán bộ hướng dẫn Thượng tá, PGS-TS Trần Xuân Nam Học viên thực hiện Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 20 tháng 04 năm 2014 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC v LỜI MỞ ĐẦU 1 Chương 1 3 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO 3 1.1 Truyền thông hợp tác 3 1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác 3 1.1.3Ứng dụng của truyền thông hợp tác 5 1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO 5 1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến 5 1.4 Tóm tắt chương 16 Chương 2 17 TỐI ƯU MẠNG HỢP TÁC MIMO 17 2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng 17 2.1.1Mô hình tín hiệu 17 2.1.2 Công thức bài toán 19 2.1.3 Tối ưu cho bài toán 20 a) Các hàm lõm-Schur cộng 21 b) Các hàm lồi-Schur cộng 23 2.1.4 Tối ưu cho bài toán 25 2.1.5 Mở rộng đối với các kiến trúc không tuyến tính 27 a) Thiết kế cho bài toán 28 b) Thiết kế cho bài toán 28 2.1.6 Mở rộng đối với các kênh pha-đinh chọn lọc tần số 29 ii 2.2 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều đa chặng 30 2.3 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng sử dụng đa nút chuyển tiếp song song 32 2.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng có hiện diện liên kết trực tiếp Nguồn-Đích 33 2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng 34 3.1 Đặt vấn đề 37 3.2. Mô hình hệ thống đề xuất 38 3.3 Kết quả mô phỏng 43 3.3.1 Mô hình mô phỏng 43 3.3.2. Phân tích kết quả 44 3.4. Tóm tắt chương 47 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp MIMO Multiple Input-Multiple Output Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra MISO Multiple Input – Single Output Nhiều đầu vào - một đầu ra MRC Maximal Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình nhỏ nhất MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương SDM Spatial Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm iv DANH SÁCH HÌNH VẼ v DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, in nghiêng Biến số x Chữ thường, in nghiêng, đậm Vec-tơ s Chữ hoa, in nghiêng, đậm Ma trận H E{.} Phép tính kỳ vọng E{ }x t r( )· Phép toán lấy vết của ma trận tr( )H 2 2 · Chuẩn Frobenious của ma trận 2 2 W @ Phép toán định nghĩa srd rd r sr H H F H@ K I Ma trận đơn vị bậc K 2 I ( ) T × Phép toán lấy chuyển vị T H ( ) H × Phép toán lấy chuyển vị Hermitian H H ( ) log × Lô ga rít tự nhiên ( ) log 8 { } 1,2, , K n diag a n = = A Ma trận đường chéo kích thước K K´ với các phần tử trên đường chéo n a { } 1 2 3 , , k k k k diag= FFFF M N´ £ Tập ma trận kích thước M N´ với các giá trị phức 2 2´ ÎU £ i, j é ù ê ú ë û X Phần tử thứ ,i j của ma trận X , ; 1,2, , m m m M é ù = ê ú ë û E LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin, tốc độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu của người dùng về các dịch vụ vô tuyến tăng rất nhanh. Kết quả dẫn đến những bức bách về nhu cầu mở rộng vùng phủ, nâng cao chất lượngvà đặc biệt là gia tăng tốc độ truy nhập. Các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới như các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation), các hệ thống phát triển dài hạn tiên tiến LTE (Long-Term Evolution), cáchệ thống truy nhập vô tuyến băng rộngWiMAX (Worldwide Interoperability via Microwave Access), hay mạng cục bộ vô tuyến Wi-Fi (Wireless Fidelity) đã cho phép người dùng có thể đạt được tốc độ truy nhập hàng trăm Mbps. Một trong các giải pháp then chốt nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn cao đã được xác định rõ là truyền dẫn trên kênh đa đầu vào-đa đầu ra MIMO (Multiple Input-Multiple Output) và truyền thông hợp tác. Đã có rất nhiều giải pháp tối ưu cho các mạng hợp tác MIMO như lựa chọn nút trung gian tốt nhất làm nút Chuyển tiếp, các kỹ thuật lựa chọn ăng-ten. Đặc biệt là hàng loạt các kỹ thuật tối ưu cho các ma trận tại các nút mạng. Từ ý nghĩa khoa học và thực tiễn trên em nhận thấy, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các giải pháp tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác có vai trò hết sức quan trọng. Vì vậy, trong đồ án này em xin tập trung nghiên cứu những khái niệm và các kỹ thuật tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác. Nội dung đồ án của em gồm: Chương 1:Làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợp tác và kỹ thuật MIMO. Chương 2:Tổng hợp những công trình nghiên cứu liên quan đến tối ưu hóa mạng truyền thông hợptác MIMO-AF đã đượcthực hiện. [...]... gian H thng MIMO cú u im ni tri l kh nng cho phộp tng dung lng kờnh truyn vụ tuyn theo hm tuyn tớnh ca s ng-tennh nht s dng Cỏc cụng trỡnh nghiờn cu v MIMO ó tp trung vo vic xut cỏc phng phỏp truyn dn tho món c s cõn bng gia li thu c t kờnh MIMO v phc tp cn thit cho quỏ trỡnh khụi phc phớa mỏy thu 1.2.3 Cac phng phap truyờn dõn trờn kờnh MIMO Mụt sụ phng phap truyn dn in hỡnh trờn kờnh MIMO l: ghộp... khụng gian suy rụng cho cac hờ thụng truyờn dõn trờn kờnh MIMO n va a ng-ten Younis et al.[9] a ờ xuõt iờu chờ khụng gian suy rụng cho hờ thụng MIMO a ng-ten c biờt la cụng trinh nụi bõt cua M Di Renzo et al.[30] lam ro iờu chờ khụng gian suy rụng cho cac kờnh MIMO 1.3 Cac phng phap tach tin hiờu trong hờ thụng MIMO Cú mụt sụ b tỏch tớn hiu MIMO- SDM ó c xut gn õy Da trờn thao tỏc c lng tớn hiu cú... thuõt MIMO Viờc kờt hp truyờn thụng hp tac vao cac ky thuõt MIMO khac nhau cho phep mang lai nhng giai phap tim nng v ha hn tng dung lng kờnh truyn[14] , [17] , [18] , ci tin tin cy, nõng cao cht lng tớn hiu v m rng vựng ph c biờt, cac hờ thụng nay phu hp cho viờc truyờn dõn tục ụ cao trờn cac kờnh bng rụng cung nh cac kờnh pha-inh chon loc tõn sụ Chng 2 TễI U MANG HP TAC MIMO 2.1 Ti u h thng MIMO. .. bng hi tip quyt nh (DFE: Decision Feedback Equalizer) trong cỏc h thng MIMO khụng tuyn tớnh cho phộp ci thin ỏng k BER hoc dung lng h thng k c vi cỏc h thng MIMO n chng cng nh mt chiu hai chng [27] ,[50] v[51] Vi cỏc h thng MIMO tuyn tớnh cỏc kt qu tỡm c da trờn lý thuyt a s cng (additively majorization) ngc li trong cỏc h thng MIMO khụng tuyn tớnh cỏc kt qu phõn tớch da trờn lý thuyt a s nhõn (multiplicative... tng th H =W H rd FH srU c chộo húa Cỏc kt qu phõn tớch trờn cho thy h thng chuyn tip AF -MIMO tng ng vi mt tp cỏc kờnh n u vo-n u ra (SISO: Single Input-Single Output) song song iu ny c ch ra trờn Hinh 2.2khi S c chn l ma trn n v, tng t kt qu nhn c i vi cỏc h thng MIMO n chng [12] Hinh 2.2:S khi tng ng ca mt h thng MIMO mt chiu hai chng khi khụng cú ng trc tip [28] Trong khi ti u phõn b cụng sut qua... thng M ì N MIMO- SDM [1] Do tớn hiu phỏt tcỏc ng-ten phỏt khỏc nhau nờn vic tỏch tớn hiu ca mi lung phỏt mỏythu s chu nh hng nhiu ng kờnh (CCI: Co-Channel Interference) t cỏc lung cũn li Vỡ vy, mỏy thu ch cn s dng mt b tỏch tớn hiu tt cú kh nng cung cp BERthp, ng thi li khụng yờu cu quỏ cao v phc tp tớnh toỏn Do mỏyphỏt s dng phng phỏp SDM ch n thunl mt b phõn kờnh nờn cỏc nghiờn cu v MIMO- SDM u... thng MIMO mt chiu hai chng 2.1.1Mụ hỡnh tớn hiu Xem xột cho h thng MIMO mt chiu hai chng, khụng tỏi sinh, tuyn tớnh, lm vic trờn kờnh pha-inh phng, khụng cú s hin din ca ng liờn kt trc tip Ngun-ớch do suy hao ng truyn ln.Phng thc thu nhn v x lý tớn hiu ti cỏc chuyn tip theo giao thc AF nh s trờn Hinh 2.1 Hinh 2.1: S khi mt h thng MIMO tuyn tớnh mt chiu hai chng[28] T Vộc-t tớn hiu phỏt t Ngun s... ỏn tt nghip i hc Em cng xin gi li cm n n cỏc Thay giỏo trong Khoa Vụ tuyn in t, Hc vin K thut Quõn s v gia ỡnh ó h tr, to iu kin v ng viờn em hon thnh ỏn ny Chng 1 TễNG QUAN Vấ TRUYấN THễNG HP TAC MIMO 1.1 Truyờn thụng hp tac 1.1.1 Khai quat chung vờ truyờn thụng hp tac Truyn thụng hp tỏc (cooperative communication) l s cng tỏc ca mt hay nhiu nỳt trung gian trờn ng truyn truyn tớn hiu t nỳt ngun... ng thi li khụng yờu cu quỏ cao v phc tp tớnh toỏn Do mỏyphỏt s dng phng phỏp SDM ch n thunl mt b phõn kờnh nờn cỏc nghiờn cu v MIMO- SDM u tp trung vo victhit k b tỏch tớn hiu mỏy thu Mụt sụ hờ thụng MIMO- SDM iờn hinh c tim ra bi G J Foschini et al 96[17] va P W Wolniansky et al.[34] c) iờu chờ khụng gian Ky thuõt iờu chờ khụng gian va khoa dich khụng gian (SSK: Space Shift Keying) la ky thuõt s dung... Cỏc cụng ngh ny ó c a vo trong cỏc chun IEEE 802.16j v LTE ci tin (Long Term Evolution-Advanced) Truyờn thụng hp tac cung c ng dung trong h thng vụ tuyn nhn thc va cac mng cm bin 1.2 Ky thuõt truyờn dõn MIMO 1.2.1 Cac ky thuõt phõn tõp trong thụng tin vụ tuyờn Trong thụng tin vụ tuyn quỏ trỡnh truyn dn luụn chiu nh hng bi cỏc hin tng pha-inh Pha-inh c phõn loi theo nhiu cỏch khỏc nhau, tựy thuc vo tham . tại nút Chuyển tiếp không theo giao thức đã sử dụng. Trong giao thức chuyển tiếp khuếch đại- chuyển tiếp (AF: Amplify- and-Forward) cố định, nút Chuyển tiếp nhận bản tin sau đó khuếch đại và phát. Chuyển tiếp là giải mã tín hiệu nhận được, mã hóa lại và sau đó phát tới máy thu. Loại chuyển tiếp này gọi là giao thức chuyển tiếp giải mã -chuyển tiếp ((DF: Detect- and-Forward) cố định. Chuyển. hai chặng sử dụng đa nút chuyển tiếp song song 32 2.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng có hiện diện liên kết trực tiếp Nguồn-Đích 33 2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng 34 3.1