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:

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

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

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

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.
Chương 3:Phân tích bài toán đồng thời tối ưu Nguồn-Đích cho một hệ
thống MIMO một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính, mô phỏng lại một
số kết quả đã được nghiên cứu, mở rộng khảo sát cho trường hợp 8-PSK và
trường hợp có đường liên kết trực tiếp.
Trong quá trình biên soạn, đồ án không tránh khỏi có những sai sót, em
mong được sự góp ý của các Thày giáo và các bạn đọc nói chung. Em xin gửi
lời cảm ơn tới Thày giáo hướng dẫn PGS-TS Trần Xuân Nam, các Thày giáo
nghiên cứu sinh và các Thày giáo trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thông tin vì
đã giúp đỡ em rất nhiều trong định hướng cũng như thực hiện nội dung đồ án tốt
nghiệp đại học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thày giáo trong Khoa Vô
tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự và gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện và
động viên em hoàn thành đồ án này.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO
1.1 Truyền thông hợp tác
1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác (cooperative communication) là sự cộng tác của
một hay nhiều nút trung gian trên đường truyền để truyền tín hiệu từ nút nguồn
đến nút đích. Do quá trình truyền dẫn giữa nút nguồn và đích được hỗ trợ bởi
các nút trung gian nên tạo thành các đường tín hiệu khác nhau đến phía thu[45] .

to-Noise Ratio) của tín hiệu nhận được tại nút Chuyển tiếp vượt quá một giá trị
ngưỡng nào đó thì tại nút Chuyển tiếp thực hiện công việc giải mã-chuyển tiếp
hiệu đó. Mặt khác, nếu kênh truyền giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp chịu tác
động của nhiễu và pha đinh dẫn tới tỷ số SNR thấp hơn giá trị ngưỡng thì nút
Chuyển tiếp ở trạng thái rỗi. Ngoài ra, nếu nút Nguồn biết rằng nút Đích không
giải mã đúng thì nút Nguồn có thể phát lại thông tin tới nút Đích hoặc thông qua
nút Chuyển tiếp để trợ giúp chuyển tiếp thông tin, quá trình này gọi là chuyển
tiếp tăng cường. Trong trường hợp này, cần thiết có một kênh phản hồi từ nút
Đích tới các nút Nguồn và nút Chuyển tiếp.
1.1.3Ứng dụng của truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác có thể được ứng dụng rộng rãi trong các mạng
thông tin vô tuyến như mạng thông tin di động tế bào, mạng ad hoc di động
(MANET: Mobile Ad hoc Network) và mạng cảm biến không dây (WSN:
Wireless Sensor Network). Kỹ thuật truyền thông hợp tác nhờ vào việc chuyển
tiếp dữ liệu qua các nút (trạm) trung gian vì vậy cho phép kéo dài cự ly liên lạc
giữa nút Nguồn và nút Đích cũng như mở rộng phạm vi vùng phủ. Hơn nữa do
các đường chuyển tiếp được truyền phân tán trong không gian nên cho phép hệ
thống thu được độ lợi phân tập không gian (spatial diversty gain) nhờ đó tăng
dung lượng kênh truyền và chất lượng truyền dẫn tín hiệu. Mặt khác, nhờ sử
dụng kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng, các nút trung gian có thể sử dụng công suất
phát thấp hơn trong khi vẫn bảo đảm được yêu cầu chất lượng dịch vụ, và làm
giảm đáng kể can nhiễu đến hệ thống.
Các công nghệ truyền dẫn hợp tác và chuyển tiếp đã dần dần được đưa
vào các chuẩn mạng khác nhau, để phát triển hệ thống thông tin di động đáp ứng
các nhu cầu về chất lượng, độ tin cậy, tốc độ dữ liệu, các yêu cầu về dịch vụ.
Các công nghệ này đã được đưa vào trong các chuẩn IEEE 802.16j và LTE cải
tiến (Long Term Evolution-Advanced). Truyền thông hợp tác cũng được ứng
dụng trong hệ thống vô tuyến nhận thức và các mạng cảm biến.
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO
1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

đường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian.
Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệu pha-đinh
không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ (coherence time)
của kênh truyền. Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời gian là làm
suy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian.
• Phân tập tần số
Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, có thể sử dụng một tập
hợp các tần số để truyền đi cũng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số.
Khoảng cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ
(coherence bandwwidth), để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng
không tương quan với nhau. Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự
tiêu tốn phổ tần số. Ngoài ra, do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên
mỗi nhánh cần sử dụng một máy thu phát cao tần riêng.
• Phân tập phân cực
Nghiên cứu cho thấy tín hiệu truyền đi trên hai phân cực trực giao trong
môi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập. Vì vậy, hai phân
cực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực. Do chỉ tồn tại
hai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo
được chỉ là hai. Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất
tin hiệu phát cần chia đều cho hai nhánh, và vì vậy, chất lượng tín hiệu thu cũng
bị suy giảm đi 2 lần hay 3dB.
• Phân tập không gian
Phân tập không gian là sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu, máy phát hoặccả
ở phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không giankhác
nhau. Khoảng cách cần thiết giữa các ăng-ten tối thiểu là một nửa bướcsóng
( 2)
λ
. Khi sử dụng nhiều ăng-ten ở máy phát, ta có hệ thống phân tập không
gian phát, và có phân tập không gian thu nếu sửdụng nhiều ăng-ten thu. Trường
hợp phân tập không gian mà sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thusẽ

tín hiệu và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn.
Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc[1] .
• Kết hợp số cực đại (MRC: Maximal-Ratio Combining)
Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại được Kahn đề xuất năm 1954. Sử dụng
phương pháp này, tín hiệu của
M
nhánh phân tập được nhân trọng số (weighted)
cân xứng theo tỉ số SNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồng pha rồi kết
hợp (cộng) với nhau. Thực tế, phương pháp kết hợp tỉ số cực đại là phương pháp
kết hợp cho độ lợi lớn nhất. Phương pháp kết hợp này còn được gọi là phương
pháp kết hợp tối ưu (optimum combining). Sơ đồ cấu hình một bộ kết hợp tỉ số
cực đại được trình bày ở Hình 1.3.
Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại[1] .
• Kết hợp đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining)
Tuy phương pháp MRC là phương pháp kết hợp tối ưu cho độ lợi phân
tập lớn nhất trong tất cả các phương pháp kết hợp phân tập thu, nhưng phương
pháp này yêu cầu phải biết chính xác được các trọng số kết hợp
m
w
, do đó
tương đối phức tạp. Hơn nữa, độ lợi thu được của phương pháp MRC không lớn
hơn nhiều so với phương pháp kết hợp chọn lọc. Điều này có nghĩa là phần lớn
độ lợi phân tập thu được từ nhánh phân tập có công suất lớn nhất và nếu một
phương pháp kết hợp có thể thu được độ lợi từ nhánh phân tập đó thì tổng độ lợi
thu được hầu như không thay đổi. Quan sát này dẫn đến một phương pháp phân
tập mới, kỹ thuật kết hợp phân tập đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining),
đơn giản hơn phương pháp MRC. Sử dụng phương pháp kết hợp EGC, tín hiệu
tại các nhánh được đồng pha (co-phasing) giống như trong trường hợp MRC,
nhưng sau đó được nhân với các trọng số có cùng độ lớn, rồi kết hợp với nhau.
Trường hợp đơn giản nhất là đặt độ lợi của các trọng số bằng hằng số đơn vị.

mà không yêu cầu phải mở rộng băng tần, cũng như cần phản hồi
từ máy thu. Một ưu điểm khác của phương pháp này là nó có thể áp dụng trực
tiếp cho các kênh đa đường để thu được thêm độ lợi phân tập đa đường (path
diversity).
• Phân tập phát không gian-thời gian
Hệ thống MIMO có ưu điểm nổi trội là khả năng cho phép tăng dung
lượng kênh truyền vô tuyến theo hàm tuyến tính của số ăng-tennhỏ nhất sử
dụng. Các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các
phương pháp truyền dẫn thoả mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ
kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết cho quá trình khôi phục ở phía máy thu.
1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO
Một số phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO là: ghép kênh
phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing), mã không
gian-thời gian (STC: Space-Time Codes) và điều chế không gian (SM: Spatial
Modulation) như mô tả ở Hình 1.5.
a) Mã không gian-thời gian
Là kỹ thuật mã hóa tín hiệu cho hệ thống phân tập không gian phát, trong
đó tín hiệu phát được mã hóa cả miền thời gian và miền không gian. MIMO-
STC đạt được độ tăng ích phân tập với bậc phân tập lớn nhất
M N´
là tăng ích
mã hóa, hạn chế ảnh hưởng của pha đinh, cải thiện phẩm chất hệ thống (giảm
thiểu BER). Các loại mã STC điển hình ban đầu được S. M. Alamouti[38] vàV.
Tarokh et al.[42] tìm ra. Mã không gian-thời gian có thểđược phân thành hai
loại cơ bản:
- Mã lưới không gian-thời gian (STTC: Space-Time Trellis Codes): loại
mã này có ưu điểm thu được đồng thời cả độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa
nhưng có nhược điểm là phức tạp trên cả phương diện mã hóa và giải mã.
- Mã khối không gian-thời gian (STBC: Space-Time Blocks Codes): loại
mã này có độ phức tạp giải mã thấp, thu được bậc phân tập đầy đủ nhưng không

al. 96[17] và P. W. Wolniansky et al.[34] .
c) Điều chế không gian
Kỹ thuật điều chế không gian và khóa dịch không gian (SSK: Space Shift
Keying) là kỹ thuật sử dụng không gian vị trí ăng-ten để truyền các bit dữ liệu,
số bít truyền tăng theo số ăng-ten sử dụng. Kỹ thuật này có thể khắc phục các
nhược điểm của mã không gian-thời gian và ghép kênh theo không gian. Kỹ
thuật này cho phép tăng hiệu quả phổ và hiệu quả sử dụng năng lượng.
Một số công trình tiên phong điển hình đã được các tác giả thực hiện như:
R. Y. Mesleh et al.[35] đề xuất điều chế không gian cho hệ thống truyền dẫn
đơn ăng-ten. J. Jeganathan et al.[21] đề xuất khóa dịch không gian (SSK) và
khóa dịch không gian suy rộng cho các hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO
đơn và đa ăng-ten. Younis et al.[9] đã đề xuất điều chế không gian suy rộng cho
hệ thống MIMO đa ăng-ten. Đặc biệt là công trình nổi bật của M. Di Renzo et
al.[30] làm rõ điều chế không gian suy rộng cho các kênh MIMO.
1.3 Các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MIMO
Có một số bộ tách tín hiệu MIMO-SDM đã được đề xuất gần đây. Dựa
trên thao tác ước lượng tín hiệu có thể phân loại thành: các bộ tách tín hiệu
tuyến tính, các bộ tách tín hiệu phi tuyến và các bộ tách tín hiệu kết hợp tuyến
tính và phi tuyến nhưHình 1.7.
Hình 1.7: Một số bộ tách tín hiệu cho hệ thống MIMO-SDM [1] .
a) Các bộ tách tín hiệu tuyến tính
Các bộ tách tín hiệu tuyến tính điển hình bao gồm: bộ tách tín hiệu cưỡng
bức bằng không(ZF:ZeroForcing) và bộ tách tín hiệusai số bình phương trung
bình tối thiểu(MMSE: Minimum Mean Square Error). Ưu điểm của cácbộ tách
tín hiệu tuyến tính là có độ phức tạp tính toán thấp và có thể dễ thực hiệnnhờ các
thuật toán thích nghi phổ biến như: bình phương trung bình nhỏ nhất(LMS:
Least Mean Square), bình phương nhỏ nhất qui hồi (RLS: Recursive Least
Square). Nhược điểm của các bộ tách tín hiệu tuyến tính là phẩm chấttách tín
hiệu (tỉ số lỗi bít) đạt được tương đối thấp, đặc biệt là khi sử dụngsố lượng ăng-
ten phát lớn.

Minimum Mean Square Error)
Ngoài đặc tính thống kê của tín hiệu từ ăng-ten phát, bộ tách tín hiệu
MMSE còn xem xét đến cả đặc tính tạp âm tại các nhánh ăng-ten thu, do đó sẽ
khắc phục nhược điểm khuếch đại tạp âm của bộ ZF.
Ưu điểm: đơn giản, độ phức tạp tính toán thấp, dễ triển khai trong thực tế
nhờ các thuật toán thích nghi như LMS, RLS, khắc phục được nhược điểm
khuếch đại tạp âm của bộ tách tín hiệu ZF do bộ MMSE có tính đến đặc tính của
tạp âm, vì vậy phẩm chất BER hay SINR của bộ MMSE thường tốt hơn bộ ZF.
b) Các bộ tách tín hiệu phi tuyến
Các bộ tách tín hiệu phituyến có ưu điểm là có phẩm chất BER tốt hơn
các bộ tách tín hiệu tuyến tính, nhưng cónhượcđiểmlà độ phức tạp tính toán lớn.
Trong các bộ tách tín hiệu phi tuyến, bộtách tín hiệu hợp lệ tối đa(ML:
Maximum Likelihood) là bộ tách tín hiệu tốiưu, có phẩm chất BER tốt nhất. Tuy
nhiên, độ phức tạp tính toán củabộ tách tín hiệu ML lại lớn nhất (biến thiên theo
hàm mũ), vì vậy, bộ táchtín hiệu này rất ít được sử dụng trong thực tế.
Các bộ tách tín hiệu kết hợp nhằm thỏa mãn yêu cầu dung hòa giữa phẩm
chất BER và độ phức tạp tính toán. Các bộ tách tín hiệu kết hợp nhưbộ tách tín
hiệu V-BLAST (Vertical-Bell Labs Layered Space Time) và bộ tách tín hiệu
ML-MMSE.
1.4 Tóm tắt chương
Trong chương 1 đã làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợp
tác và kỹ thuật MIMO. Việc kết hợp truyền thông hợp tác vào các kỹ thuật
MIMO khác nhau cho phép mang lại những giải pháp tiềm năng và hứa hẹn tăng
dung lượng kênh truyền[14] , [17] , [18] , cải tiến độ tin cậy, nâng cao chất
lượng tín hiệu và mở rộng vùng phủ. Đặc biệt, các hệ thống này phù hợp cho

Trích đoạn Tốiưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng có hiện diện liên kết trực tiếp Tốiưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng

---