Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống MIMO qua kênh truyền pha-đinh Rayleigh sử dụng bộ tách tín hiệu ZF và MMSE

Trong bài báo này chúng tôi sẽ mô phỏng đánh giá và so sánh tỷ lệ lỗi bít BER (Bit Error Rate) của hệ thống MIMO (Multiple Input - Multiple Output) sử dụng bộ tách tín hiệu cưỡng bức bằng không ZF (Zero Forcing) và bộ tách tín hiệu sai số bình phương trung bình tối thiểu MMSE (Minimum Mean Square Error) với các cấu hình 2x2, 2x3, 4x4, 4x5, 8x8 và 8x9 anten. Kết quả mô phỏng cho thấy tỷ lệ lỗi bít BER trong hệ thống sử dụng tách tín hiệu MMSE tốt hơn hệ thống sử dụng kỹ thuật tách tín hiệu ZF.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống MIMO qua kênh truyền pha-đinh Rayleigh sử dụng bộ tách tín hiệu ZF và MMSE N. P. Ngọc / Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống MIMO qua kênh truyền pha-đinh Rayleigh... MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO QUA KÊNH TRUYỀN PHA-ĐINH RAYLEIGH SỬ DỤNG BỘ TÁCH TÍN HIỆU ZF VÀ MMSE Nguyễn Phúc Ngọc Trường Đại học Vinh Ngày nhận bài 15/8/2017, ngày nhận đăng 03/12/2017 Tóm tắt: Kỹ thuật tách tín hiệu tuyến tính có vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn không dây tốc độ cao. Kỹ thuật này có khả năng chống nhiễu xuyên ký hiệu ISI (Inter - Symbol Interference) trong hệ thống thông tin di động kênh pha-đinh Rayleigh một cách hiệu quả. Trong bài báo này chúng tôi sẽ mô phỏng đánh giá và so sánh tỷ lệ lỗi bít BER (Bit Error Rate) của hệ thống MIMO (Multiple Input - Multiple Output) sử dụng bộ tách tín hiệu cưỡng bức bằng không ZF (Zero Forcing) và bộ tách tín hiệu sai số bình phương trung bình tối thiểu MMSE (Minimum Mean Square Error) với các cấu hình 2x2, 2x3, 4x4, 4x5, 8x8 và 8x9 anten. Kết quả mô phỏng cho thấy tỷ lệ lỗi bít BER trong hệ thống sử dụng tách tín hiệu MMSE tốt hơn hệ thống sử dụng kỹ thuật tách tín hiệu ZF. I. MỞ ĐẦU Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO, anten thông minh. Trong hệ thống MIMO, tín hiệu phát được thực hiện từ các anten phát khác nhau nên việc tách tín hiệu của mỗi luồng phát ở máy thu sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh từ các luồng còn lại. Do đó, vấn đề nhiễu đồng kênh cần đặc biệt quan tâm trong hệ thống truyền dẫn số MIMO. Để giải quyết bài toán nhiễu đồng kênh, máy thu cần sử dụng bộ tách tín hiệu có khả năng cho xác suất lỗi bít (BER) hay xác suất lỗi ký tự (SER) thấp, đồng thời không yêu cầu quá cao về độ phức tạp trong tính toán. Do vậy, việc mô phỏng và đánh giá chất lượng bộ tách sóng tuyến tính trong hệ thống truyền dẫn số MIMO là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Các kỹ thuật tách tín hiệu thường gặp trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến là tách tín hiệu tuyến tính và tách tín hiệu phi tuyến. Trong đó, kỹ thuật tách tín hiệu tuyến tính với các ưu điểm như độ phức tạp tính toán thấp và dễ thực hiện nhờ các thuật toán thích nghi đang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống MIMO. Mặt khác, việc kết hợp thuật toán lattice-reduction trong các bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE, tỷ số lỗi bít (BER) hay xác suất lỗi ký tự (SER) trong máy thu có thể cải thiện một cách đáng kể trong khi độ phức tạp tính toán hầu như không thay đổi [1]. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất nghiên cứu mô phỏng đánh giá và so sánh tỷ lệ lỗi bít BER trong bộ tách sóng tuyến tính ZF và MMSE với các số lượng anten khác nhau. Email: nguyenphucngoc@vinhuni.edu.vn 32 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 32-39 II. QUÁ TRÌNH TÁCH TÍN HIỆU TUYẾN TÍNH TRONG HỆ THỐNG MIMO 1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống MIMO Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sử dụng cả phân tập phát và thu với N anten phát và M anten thu. Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) và anten máy thu (Rx) được mô tả ở hình 1được gọi là kênh đa đầu vào - đa đầu ra MIMO. Hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi là hệ thống truyền dẫn MIMO [1]. Trong trường hợp pha-đinh Rayleigh phẳng không tương quan, hmn được mô hình hoá bằng một biến số Gauss phức có giá trị trung bình không và phương sai bằng 1. Kênh MIMO gồm N anten phát và M anten thu thường được biểu diễn bởi một ma trận số phức gồm M hàng và N cột như sau [1]: H h11 h12 h1N h21 h22 h2 N hM 1 hM 2 hMN (1) Định nghĩa các véc-tơ phát, véc-tơ thu và véc-tơ tạp âm tương ứng là: sN ]T (2) (3) Y [ y1 y2 yM ] (4) Z [ z1 z2 zM ]T chúng ta có mỗi quan hệ giữa tín hiệu thu và phát biểu diễn qua phương trình hệ thống sau: S [s1 s2 T Y PT HS N Z (5) trong đó PT trace{R SS} là tổng công suất phát từ N anten phát và R ss E{ss H } là ma trận tương quan của S . Z là véc-tơ tạp âm với các phần tử zm được mô tả bởi các biến số phức Gauss độc lập có phân bố như nhau và có cùng công suất trung bình σ 2 , tức là biểu diễn ma trận đơn vị với M dòng và M cột. E{zz H } σ 2 IM , trong đó Sơ đồ một hệ thống MIMO sử dụng mã khối không gian - thời gian (STBC: Space - Time Block Code) được mô tả như hình 1. Hình 1: Cấu hình của một hệ thống STBC 2. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính Sơ đồ cấu hình bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM (Spatial Division Multiplexing) được mô tả như hình 2. 33 N. P. Ngọc / Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống MIMO qua kênh truyền pha-đinh Rayleigh... Bộ tách tín hiệu tuyến tính là bộ kết hợp tuyến tính được biểu biễn bởi ma trận trọng số W . Véc-tơ tín hiệu ước lượng được sˆ là kết quả của phép kết hợp tuyến tính giữa véc-tơ tín hiệu thu y và ma trận trọng số W . (6) sˆ W H y Các giá trị ước lượng sˆ này sau đó sẽ đư ...