Kết hợp lựa chọn Ăng-Ten phát với mã không gian thời gian phân tán trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp Mimo

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 43 KẾT HỢP LỰA CHỌN ĂNG-TEN PHÁT VỚI Mà KHƠNG GIAN THỜI GIAN PHÂN TÁN TRONG HỆ THỐNG VƠ TUYẾN CHUYỂN TIẾP MIMO Trần Thế Nghiệp1*, Phạm Văn Biển2, Phạm Tuấn Giáo1, Đỗ Quang Hiệp3 Tĩm tắt: Bài báo đề xuất một giải pháp truyền dẫn mới cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp đa đầu vào đa đầu ra (multiple input multiple output: MIMO), trong đĩ kỹ thuật chọn lọc ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection: TAS) được kết hợp cùng kỹ thuật mã khơng gian thời gian phân tán (Distributed Space-Time Code: DSTC) nhằm nhận được tăng ích phân tập khơng gian cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO trong khi giảm được số chuỗi cao tần phát (Radio Frequency: RF) tại các nút chuyển tiếp. Mỗi nút chuyển tiếp sẽ lựa chọn một ăng-ten phát cĩ tăng ích kênh truyền từ nĩ đến nút đích tốt nhất để tham gia chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích theo cấu trúc mã DSTC. Mơ phỏng Monte-Carlo được thực hiện với sơ đồ đề xuất TAS/DSTC và sơ đồ sử dụng mã khối khơng gian thời gian trực giao mở rộng vịng kín phân tán (Distributed Close Loop-Extended Orthogonal STBC: DCL-EO STBC) cĩ cùng cấu hình sử dụng tồn bộ ăng-ten tại nút chuyển tiếp. Các kết quả mơ phỏng cho thấy sơ đồ đề xuất cĩ phẩm chất tỉ lệ lỗi bít (Bit Error Rate: BER) tốt hơn so với sơ đồ DCL-EO STBC khi sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (amplify-and-forward: AF). Từ khĩa: Mạng chuyển tiếp vơ tuyến, Lựa chọn ăng-ten phát, Mã khơng gian thời gian, Mã khơng gian thời gian phân tán trực giao mở rộng vịng kín. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mã khơng gian thời gian phân tán DSTC là kỹ thuật phát triển ý tưởng mã khơng gian thời gian (Space-Time Code: STC) trong hệ thống MIMO điểm-điểm cho mạng vơ tuyến chuyển tiếp MIMO để nhận được phân tập khơng gian tương tự như hệ thống đa ăng-ten điểm tới điểm thơng thường sử dụng mã khơng gian thời gian STC [1-5]. Yindi và các cộng sự [3-5] nghiên cứu mạng vơ tuyến chuyển tiếp MIMO với các nút chuyển tiếp trang bị một hay nhiều ăng-ten đã chỉ ra rằng tăng ích phân tập của hệ thống sẽ tăng khi số nút tham gia chuyển tiếp hoặc số ăng-ten trang bị tại nút chuyển tiếp tăng. Tuy nhiên, khi tăng số nút chuyển tiếp hoặc tăng số ăng-ten trang bị tại các nút chuyển tiếp thì lại làm tăng độ phức tạp giải mã tại nút đích. Các tác giả trong [1, 2, 6] đã đề xuất sơ đồ cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO với các nút chuyển tiếp trang bị hai ăng-ten sử dụng mã khơng gian thời gian trực giao phân tán mở rộng vịng kín DCL-EO STBC và cĩ sự hỗ trợ của kênh hồi tiếp từ nút đích về nút chuyển tiếp cho phép hệ thống vừa nhận được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten trang bị tại nút chuyển tiếp và vừa cho phép giải mã đơn symbol tại nút đích. Nhưng tất cả các đề xuất trong [1-3] muốn cải thiện tăng ích phân tập của hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO thì đều phải sử dụng tất cả số chuỗi RF (thường gồm các khối khuếch đại cơng suất, trộn tần,...) được trang bị tại các nút chuyển tiếp. Việc phải sử dụng nhiều chuỗi RF làm tăng kích thước, giá thành và độ phức tạp cho các thiết bị vơ tuyến. Vậy giải pháp nào để nhận được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten mà vẫn giảm số chuỗi RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp? Trong hệ thống MIMO điểm-điểm để giảm số chuỗi RF cần được trang bị và độ phức tạp giải mã tại máy thu mà vẫn nhận được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten, trong điều kiện tồn tại kênh hồi tiếp thì kỹ thuật lựa chọn ăng-ten tại máy phát, máy thu hoặc cả máy phát và máy thu là một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả [7-9]. Phát triển ý tưởng này và tìm đáp án cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO, nhĩm tác giả áp dụng kỹ Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn chuyển tiếp MIMO.” 44 thuật lựa chọn kết hợp thu (Selection Combining: SC) và lựa chọn ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection: TAS) trong hệ thống MIMO điểm-điểm cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO. Tuy nhiên, để vẫn giữ được tăng ích mã hĩa, bài báo đề xuất kết hợp lựa chọn ăng-ten phát TAS và mã DSTC cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO với sự hỗ trợ của kênh hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp. Sơ đồ đề xuất cho phép cải thiện phẩm chất BER của hệ thống nhờ nhận được tăng ích phân tập của tất cả các ăng-ten trang bị tại các nút chuyển tiếp trong khi giảm được số chuỗi RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp. Ngồi ra, sơ đồ đề xuất cịn cĩ thể cho phép sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward: AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward: DF) tại nút chuyển tiếp mà vẫn giữ được độ phức tạp giải mã đơn symbol tại nút đích. Nội dung cịn lại của bài báo được được trình bày như sau: Giới thiệu ngắn gọn về mã DCL-EO STBC cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO được trình bày trong mục 2. Mục 3 trình bày sơ đồ đề xuất kết hợp TAS và DSTC (TAS/DSTC) sử dụng giao thức AF hoặc DF. Các kết quả mơ phỏng và so sánh được thể hiện trong mục 4. Cuối cùng là các kết luận trong mục 5. Các ký hiệu sử dụng trong bài báo này: Chữ thường in đậm a ký hiệu cho véc-tơ và chữ hoa in đậm A ký hiệu cho ma trận. Đối với ma trận A, các ký hiệu AT, A*, AH và F A biểu thị cho phép chuyển vị, liên hợp, phép chuyển vị liên hợp và chuẩn Frobenius của ma trận A. E[•] định nghĩa phép lấy kỳ vọng. A là chịm sao tín hiệu điều chế và M là kích thước của A. 2. Mà DCL-EO STBC CHO HỆ THỐNG VƠ TUYẾN CHUYỂN TIẾP MIMO Phần này sẽ trình bày ngắn gọn sơ đồ sử dụng mã DCL-EO STBC cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO với giao thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp là DF hoặc AF đã được đề xuất trong [1, 2]. Mơ hình hệ thống bao gồm một nút nguồn và một nút đích được trang bị một ăng-ten và hai nút chuyển tiếp, mỗi nút được trang bị hai ăng-ten dùng cho cả thu và phát và khơng tồn tại kênh truyền trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích do giới hạn về cơng suất như trình bày trong hình 1. Quá trình truyền dẫn từ nguồn đến đích thực hiện qua hai pha truyền dẫn. Pha truyền dẫn thứ nhất, nút nguồn phát chuỗi ký hiệu thơng tin dưới dạng véc-tơ s đến các nút chuyển tiếp với chuẩn hĩa cơng suất là E[sH s] = 1. Pha truyền dẫn thứ hai, các nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF hoặc AF chuyển tiếp tín hiệu đến nút đích dưới dạng mã DCL-EO STBC. 11 f 1R 2 R 21 f 12 f 22 f 11 g 21 g 12 g 22 g Hình 1. Sơ đồ mã DCL-EO STBC cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO [1, 2]. Trong bài báo này, ký hiệu fik là hệ số pha-đinh từ nút nguồn đến ăng-ten thứ i của nút chuyển tiếp thứ k và gik là hệ số pha-đinh từ ăng-ten thứ i của nút chuyển tiếp thứ k đến nút đích với 1, 2.i, k  Pha-đinh được giả sử là pha-đinh Rayleigh phẳng, chậm với khoảng thời gian đồng bộ τ trong đĩ τ là chu kỳ symbol. Các hệ số pha-đinh được mơ hình hĩa bởi các biến ngẫu nhiên phức phân bố chuẩn đồng nhất độc lập với kỳ vọng 0 và phương sai đơn vị. Tạp âm nhiệt tại các nút chuyển tiếp và nút đích được giả thiết cĩ phân Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 45 bố CN(0,1). Phân bổ cơng suất giữa các nút trong mạng sử dụng phân bổ tối ưu do Yindi và các cộng sự đề xuất trong [3] và gọi P là tổng cơng suất phát trong tồn mạng, P1, P2 lần lượt là cơng suất phát tại nút nguồn và cơng suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp thì:   P P P P NR1 2 , 2 2 (1) trong đĩ, N là số ăng-ten tại mỗi nút chuyển tiếp và R là số nút chuyển tiếp. 2.1. Mã DCL-EO STBC sử dụng giao thức DF Khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF, pha truyền dẫn thứ nhất nút nguồn phát đi véc-tơ tín hiệu Ts ss = 1 2 [ ] , để hạn chế ảnh hưởng của sự giải mã sai mã kênh CRC được thêm vào. Do đĩ, giả thiết các nút chuyển tiếp cĩ thể giải mã chính xác các symbol thơng tin đã được phát đi từ nút nguồn [1]. Trong pha truyền dẫn thứ hai, để nhận được phân tập tồn phần tín hiệu phát đi từ ăng-ten thứ nhất của nút chuyển tiếp thứ nhất và thứ hai được xoay pha một gĩc tương ứng     j j U Ue e1 2 1 2 , . Khi đĩ, từ mã DCL-EO STBC phát đi bởi các nút chuyển tiếp cĩ dạng như sau:         U s s U s s U s s U s s 1 1 1 2 2 2 * * * * 1 2 2 2 1 1 . (2) Tín hiệu thu được tại nút đích sau khi qua một số phép biến đổi cĩ thể viết dưới dạng véc-tơ như sau [1]:  Pr Gs z 2 , (3) trong đĩ,  Tr rr 1 2 *[ ] là véc-tơ tín hiệu thu được tại nút đích,  Tz zz 1 2 *[ ] là véc-tơ tạp âm nhiệt tại nút đích và G là ma trận kênh tương đương được xác định:            U g g U g g g g g g G 1 11 21 2 12 22* * * * * * 2 12 22 1 11 21 . U U (4) Lưu ý trong phương trình (3), hệ số P 2 để đảm bảo rằng cơng suất phát cho mỗi symbol truyền dẫn tại mỗi nút chuyển tiếp là P2. Khi đĩ, cơng suất phát trên mỗi ăng-ten tại nút chuyển tiếp là P2 / 2. Biến đổi phương trình (3) về dạng tương đương:                         a d H HP U g g U g g U g g U g gRy = G r s G z 2 2 2 2 2 * * 1 11 21 2 12 22 1 11 21 2 12 22 2 , (5) trong đĩ, d là tăng ích phân tập thơng thường và a là tăng ích phẩm chất mảng. Để đạt được tăng ích phẩm chất mảng, Qaja và các tác giả [1] đã đề xuất sử dụng hai bít hồi tiếp để xác định bốn trạng thái xoay pha từ tập        1 2, [0, / 2, , 3 / 2] theo tiêu chuẩn sau:                 j j g g e g g e R R 1 1 2 2 * 1 11 21 * 2 12 22 arg max ( ) arg max ( ) (6) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn chuyển tiếp MIMO.” 46 Giả thiết nút đích biết thơng tin trạng thái kênh từ nút nguồn đến nút đích ik g thì giải mã tại nút đích sử dụng bộ tách sĩng bình phương cực tiểu LS (Least Square) như sau:       i s i is s j s j= y 2 argmin ( ) , 1,2 (7) trong đĩ,  s là chịm sao tín hiệu điều chế. 2.2. Mã DCL-EO STBC sử dụng giao thức AF Khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức AF, pha thứ nhất nút nguồn phát TP s 1 , trong đĩ P 1 là cơng suất phát trung bình của nút nguồn trong một khe thời gian truyền dẫn (một chu kỳ symbol T ) với véc-tơ symbol Ts -ss = * 1 2 [ ] , đến các nút chuyển tiếp [2]. Tín hiệu nhận được ăng-ten thứ i , nút chuyển tiếp thứ k cĩ dạng như sau: 1ik ik ik PT f k x s v víi = 1, 2 (8) trong đĩ,  T ik k k v vv 1 2 [ ] là véc-tơ tạp âm nhiệt tại ăng-ten thứ i,nút chuyển tiếp thứ k. Pha truyền dẫn thứ hai, tín hiệu tại mỗi ăng-ten nút chuyển tiếp được xoay pha trước khi phát đi và ma trận từ mã DCL-EO STBC thu được tại nút đích cĩ dạng:                 j j j j -j -j -j -j s e s e s e s e s e s e s e s e 1 2 1 2 2 1 2 1 1 1 2 2 * * * * 2 2 1 1 . (9) Tín hiệu phát tại ăng-ten thứ i, nút chuyển tiếp thứ k được thiết kế là một hàm tuyến tính của tín hiệu thu được và liên hợp phức của nĩ như sau:    ik k ik k ik P P t A x B x2 1 1 (10) trong đĩ, kí hiệu phép lấy liên hợp phức véc-tơ a là a . Ma trận phân tán được sử dụng để tạo nên ma trận từ mã Alamouti [10] tại nút đích được viết dưới dạng sau: 1 1 2 2 2 2 1 0 0 1 , 0 , 0 , 0 1 1 0                   A B A B (11) Khi đĩ, tín hiệu thu được tại nút đích cĩ dạng:       k k k k k g U g Ur t t w 2 1 1 1 2 2 2 1 (12) trong đĩ, Tw ww = [ ] 1 2 là tạp âm nhiệt tại nút đích và: 1 2 2 11 2 0 0 0 0 j j -j -j e e U U e e                     vµ (13) Phương trình (12) cĩ thể viết lại như sau: 2 1 1 1 e ee e P PT P    s Wr G (14) Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 47 trong đĩ: 1 2 [ ] ,T e s ss e W là tạp âm nhiệt tương đương và ma trân kênh tương đương 1 2 1 2 2 1 2 1 11 11 21 21 12 12 22 22 12 12 22 22 11 11 21 21 * * * * * * * *e j j j j j j j j g f f g f g f g f g f g f g f e g e e e e e e e                   G Gĩc xoay pha được Elazreg và các tác giả đã đề xuất tại [2] nếu b = 0 thì    1 2 0 hoặc     1 2 nếu b 1 thì 1 2 0,    hoặc 1 2 , 0    trong đĩ:      f g g f f g f g f g g f f g f g b R( + ) R( + ) 11 11 21 21 12 12 22 22 11 11 21 21 12 12 22 22 * * * * * * * * 0, 0 1, 0 (15) Giả thiết nút đích biết thơng tin trạng thái kênh từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp fik và từ nút chuyển tiếp đến nút đích gik thì giải pmã ML tại nút đích được cho như sau: 2 1 2 1 1 1 argmin 1 1e e ee e H e ee P PT PPT P P                       s r r     s G Gs s s (16) trong đĩ,  s là chịm sao tín hiệu điều chế. Nhận xét: - Từ phương trình phân bổ cơng suất phát (1) ta thấy cơng suất phát P2 tại nút chuyển tiếp sẽ tăng nếu giảm số ăng-ten tại mỗi nút chuyển tiếp N. - Số chuỗi RF yêu cầu tại mỗi nút chuyển tiếp là hai dẫn đến tăng độ phức tạp và giá thành cho mỗi nút chuyển tiếp. - Số bít hồi tiếp yêu cầu từ đích về các nút chuyển tiếp khi sử dụng giao thức DF theo cơng thức (6) là hai, khi sử dụng giao thức AF theo cơng thức (15) là một. 3. ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ KẾT HỢP TAS VÀ DSTC CHO HỆ THỐNG VƠ TUYẾN CHUYỂN TIẾP MIMO Những nhận xét trong mục 2 là cơ sở để phát triển ý tưởng, đề xuất sơ đồ cho phép giảm số chuỗi RF và tăng cơng suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp. Mơ hình sơ đồ đề xuất cơ bản giống như trong hình 1, điểm khác là các bít thơng tin hồi tiếp từ nút đích về nút chuyển tiếp được sử dụng để lựa chọn ăng-ten phát TAS (Transmit Antenna Selection) thay vì dùng cho xoay pha tín hiệu phát như được thể hiện trong hình 2. Do đĩ, các giả thiết về kênh, tạp âm nhiệt và phân bổ cơng suất trong sơ đồ đề xuất vẫn giữ nguyên như mục 2. Sơ đồ đề xuất sử dụng giao thức DF hoặc AF tại nút chuyển tiếp và sẽ được phân tích chi tiết trong các tiểu mục sau đây. 11 f 1R 2 R 21 f 12 f 22 f 11 g 21 g 12 g 22 g Hình 2. Mơ hình đề xuất kết hợp TAS và DSTC cho mạng vơ tuyến chuyển tiếp MIMO. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn chuyển tiếp MIMO.” 48 3.1. Kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức DF Tiểu mục này sẽ trình bày sơ đồ kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức DF và kí hiệu là sơ đồ TAS/DSTC (DF). Quá trình truyền dẫn từ nút nguồn đến nút đích được thực hiện qua hai pha truyền dẫn. Pha truyền dẫn thứ nhất, nút nguồn phát chuỗi symbol thơng tin s = [s1 s2] T đến các nút chuyển tiếp. Khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF để hạn chế ảnh hưởng của sự giải mã sai trong pha truyền dẫn thứ nhất mã kênh CRC được thêm vào. s = [s1 s2] T Do đĩ, nhĩm tác giả giả thiết các nút chuyển tiếp cĩ thể giải mã chính xác các symbol thơng tin đã được phát đi từ nút nguồn. Trong pha truyền dẫn thứ hai, mỗi nút chuyển tiếp sẽ chọn ra một ăng-ten cĩ độ lợi kênh truyền từ nĩ đến nút đích tốt nhất theo tiêu chuẩn lựa chọn ăng-ten phát sau [8]: ( ) 2 1,2 maxk iki u g k   víi = 1, 2 (17) trong đĩ, ku ( ) là chỉ số của ăng-ten được chọn tại nút chuyển tiếp thứ k. Khi đĩ, véc-tơ độ lợi kênh truyền từ ăng-ten được chọn của nút chuyển tiếp thứ nhất, nút chuyển tiếp thứ hai đến nút đích được kí hiệu là g = [g1 g2] T. Sau đĩ, hai nút chuyển tiếp sử dụng ăng-ten đã chọn phối hợp với nhau để phát tín hiệu theo ma trận từ mã DSTC cĩ dạng giống như ma trận từ mã được đề xuất bởi Alamouti [10] như sau:        s s s s S = 1 2* * 2 1 . (18) Khi đĩ véc-tơ tín hiệu thu được tại nút đích r sẽ biểu diễn như sau: 2 P r Sg z (19) trong đĩ,     T z zz 1 2 là véc-tơ tạp âm nhiệt tại nút đích với mỗi phần tử được mơ hình hĩa bởi các biến ngẫu nhiên phức đồng xác suất, kỳ vọng bằng 0 và phương sai đơn vị. Hệ số nhân P 2 trong phương trình (19) để đảm bảo rằng cơng suất phát cho mỗi symbol truyền dẫn tại mỗi ăng-ten của mỗi nút chuyển tiếp là 2 .P Giải mã hợp lẽ cực đại ML (Maximum Likelihood) tại nút đích là:    2 2ˆ argmin H P P     s s s  r Sg r Sg (20) với  s là khơng gian từ mã của tín hiệu điều chế. Nhận xét: - Do tính chất trực giao của ma trận từ mã Alamouti, hàm giải mã ML tại nút đích theo phương trình (20) vẫn đạt được độ phức tạp giải mã đơn symbol. - Nhờ sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát tại nút chuyển tiếp TAS, sơ đồ đề xuất đã giảm được một nửa số chuỗi RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp và cĩ cơng suất phát tại mỗi ăng-ten nút chuyển tiếp lớn gấp đơi so với sơ đồ đề xuất bởi W. Qaja và các cộng sự trong bài báo [1] do số ăng-ten phát tại mỗi nút chuyển tiếp giảm một nửa. - Mỗi nút chuyển tiếp cĩ hai ăng-ten, do đĩ số bít hồi tiếp cần thiết từ đích về các nút chuyển tiếp theo cơng thức (17) là 2 bít. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 49 3.2. Kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức AF Khi sử dụng giao thức DF độ lợi phân tập của hệ thống khơng được cam kết từ đầu cuối đến đầu cuối, độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp lớn. Do đĩ, giao thức DF khơng phù hợp với các mạng địi hỏi tốc độ chuyển tiếp nhanh và bị hạn chế về nguồn tại các nút chuyển tiếp. Như đã phân tích trong mục 2.2, khi sử dụng giao thức AF đề xuất của Elazreg và các tác giả yêu cầu sử dụng tất cả chuỗi RF tại nút chuyển tiếp [2] và độ phức tạp giải mã tại nút đích sẽ cao [3]. Trong tiểu mục này sẽ trình bày sơ đồ đề xuất kết hợp TAS và DSTC sử dụng giao thức AF để giảm sỗ chuỗi RF sử dụng tại nút chuyển tiếp, tăng phẩm chất BER và giữ được độ phức tạp giải mã đơn symbol tại nút đích. Để đơn giản, trong bài báo này gọi là sơ đồ TAS/DSTC (AF). Ở pha thứ nhất, nút nguồn phát T sP 1 , trong đĩ P 1 là cơng suất phát trung bình của nút nguồn trong một khe thời gian truyền dẫn (một chu kỳ symbol). Tín hiệu nhận được tại ăng-ten chuyển tiếp thứ i nút chuyển tiếp thứ k được kí hiệu là ik r bị làm suy giảm bởi tạp âm nhiệt ik v như sau:   ik ik j ik r PT f s v 1 . (21) Nút chuyển tiếp thứ k sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn SC (Selection Combining) để chọn thu tín hiệu cĩ độ lợi kênh truyền lớn nhất [11] theo tiêu chuẩn như sau:  k iki v f k( ) 2 1,2 max , víi = 1,2 (22) trong đĩ, kv ( ) là chỉ số của ăng-ten thu được chọn tại nút chuyển tiếp thứk.Kí hiệu  k f k( 1,2) là hệ số kênh truyền từ nút nguồn đến ăng-ten thu được chọn tại nút chuyển tiếp thứ k theo tiêu chuẩn (22). Như vậy, tín hiệu sau khi kết hợp lựa chọn tại nút chuyển tiếp thứ k cĩ thể được viết dưới dạng véc-tơ như sau:   k k k PT fr s v 1 , (23) trong đĩ, k v là véc-tơ tạp âm nhiệt tại nút chuyển tiếp thứ k với các phần tử được mơ hình hĩa là các biến ngẫu nhiên phức kỳ vọng 0 phương sai đơn vị. Trong pha truyền dẫn thứ hai, ăng-ten phát được chọn tại nút chuyển tiếp thứi sẽ chuyển tiếp véc-tơ tín hiệu t i . Lưu ý rằng, tiêu chuẩn chọn lựa ăng-ten phát khi sử dụng giao thức AF cũng giống như giao thức DF đã được trình bày trong mục 3.1 theo cơng thức (17). Kí hiệu x và z tương ứng là véc-tơ tín hiệu nhận được và véc-tơ tạp âm tại nút đích thì ta cĩ:      x g .t zt 1 2   (24) Tín hiệu phát tại nút chuyển tiếp thứ k được thiết kế là một hàm tuyến tính của tín hiệu thu được và liên hợp phức của nĩ như sau:              k k k k k k k k k k k k k P PPT P f f P P P t A r B r A s B s A v B v*2 2 1 2 1 1 1 . 1 1 1 (25) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn chuyển tiếp MIMO.” 50 Ma trận phân tán được sử dụng để tạo nên ma trận từ mã Alamouti [10] tại nút đích và được biểu diễn như cơng thức (11). Hệ số chuẩn hĩa  P P 2 1 1 trong phương trình (25) để đảm bảo rằng P 2 là cơng suất phát trung bình cho mỗi symbol truyền dẫn tại mỗi khe thời gian ở mỗi nút chuyển tiếp. Để đơn giản trong trình bày, định nghĩa:             k k k k k k k k k k k k k k k k f f f f A A v v s s B A B v v s s A ( ) ( )* ˆ ˆ ˆ, , , 0 ˆ ˆ ˆ, , , 0 nÕu nÕu Khi đĩ, phương trình (25) cĩ thể viết dưới dạng sau:     k k k k k k P PT P f P P t A s A v( )2 1 2 1 1 ˆ ˆˆ ˆ . 1 1 (26) Thay t i từ phương trình (26) vào phương trình (24) ta nhận được véc-tơ tín hiệu thu tại nút đích: 2 1 1 1 PPT P    nx Ch (27) trong đĩ:     k k C A s A s(1) ( ) 1 ˆ ˆ là ma trận từ mã Alamouti [10] phân tán DSTC được tạo thành tại nút đích,     T k k f g f gh = 1 1 ˆ ˆ là véc-tơ độ lợi kênh truyền tương đương, và 2 2 11 ˆ ˆ 1 k k kk P g P     n A v z (28) vớin z, là véc-tơ tạp âm nhiệt tương đương và véc-tơ tạp âm nhiệt của riêng tại nút đích. Giả thiết nút đích biết thơng tin trạng thái kênh từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp ik f và từ nút chuyển tiếp đến nút đích ik g . Do đĩ, giải mã ML tại nút đích cĩ thể được viết như sau: 2 1 2 1 1 1 argmin 1 1 H PPT PPT P P                       c x x   C Ch ChC (29) với  c là khơng gian từ mã của tín hiệu điều chế. Nhận xét: - So sánh phương trình tín hiệu thu (27) với phương trình tín hiệu thu tại nút đích của hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp hai chặng được sự chuyển tiếp tín hiệu bởi hai nút chuyển tiếp, mỗi nút chuyển tiếp được trang bị hai ăng-ten đề xuất bởi Yindi và các cộng sự [3] chúng ta thấy: i) Sơ đồ đề xuất giảm được một nửa số chuỗi RF yêu cầu nhờ sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn thu SC và kỹ thuật TAS ở pha truyền dẫn thứ hai. ii) Sơ đồ đề xuất cĩ cơng suất phát tại mỗi ăng-ten ở mỗi nút chuyển tiếp là P P R 2 / (2 ) trong khi sơ đồ theo đề xuất của Yindi là P P R 2 / (4 ) do cĩ số ăng-ten phát tại mỗi nút chuyển tiếp lớn Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 51 gấp đơi. iii) Sơ đồ đề xuất được truyền dẫn bởi các kênh truyền cĩ độ lợi lớn nhất nhờ sử dụng kỹ thuật SC ở pha truyền dẫn thứ nhất và TAS ở pha truyền dẫn thứ hai. iv) Sơ đồ đề xuất phải chấp nhận tăng độ phức tạp khi yêu cầu kênh hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp so với sơ đồ của Yindi đề xuất. - Sơ đồ đề xuất vẫn giữ được độ phức tạp giải mã ML tuyến tính đơn symbol tại nút đích do vẫn sử dụng ma trận từ mã DSTC Alamouti trực giao tại nút chuyển tiếp. - Tương tự sơ đồ đề xuất cũng tăng được gấp đơi cơng suất phát và giảm một nửa số chuỗi RF yêu cầu so với sơ đồ được đề xuất bởi A. M. Elazreg và các cộng sự [2]. - Số bít hồi tiếp yêu cầu từ nút đích về các nút chuyển tiếp trong sơ đồ sử dụng giao thức AF theo cơng thức (17) là 2 bít. 4. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mục này trình bày các kết quả mơ phỏng để đánh giá phẩm chất sơ đồ đề xuất theo cả giao thức DF và AF. Các tham số đưa vào mơ phỏng là: sử dụng điều chế QPSK, giải mã ML tại nút đích. Phẩm chất tỉ lệ lỗi bít BER của hệ thống được xem như hàm số của cơng suất phát tại nút nguồn P 1 cho cả hai giao thức. Kênh hồi tiếp được giả thiết coi như khơng trễ và khơng lỗi. 4.1. Đánh giá chất lượng BER khi sử dụng giao thức DF Phẩm chất BER của sơ đồ đề xuất khi sử dụng giao thức DF được so sánh với sơ đồ sử dụng mã DCL-EO-STBC được W. Qaja và các cộng sự đề xuất [1]. Lưu ý trong [1] các tác giả xem xét cho mạng đồng bộ hồn hảo PS (Perfect Synchronous) và khơng đồng bộ AS (Asynchronous). Tuy nhiên, trong giới hạn bài báo này nhĩm tác giả chỉ so sánh sơ đồ đề xuất DSTC/TAS sử dụng giao thức DF với mã DCL-EO-STBC do W. Qaja đề xuất khi mạng được giả thiết đồng bộ hồn hảo. Hình 3 cho thấy sơ đồ đề xuất đạt được cùng phẩm chất BER so với mã DCL-EO-STBC. Trong khi đã giảm được số chuỗi RF của sơ đồ đề xuất đi một nửa so với sơ đồ do W. Qaja và các cộng sự đã đề xuất. 0 5 10 15 20 25 30 35 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P 1 in dB B E R DCL-EO-STBC (DF) [1] Proposed TAS/DSTC (DF) 0 5 10 15 20 25 30 35 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P 1 in dB B E R DCL-EO STBC (AF) [2] DSTC (AF) [3] Proposed TAS/DSTC (AF) 4.2. Đánh giá chất lượng BER khi sử dụng giao thức AF Trong phần này trình bày kết quả mơ phỏng phẩm chất BER của sơ đồ đề xuất sử dụng giao thức AF so sánh với sơ đồ cĩ kênh hồi tiếp từ đích về nút chuyển tiếp sử dụng mã DCL-EO-STBC do A. M. Elazreg và các cộng sự đề xuất [2] và sơ đồ khơng cĩ kênh hồi tiếp sử dụng mã DSTC do Yindi và các cộng sự đề xuất [3]. Trong [2], Elazreg đề xuất sử dụng mã DCL-EO-STBC với một bít hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp để hệ thống đạt được tăng ích phẩm chất hồi tiếp. Ngược lại, trong [3] Yindi khơng sử dụng Hình 3. Phẩm chất BER của sơ đồ TAS/DSTC với giao thức DF. Hình 4. Phẩm chất BER của sơ đồ TAS/DSTC với giao thức AF. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.T.Nghiệp, P.V.Biển, P.T.Giáo, Đ.Q.Hiệp, “Kết hợp lựa chọn chuyển tiếp MIMO.” 52 kênh hồi tiếp từ nút đích về các nút chuyển tiếp. Nhưng để nâng cao phẩm chất hệ thống Yindi đề xuất phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa MRC (Maximum Ratio Combining) cho thu tín hiệu từ nút nguồn phát đến các ăng-ten tại nút chuyển tiếp ở pha truyền dẫn thứ nhất. Lưu ý rằng cả sơ đồ của Elazreg [2] và Yindi [3] đều sử dụng tồn bộ các ăng-ten tại nút chuyển tiếp, trong khi sơ đồ đề xuất TAS/DSTC chỉ sử dụng một ăng-ten cho thu và một ăng-ten cho phát tín hiệu tại mỗi nút chuyển tiếp. Hình 4 cho thấy tại phẩm chất BER = 103 sơ đồ đề xuất yêu cầu cơng suất phát tại nút nguồn giảm 3.5 dB so với sơ đồ do Elazreg đề xuất và giảm khoảng 5 dB so với sơ đồ Yindi và các cộng sự đề xuất. Phẩm chất của sơ đồ đề xuất tăng lên do cơng suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp chỉ dùng cho một ăng-ten phát. Ngược lại, sơ đồ do Elazreg và Yindi đề xuất, cơng suất phát tại mỗi nút chuyển tiếp phải chia đều cho hai ăng-ten để phát tín hiệu. Để tăng được phẩm chất BER, sơ đồ đề xuất cũng phải trả giá là tăng số bít hồi tiếp so với sơ đồ của Elazreg và phải sử dụng kênh hồi tiếp so với sơ đồ của Yindi. Lưu ý rằng sơ đồ đề xuất đã giảm được một nửa số chuỗi RF yêu cầu tại nút chuyển tiếp so với các sơ đồ đề xuất bởi Elazreg và Yindi. Bảng 1 dưới trình bày chi tiết phẩm chất của sơ đồ đề xuất. Bảng 1. So sánh phẩm chất của sơ đồ đề xuất và các đề xuất trước đây. Số chuỗi RF yêu cầu tại mỗi nút chuyển tiếp Cơng suất phát yêu cầu tại 310BER  Giao thức sử dụng tại nút chuyển tiếp DCL-EO STBC [1] 2 1 11.5 ( )P dB DF DCL-EO STBC [2] 2 1 19 ( )P dB AF DSTC [3] 2 1 20 ( )P dB AF Sơ đồ đề xuất TAS/DSTC 1 1 11.5 ( )P dB (giao thức DF) 1 15 ( )P dB (giao thức AF) DF hoặc AF 5. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất một sơ đồ xử lý tín hiệu mới kết hợp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát TAS và mã DSTC cho hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp MIMO với sự hỗ trợ của kênh hồi tiếp từ nút đích về nút chuyển tiếp. Sơ đồ đề xuất cho phép giảm số chuỗi cao tần RF yêu cầu tại các nút chuyển tiếp trong khi vẫn thu được tăng ích phân tập như hệ thống sử dụng tồn bộ ăng-ten tại các nút chuyển tiếp. Phẩm chất BER của sơ đồ đề xuất đã được phân tích và minh chứng thơng qua mơ phỏng Monte Carlo là tốt hơn so với các sơ đồ sử dụng tồn bộ ăng-ten tại nút chuyển tiếp để phát mã DCL-EO STBC [2] và mã DSTC [3] khi dùng giao thức AF đã được đề xuất trước đây. Ngồi ra, sơ đồ mới cịn cho phép sử dụng giao thức DF hoặc AF tại nút chuyển tiếp trong khi vẫn giữ được độ phức tạp giải mã đơn symbol tại nút đích. Độ phức tạp của sơ đồ đề xuất tăng lên ở mức cĩ thể chấp nhận được trong thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. W. M. Qaja, A. M. Elazreg, and J. A. Chambers, "Near-optimum detection scheme with relay selection technique for asynchronous cooperative relay networks," IET Communications, vol. 8, no.8, May 2014, pp. 1347-1354. [2]. A. M. Elazreg and J. A. Chambers, "Distributed one bit feedback extended orthogonal space time coding based on selection of cyclic rotation for cooperative relay networks," in Proc. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Prague, Czech Republic, May 2011, pp. 3340-3343. [3]. J. Yindi, "Combination of MRC and Distributed Space-Time Coding in Networks with Multiple-Antenna Relays," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 9, no. 8, Aug. 2010, pp. 2550-2559. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 53 [4]. J. Yindi and H. Jafarkhani, "Using Orthogonal and Quasi-Orthogonal Designs in Wireless Relay Networks," Journal of IEEE Transactions on Information Theory, vol. 53, no. 11, Nov. 2007, pp. 4106-4118. [5]. J. Yindi and B. Hassibi, "Distributed Space-Time Coding in Wireless Relay Networks," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 5, no 12, Dec. 2006, pp. 3524-3536. [6]. W. Qaja, A. Elazreg, and J. Chambers, "Near-Optimum Detection for Use in Closed- Loop Distributed Space Time Coding with Asynchronous Transmission and Selection of Two Dual-Antenna Relays," in Proc. Wireless Conference (EW), Proceedings of the 2013 19th European, Guildford, UK, Apr. 2013, pp. 1-6. [7]. B. Ưzbek and D. L. Ruyet, Feedback Strategies for Wireless Communication: Springer Science+Business Media New York, 2014. [8]. D. A. Gore and A. J. Paulraj, "MIMO antenna subset selection with space-time coding," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 50, no. 10, Nov. 2002, pp. 2580-2588. [9]. Z. Chen, I. B. Collings, Z. Zhou, and B. Vucetic, "Transmit antenna selection schemes with reduced feedback rate," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 8, no. 2, Feb. 2009, pp. 1006-1016. [10]. S. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE Journal on Selected Areas in Communications vol. 16, no. 8, 1998, pp. 1451-1458. [11]. K. Ning, "Performance Comparison Among Conventional Selection Combining, Optimum Selection Combining and Maximal Ratio Combining," in Proc. IEEE International Conference on Communications, 2009. ICC '09., Dresden, Jun. 2009, pp. 1-6. ABSTRACT COMBINATION OF TRANSMIT ANTENNA SELECTION AND DISTRIBUTED SPACE-TIME CODING FOR MIMO RELAY WIRELESS NETWORKS This paper proposes a new transmission scheme for MIMO (multiple input multiple output) relay wireless networks, in which transmit antenna selection TAS is combined with DSTC (distributed space-time code) in order to achieve diversity gain and reduce the number of transmit radio frequency RF chains at relays. Based on the channel gain from relay antennas to the destination antenna, each relay selects one the best antenna to transmit DSTC to the destination node. The bit error rate BER performance evaluation of the proposed TAS/DSTC scheme is accomplished by Monte-Carlo simulations and is compared with the same of previous DCL-EO STBC (Distributed Close Loop-Extended Orthogonal STBC) schemes using all antenna at the relay node. The comparison results show that the proposed scheme has better BER performance than the DCL-EO STBC scheme with AF (amplify-and-forward) protocol. Keywords: Wireless relay network, Transmit antenna selection, Space-time coding, Distributed close-loop extended orthogonal space-time block code. Nhận bài ngày 21 tháng 3 năm 2016 Hồn thiện ngày 21 tháng 4 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật quân sự; 2Trung tâm Phát thanh - Truyền hình Quân đội ; 3Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Cơng nghiệp. *E-mail: nghiepsqtt@gmail.com