Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Áp Dụng Tiêu Chí Tốc Độ Thơng Tin Cực Đại
trong Thiết Kế Tiền Mã Hóa và Giải Mã cho
Hệ Thống MIMO Hai Chặng có Kênh Trải Trễ
Trần Thị Thu Hƣơng và Phạm Thanh Hiệp
Khoa Vô tuyến điện tử
Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email: ;
Trạm chuyển tiếp có thể đƣợc phân loại theo nhiều
cách khác nhau. Cách phân loại thứ nhất dựa trên
phƣơng pháp xử lý tín hiệu, trạm chuyển tiếp chia
thành ba loại là khuếch đại và chuyển tiếp (AF:
Amplify-and-Forward), giải mã và chuyển tiếp (DF:
Decode-and-Forward), và nén và chuyển tiếp (CF:
Compress-and-Forward) [5]. Trạm chuyển tiếp kiểu AF
thực hiện khuếch đại tín hiệu thu đƣợc rồi phát đi tới
trạm tiếp theo. Trạm chuyển tiếp kiểu DF giải mã tín
hiệu thu, mã hóa lại trƣớc khi phát tới trạm tiếp theo.
Trạm chuyển tiếp kiểu CF nén tín hiệu thu rồi truyền
tới trạm chuyển tiếp theo. Nhƣ vậy, trạm chuyển tiếp
kiểu AF xử lý tín hiệu đơn giản hơn so với các kiểu cịn
lại [3]. Cách phân loại thứ hai dựa trên kỹ thuật triển
khai, có hai loại trạm chuyển tiếp là trạm chuyển tiếp
một chiều và hai chiều [5]. Trạm chuyển tiếp một chiều
nhận tín hiệu từ máy phát rồi truyền tới máy thu, trong
khi trạm chuyển tiếp hai chiều trao đổi thông tin giữa
máy phát và máy thu. Mặc dù trạm chuyển tiếp một
chiều có hiệu quả phổ kém hơn so trạm chuyển tiếp hai
chiều, hoạt động của trạm chuyển tiếp một chiều đơn
giản hơn [5].

Tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu có thể đi
theo đƣờng thẳng (LOS: Light-of-Sight), hoặc chịu ảnh
hƣởng của mặt đất, tầng khí quyển, và vật che chắn gây
ra các hiện tƣợng nhƣ phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ.
Hiện tƣợng đa đƣờng làm cho tín hiệu tới máy thu tại
các thời điểm khác nhau, có biên độ và pha khác nhau.
Đặc tính kênh truyền nhƣ vậy gọi là kênh trải trễ [6].
Do độ trễ của kênh truyền, các phiên bản của các
symbol khác nhau có thể đến máy thu tại cùng thời
điểm, gây ra nhiễu xuyên dấu (ISI: Intersymbol
Interference) [7]. Mặt khác, khi tốc độ dữ liệu càng cao
thì độ rộng symbol càng hẹp, càng dễ xảy ra ISI. Do
vậy, ISI gây ra bởi kênh trải trễ không chỉ làm suy
giảm đáng kể chất lƣợng tín hiệu mà cịn hạn chế tốc
độ truyền tin của các hệ thống đơn sóng mang [8]. Để
nâng cao chất lƣợng tín hiệu của hệ thống đơn sóng
mang có kênh trải trễ, một trong các giải pháp nổi bật
là sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính
với giả thiết là thơng tin trạng thái kênh (CSI: Channel
State Information) đƣợc biết trƣớc ở máy phát và máy
thu. Một số nghiên cứu đã chứng minh đƣợc ƣu thế của

Abstract— Hệ thống thông tin vô tuyến đa đầu vào - đa
đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) cài đặt
trạm chuyển tiếp tạo thành hệ thống MIMO đa chặng, có
khả năng nâng cao dung lượng hệ thống, tăng diện tích
vùng phủ sóng và khoảng cách truyền tin. Hiện tượng
truyền sóng đa đường là một hiện tượng phổ biến trong
truyền sóng, tạo nên kênh trải trễ gây ra nhiễu xuyên
dấu (ISI: Intersymbol Interference) làm suy giảm chất

lượng tín hiệu và hạn chế tốc độ truyền tin. Trong bài
báo này, chúng tôi đề xuất phương pháp cải thiện chất
lượng hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ bằng cách
sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính.
Tiêu chí thiết kế bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính là
tốc độ thông tin cực đại để hệ thống phù hợp với các ứng
dụng yêu cầu truyền với tốc độ thông tin cao. Chất lượng
hệ thống được đánh giá dưới ảnh hưởng của các tham số
như mức điều chế, kích thước khối dữ liệu, và số khâu
trải trễ. Hệ thống hai chặng được so sánh với hệ thống
đơn chặng và so sánh khi sử dụng các tiêu chí thiết kế
khác nhau. Trên cơ sở đó, tùy vào từng ứng dụng cụ thể
và yêu cầu về chất lượng tín hiệu để lựa chọn các tham số
phù hợp.
Keywords- MIMO, ISI, CSI, MMSE, trải trễ, tiền mã
hóa, giải mã.

I.

GIỚI THIỆU

Hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra (MIMO: MultipleInput Multiple-Output) đã thu hút đƣợc nhiều nghiên
cứu trong thời gian qua [1]. Hệ thống MIMO sử dụng
nhiều anten phát và thu để phát đi nhiều luồng dữ liệu
song song, do đó nâng cao dung lƣợng hệ thống và
hiệu quả phổ [2, 3]. Khi tín hiệu truyền từ máy phát tới
máy thu, chất lƣợng tín hiệu có thể bị suy giảm đáng kể
do ảnh hƣởng của tổn hao đƣờng truyền, fading đa
đƣờng và shadowing [3]. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu
đã đƣa ra giải pháp cài đặt trạm chuyển tiếp (RS: Relay

Station) giữa máy phát và máy thu tạo thành hệ thống
đa chặng. Ƣu điểm của hệ thống đa chặng là khả năng
tăng diện tích phủ sóng, cải thiện chất lƣợng và độ tin
cậy của kết nối [4]. Do đó, việc cài đặt trạm chuyển
tiếp vào hệ thống MIMO tạo thành hệ thống MIMO đa
chặng hứa hẹn khả năng nâng cao dung lƣợng cũng
nhƣ chất lƣợng hệ thống.

ISBN 978-604-80-5958-3

353


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

giải pháp này [9, 10]. Các nghiên cứu này đã chỉ ra sự
cải thiện về chất lƣợng tín hiệu trong điều kiện kênh
trải trễ.
Trong bài báo này, căn cứ vào ƣu điểm về khả năng
cải thiện dung lƣợng và chất lƣợng hệ thống của hệ
thống MIMO đa chặng và tính đơn giản của trạm
chuyển tiếp một chiều kiểu AF, hệ thống MIMO hai
chặng có trạm chuyển tiếp một chiều kiểu AF (Gọi tắt
là hệ thống MIMO hai chặng một chiều) đƣợc tập trung
nghiên cứu. Hệ thống đƣợc xét trong điều kiện kênh
truyền trải trễ. Để cải thiện chất lƣợng hệ thống, bộ tiền
mã hóa và giải mã tuyến tính đƣợc kết hợp sử dụng.
Việc sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến
tính đã đƣợc các nhà nghiên cứu áp dụng cho hệ thống
MIMO đa chặng hai chiều [11]. Tuy nhiên, với hệ

thống MIMO đa chặng một chiều thì các nghiên cứu
trƣớc đây chỉ sử dụng bộ tiền mã hóa [12, 13]. Do đó,
việc sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến
tính cho hệ thống MIMO hai chặng có trạm chuyển
tiếp một chiều kiểu AF trong bài báo này khác với các
nghiên cứu trƣớc đây.
Bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính cho hệ thống
MIMO đơn sóng mang kênh trải trễ đề xuất bởi nhóm
tác giả H. Sampath và các cộng sự [14] đƣợc thiết kế
dựa trên các tiêu chí khác nhau nhƣ tốc độ thông tin
cực đại (Max-IR: Maximum Rate Information), chất
lƣợng dịch vụ (QoS), cân bằng lỗi (EE: Equal Error),
hoặc lỗi trung bình bình phƣơng tối thiểu (MMSE:
Minimum Mean-Squared Error) khơng trọng số. Việc
lựa chọn tiêu chí thiết kế tùy thuộc vào từng ứng dụng
cụ thể. Tiêu chí Max-IR ứng dụng cho các hệ thống
u cầu tốc độ thơng tin cao; tiêu chí QoS dùng cho
ứng dụng đa phƣơng tiện khi cần truyền đi đồng thời
các loại thông tin với chất lƣợng khác nhau; tiêu chí EE
sử dụng cho hệ thống cần số lỗi trên các kênh con nhƣ
nhau; tiêu chí MMSE khơng trọng số áp dụng cho hệ
thống đòi hỏi tối thiểu hóa tổng số lỗi ƣớc lƣợng
symbol [14]. Trong phạm vi bài báo này, chúng tơi sử
dụng tiêu chí Max-IR. Cơ sở để lựa chọn tiêu chí này là
vì ngày nay nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao tăng lên
mạnh mẽ, trong khi kênh truyền trải trễ gây ISI làm hạn
chế tốc độ truyền dữ liệu. Theo tiêu chí Max-IR, các
kênh con có hệ số khuếch đại càng cao thì đƣợc cấp
công suất càng lớn để cải thiện tốc độ dữ liệu.
Phần còn lại của bài báo đƣợc tổ chức nhƣ sau.

Trong phần II, chúng tơi trình bày mơ hình hệ thống
MIMO hai chặng có kênh truyền trải trễ và phƣơng
pháp thiết kế bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính dựa
trên tiêu chí Max-IR cho hệ thống này. Trong phần III,
chúng tôi đánh giá chất lƣợng hệ thống MIMO hai
chặng kênh trải trễ dƣới ảnh hƣởng của các tham số
nhƣ mức điều chế, kích thƣớc khối dữ liệu, và số lƣợng
khâu trải trễ; so sánh chất lƣợng hệ thống hai chặng với
hệ thống đơn chặng; so sánh chất lƣợng hệ thống hai
chặng khi sử dụng các tiêu chí thiết kế khác nhau. Cuối
cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.

ISBN 978-604-80-5958-3

PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG

II.

A. Mơ hình hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ
Hệ thống MIMO hai chặng có kênh truyền trải trễ
đƣợc mơ tả trong Hình 1. Hệ thống gồm có máy phát,
máy thu, và một trạm chuyển tiếp nằm giữa máy phát
và máy thu. Máy phát có
anten; máy thu có
anten; trạm chuyển tiếp có
anten phát và
anten
thu. Chặng máy phát-trạm chuyển tiếp có ma trận kênh
và số khâu trải trễ
. Chặng trạm chuyển tiếpmáy thu có ma trận kênh

và số khâu trải trễ
.
Tín hiệu từ máy phát đƣợc phát tới trạm chuyển
tiếp. Trạm chuyển tiếp nhận đƣợc
bản sao của tín
hiệu từ máy phát, thực hiện xử lý rồi phát tới máy thu.
Máy thu nhận đƣợc
bản sao của tín hiệu từ trạm
chuyển tiếp, xử lý để khôi phục lại tin tức ban đầu.
Hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có trạm
chuyển tiếp một chiều kiểu AF và sử dụng bộ tiền mã
hóa và giải mã tuyến tính đƣợc minh họa trong Hình 2.
Ngun lý hoạt động của máy phát và máy thu trong
hệ thống này tƣơng tự nhƣ trong bài báo trƣớc đây
[14].

1

1

Trạm
Chuyển
tiếp

Máy
phát

1

1


Máy
thu

Hình 1. Sơ đồ khối tổng qt của mơ hình hệ thống MIMO
hai chặng kênh trải trễ.

Các
bit
vào

Chèn

Điều
Chế

F

1

P/S
vector 0
(a)

1

1
Chèn
vector 0
(b)


1
S/P

Giải
Điều Chế

G

Các
bit
ra

(c)
Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải
trễ sử dụng bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính. (a) Máy
phát. (b) Trạm chuyển tiếp. (c) Máy thu.

354


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Ở máy phát, luồng bit đầu vào đƣợc điều chế và
sắp xếp tạo thành khối symbol kích thƣớc
,
trong đó có vector symbol đầu vào, mỗi vector có
symbol. Khối symbol đƣợc xử lý bởi bộ tiền mã hóa
tuyến tính
kích thƣớc

, tạo ra
symbol. Bộ chuyển đổi song song-nối tiếp (P/S:
Parallel-to-Serial) chuyển đổi
symbol này thành
vector nối tiếp, mỗi vector có kích thƣớc
.
Sau đó, vector này đƣợc chèn thêm
vector
symbol bảo vệ 0 với kích thƣớc mỗi vector
để
tránh nhiễu giữa các khối dữ liệu, tạo thành
vector phát đi trên chặng máy phát-trạm
chuyển tiếp.
Tại trạm chuyển tiếp, tín hiệu thu đƣợc gồm
vector symbol, trong đó mỗi vector kích thƣớc
. Các vector này đƣợc chèn thêm
vector symbol bảo vệ 0 với kích thƣớc mỗi vector
, tạo thành
vector symbol. Sau
đó, các vector symbol đƣợc phát đi trên chặng trạm
chuyển tiếp-máy thu.
Ở máy thu, tín hiệu nhận đƣợc gồm
vector symbol nối tiếp, trong đó mỗi vector kích thƣớc
. Các vector này đƣợc đƣa qua bộ chuyển đổi
nối tiếp-song song (S/P: Serial-to-Parallel) và bộ giải
mã tuyến tính kích thƣớc
,
đƣợc khối symbol ƣớc lƣợng ̂ kích thƣớc
.
Khối symbol ̂ đƣợc giải điều chế để khơi phục lại

luồng bit tin ban đầu.
Ma trận kênh
có kích thƣớc
và
có kích thƣớc
đƣợc biểu diễn nhƣ sau [14],

B. Thiết kế ma trận tiền mã hóa và giải mã tuyến tính
Bộ tiền mã hóa và giãi mã tuyến tính đƣợc tối ƣu
theo tiêu chí tốc độ thơng tin cực đại, phƣơng pháp tính
tốn tƣơng tự nhƣ tài liệu [14] nhƣng áp dụng cho hệ
thống hai chặng kênh trải trễ có ma trận tƣơng đƣơng
và tạp âm tƣơng đƣơng
. Các giả thiết tính
tốn nhƣ sau: Trong thời gian truyền mỗi khối dữ liệu
thì ma trận kênh
và
coi là bất biến; thơng tin
trạng thái kênh CSI đƣợc biết trƣớc ở máy phát và máy
thu.
Vì tín hiệu và tạp âm trực giao với nhau, nên ta có
phƣơng trình sau [14],
(4)
Ký hiệu * biểu diễn chuyển vị liên hợp phức.
Phân tích trị riêng (EVD: Eigenvalue
Decomposition) của ma trận kênh
đƣợc thực hiện
nhƣ dƣới đây [14],
̃ (


̃
(5)
̃)
Trong đó, và ̃ là các ma trận trực giao có kích thƣớc
lần lƣợt
và
;
là ma
trận đƣờng chéo chứa
trị riêng khác 0 theo thứ tự
giảm dần từ phía trên-bên trái xuống phía dƣới-bên
phải; ̃ chứa các trị riêng bằng 0.
Biểu diễn
dạng
([
]) với
; ma trận trọng số
đƣợc
biểu diễn dạng
([
]) ;
và xếp theo thứ tự giảm dần
.
Ma trận và đƣợc tối ƣu theo tiêu chí tốc độ
thơng tin cực đại. Để đạt tiêu chí tốc độ thơng tin cực
đại, u cầu
[14]. Khi đó, ma trận và có
cơng thức tính nhƣ sau [14],
(6)
(7)


(1)
(

)

(
(
∑

(2)

)

(9)
.

(10)

Trong đó, dấu
nghĩa là các thành phần có giá trị
âm ở trong ngoặc đƣợc thay thế bởi giá trị 0. là tổng
công suất trên các anten phát. Thuật toán tối ƣu đƣợc
khởi tạo với
và kết thúc khi thỏa mãn điều
kiện
.
III.

(3)


ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

Chất lƣợng hệ thống đƣợc đánh giá dựa trên mối
quan hệ giữa tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Ratio) và tỷ
số tín/tạp (SNR: Signal-to-Noise) bằng cách sử dụng
mơ phỏng Monte Carlo trên phần mềm Matlab. Các
tham số dùng cho mô phỏng đƣợc giả thiết nhƣ sau.
Các thành phần của
(khâu trải trễ thứ của ma trận
kênh ) đƣợc tạo ra một cách ngẫu nhiên với phƣơng

Trong đó,
và
.
là tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN:
Additive White Gaussian Noise) tại trạm chuyển tiếp,
có kích thƣớc
.
là AWGN
tại máy thu, có kích thƣớc
.

ISBN 978-604-80-5958-3

(8)

)
∑


(
)
Trong đó,
(
) biểu diễn khâu trải
trễ thứ của ma trận đáp ứng xung kênh MIMO.
Khối symbol ̂ đƣợc tính tốn nhƣ sau,
̂
.

(

)

355


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

B. Ảnh hưởng của kích thước khối dữ liệu
Giả thiết hệ thống sử dụng điều chế 4-QAM. Số
khâu trải trễ của các chặng máy phát-trạm chuyển tiếp
và trạm chuyển tiếp-máy thu là
. Kích
thƣớc khối dữ liệu đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi số
vector symbol .
Hình 4 minh họa kết quả mơ phỏng hệ thống. Tại
SNR = 25 dB, khi tăng từ 10 tới 18 thì BER tăng từ
tới
. Kết quả này có thể giải

thích nhƣ sau. Khi tăng tức là số lƣợng symbol phát
đi từ máy phát tới máy thu tăng lên. Do đó, tổng số lỗi
symbol ở máy thu tăng, dẫn tới BER tăng lên. Mặc dù
tăng nâng cao hiệu quả sử dụng phổ nhƣng chất
lƣợng tín hiệu cũng kém đi.

sai là thành phần thứ của profile trễ công suất (power
delay profile). Thông tin về trạng thái kênh đƣợc giả sử
là biết trƣớc ở máy phát và máy thu. Tạp âm ở đầu vào
trạm chuyển tiếp và máy thu đƣợc giả định là AWGN.
Hệ thống sử dụng điều chế biên độ cầu phƣơng (QAM:
Quadrature Amplitude Modulation). Tổng công suất
phát trên các anten của máy phát đƣợc chuẩn hóa:
. Số lƣợng anten của máy phát, trạm chuyển
tiếp, và máy thu là
anten. Khối dữ
liệu có vector, mỗi vector có
symbol. Độ dài
vector symbol đƣợc giả sử là khơng đổi, do đó kích
thƣớc khối dữ liệu đƣợc thay đổi khi thay đổi. Ảnh
hƣởng của các tham số nhƣ mức điều chế, kích thƣớc
khối dữ liệu, và số khẩu trải trễ tới BER cũng nhƣ chất
lƣợng của hệ thống hai chặng so với hệ thống đơn
chặng và chất lƣợng của hệ thống hai chặng khi thiết kế
bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính theo các tiêu chí
khác nhau đƣợc nghiên cứu đánh giá. Khi một trong ba
tham số
đƣợc đánh giá thì hai tham số cịn lại
đƣợc giữ cố định. BER đƣợc tính trung bình trên tổng
số 10,000 khối dữ liệu.


C. Ảnh hưởng của số khâu trải trễ
Xét hệ thống sử dụng điều chế 4-QAM; mỗi khối
dữ liệu có số vector symbol
(Số vector symbol
lựa chọn ở đây và các mô phỏng tiếp theo đƣợc gán
một cách tùy ý, với điều kiện là không quá lớn gây
suy giảm đáng kể chất lƣợng tín hiệu.); số khâu trải trễ
của các chặng máy phát-trạm chuyển tiếp và trạm
chuyển tiếp-máy thu
. Ảnh hƣởng của
số khâu trải trễ tới chất lƣợng hệ thống đƣợc đánh giá
bằng cách thay đổi .
Ảnh hƣởng của tới BER đƣợc mơ tả trong Hình
5. Tại SNR = 25 dB, khi tăng từ 10 tới 14 thì BER
giảm từ
xuống
. Khi tăng
gây ra hai ảnh hƣởng nhƣ sau. Ảnh hƣởng tích cực là
tăng thì số phiên bản của tín hiệu nhận đƣợc tại máy
thu tăng, tức là thơng tin dùng cho khơi phục tín hiệu
tăng lên dẫn tới xác suất lỗi giảm. Ảnh hƣởng không
mong muốn là số khâu trải trễ tăng làm cho hiện tƣợng
chồng lấn symbol tăng. Tuy nhiên, khi càng lớn thì
mức cơng suất của các symbol trễ phía sau càng nhỏ,
nhiễu chồng lấn không đáng kể. Do hai ảnh hƣởng trên
nên khi tăng thì BER đƣợc cải thiện nhƣng sự cải
thiện này khơng nhiều.

A. Ảnh hưởng của mức điều chế

Giả thiết chặng máy phát-trạm chuyển tiếp và
chặng trạm chuyển tiếp-máy thu có số khâu trải trễ là
. Khối dữ liệu ban đầu có số vector
symbol là
. Mô phỏng đƣợc thực hiện với các
mức điều chế QAM khác nhau
.
Kết quả mô phỏng đƣợc minh họa trong Hình 3.
Tại cùng SNR, khi mức điều chế tăng thì BER tăng.
Ví dụ, tại SNR = 25 dB, các BER ứng với
lần lƣợt là
,
,
. Nguyên nhân có thể giải thích là khi tăng
mức điều chế thì mật độ symbol trong chịm sao tín
hiệu dày hơn, dẫn đến khoảng cách từ điểm tín hiệu tới
biên quyết định hẹp lại. Hệ quả là khi khơi phục tín
hiệu thì xác suất xảy ra lỗi symbol tăng, làm cho BER
tăng. Nhƣ vậy, khi tăng thì hiệu quả sử dụng phổ
tăng nhƣng phải trả giá bởi chất lƣợng tín hiệu kém đi.

Hình 3. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ tại
các mức điều chế QAM khác nhau.

ISBN 978-604-80-5958-3

Hình 4. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ khi
thay đổi kích thƣớc khối dữ liệu.

356



Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

E. So sánh các tiêu chí tối ưu
Xét hai hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có
các tham số nhƣ nhau, nhƣng bộ tiền mã hóa và giải
mã tuyến tính đƣợc thiết kế theo các tiêu chí khác
nhau. Hai hệ thống đều sử dụng điều chế 4-QAM; số
khâu trải trễ của các chặng máy phát-trạm chuyển tiếp
và trạm chuyển tiếp-máy thu
;
mỗi khối dữ liệu có số vector symbol
. Hai tiêu
chí thiết kế bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính đƣợc
xem xét là tiêu chí tốc độ thơng tin cực đại Max-IR mà
bài báo đang nghiên cứu và tiêu chí MMSE khơng
trọng số. Phƣơng pháp tính tốn ma trận và theo
tiêu chí MMSE khơng trọng số đƣợc trình bày trong
tài liệu [14]. Để đạt tốc độ thông tin cực đại, tiêu chí
Max-IR u cầu
nhƣ trình bày ở phần II. Để
đạt tổng số lỗi ƣớc lƣợng symbol tối thiểu, tiêu chí
MMSE khơng trọng số u cầu
. Khi đó, các
cơng thức tính tốn và của tiêu chí MMSE khơng
trọng số tƣơng tự nhƣ tiêu chí Max-IR, chỉ khác cơng
thức tính
và
nhƣ sau [14],


Hình 5. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có
số lƣợng khâu trải trễ khác nhau.

D. So sánh hệ thống hai chặng và đơn chặng
Xét hệ thống MIMO kênh trải trễ đơn chặng và hai
chặng. Hai hệ thống đều sử dụng bộ tiền mã hóa và
giải mã tuyến tính tối ƣu theo tiêu chí tốc độ thơng tin
cực đại; điều chế 4-QAM; mỗi khối dữ liệu có số
vector symbol
. Số khâu trải trễ của hệ thống
đơn chặng và số khâu trải trễ của mỗi chặng trong hệ
thống hai chặng nhƣ nhau
.
Kết quả mô phỏng chất lƣợng của hai hệ thống
đƣợc minh họa trong Hình 6. Có thể thấy tại cùng SNR
thì BER của hệ thống hai chặng cao hơn hệ thống đơn
chặng. Ngun nhân có thể giải thích nhƣ sau. Đối với
hệ thống đơn chặng, tín hiệu bị nhiễu do ảnh hƣởng của
khâu trải trễ giữa máy phát và máy thu. Đối với hệ
thống hai chặng, tín hiệu bị nhiễu do ảnh hƣởng của
khâu trải trễ giữa máy phát và trạm chuyển tiếp, sau đó
bị ảnh hƣởng tiếp bởi khâu trải trễ giữa trạm chuyển
tiếp và máy thu. Do đó, lỗi tích lũy ở hệ thống hai
chặng cao hơn so với hệ thống đơn chặng. Nhƣ vậy, hệ
thống hai chặng làm tăng khoảng cách truyền nhƣng
phải trả giá bởi chất lƣợng tín hiệu kém đi.

(


(11)

(
)
.
(12)
Kết quả mơ phỏng hai hệ thống đƣợc minh họa
trong Hình 7. Tại cùng SNR thì BER của tiêu chí MaxIR cao hơn so BER của tiêu chí MMSE khơng trọng số.
Ngun nhân của kết quả này là do mục tiêu thiết kế
của tiêu chí MMSE khơng trọng số nhằm tối thiểu hóa
tổng số lỗi ƣớc lƣợng symbol nên BER thấp hơn so tiêu
chí Max-IR. Tuy nhiên, tiêu chí Max-IR có ƣu thế về
tốc độ thơng tin so với tiêu chí MMSE khơng trọng số.
Tốc độ thơng tin đƣợc tính theo cơng thức sau [14],
∑
).
(13)
(
Trong đó,
là thành phần đƣờng chéo của ma trận
, biểu diễn dạng
.

Hình 7. BER của hệ thống MIMO hai chặng kênh trải trễ có
bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính đƣợc thiết kế dựa trên
các tiêu chí khác nhau: Tiêu chí tốc độ thơng tin cực đại
(Max-IR) và tiêu chí lỗi trung bình bình phƣơng tối thiểu
khơng trọng số (Unweighted MMSE).

Hình 6. BER của hệ thống MIMO hai chặng (Dual Hop) và

đơn chặng (Single Hop) có kênh trải trễ, bộ tiền mã hóa và
giải mã tuyến tính đƣợc thiết kế theo tiêu chí tốc độ thơng tin
cực đại.

ISBN 978-604-80-5958-3

)

357


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Với các tham số mơ phỏng nhƣ trên thì tiêu chí
Max-IR đạt đƣợc tốc độ thơng tin là
(bit/s/Hz), trong khi tiêu chí MMSE không trọng số chỉ
đạt tốc độ thông tin là
(bit/s/Hz). Nhƣ vậy,
với các ứng dụng yêu cầu tốc độ thông tin cao thì tiêu
chí Max-IR chiếm ƣu thế.
IV.

[9]

[10]

KẾT LUẬN

Bài báo đề xuất sử dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và
giải mã tuyến tính cho hệ thống MIMO hai chặng kênh

trải trễ sử dụng trạm chuyển tiếp một chiều kiểu AF.
Tiêu chí thiết kế đƣợc lựa chọn nghiên cứu là tiêu chí
tốc độ thơng tin cực đại. Tiêu chí này phù hợp cho các
ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu với tốc độ thông tin
cao. Nhờ sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và trạm
chuyển tiếp, hệ thống hai chặng này có khả năng nâng
cao dung lƣợng kênh, mở rộng vùng phủ sóng và tăng
khoảng cách truyền giữa máy phát và máy thu. Việc sử
dụng kết hợp bộ tiền mã hóa và giải mã tuyến tính đã
cải thiện đƣợc chất lƣợng hệ thống, cụ thể là bộ tiền mã
hóa và giải mã tuyến tính đƣợc tối ƣu để đạt tốc độ
thơng tin cực đại. Hệ thống đƣợc đánh giá khi thay đổi
các tham số nhƣ mức điều chế, kích thƣớc khối dữ liệu,
và số khâu trải trễ để tạo cơ sở lựa chọn các tham số
phù hợp khi thiết kế hệ thống. Ngoài ra, hệ thống đƣợc
so sánh với hệ thống đơn chặng để thấy ảnh hƣởng khi
cài đặt thêm trạm chuyển tiếp. Hệ thống còn đƣợc đánh
giá khi sử dụng các tiêu chí thiết kế bộ tiền mã hóa và
giải mã tuyến tính khác nhau. Đây là cơ sở để lựa chọn
tiêu chí thiết kế tùy theo từng ứng dụng cụ thể.

[11]

[12]

[13]

[14]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

T. Kaiser, A. Bourdoux, H. Boche, J. R. Fonollosa, J. B.
Andersen, and W. Utschick, Smart Antennas – State of the Art,
chap. 14, New York, USA: Hindawi Publishing Corporation,
2005.
Y. Rong and Y. Hua, “Optimality of diagonalization of multihop MIMO relays,” IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 8, no. 12, pp. 6068 - 6077, 2009.
R. Mo, Y. H. Chew, and C. Yuen, “Information rate and relay
precoder design for amplify-and-forward MIMO relay
networks with imperfect channel state information,” IEEE
Transactions on Vehicular Technology, vol. 61, no. 9, pp.
3958 - 3968, 2012.
P. Ubaidulla and A. Chockalingam, “Relay precoder
optimization in MIMO-relay networks with imperfect CSI,”
IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 59, no. 11, pp.

5473 - 5484, 2011.
H. Kaur, M. Khosla, and R. K. Sarin, “Channel estimation in a
MIMO relay system: Challenges & approaches,” in Proc. Of
the Second International Conference on Inventive Systems and
Control (ICISC), pp. 203 - 214, 2018.
K. Pahlavan and A. H. Levesque, Wireless Information
Networks, chap. 3, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons,
2005.
H. Arslan and T. Yucek, “Delay spread estimation for wireless
communication systems,” in Proc. Of Eighth IEEE
International Symposium on Computers and Communication
(ISCC), 2003.
C. R. N. Athaudage and A. D. S. Jayalath, “Delay-spread
estimation using cyclic-prefix in wireless OFDM systems,” in
IEE Proc. -Commun., vol. 151, no. 6, pp. 559 - 566, 2004.

ISBN 978-604-80-5958-3

358

B. Q. Doanh, D. T. Quan, P. T. Hiep, and T. C. Hieu, “An
efficient design of precoding and equalization to reduce BER
of multi-path MIMO channels,” in Proc. Of the Third
International Conference on Recent Advances in Signal
Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom),
2019.
B. Q. Doanh, D. T. Quan, P. T. Hiep, and T. C. Hieu, “A
combining design of precoder and equalizer based on shared
redundancy to improve performance of ISI MIMO systems,”
Wireless Networks, vol. 25, pp. 2741 - 2750, 2019.

N. Lee, H. Park, and J. Chun, “Linear precoder and decoder
design for two-way AF MIMO relaying system,” in Proc. Of
IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), pp. 1221 1225, 2008.
Y. Huang, L. Yang, M. Bengtsson, and B. Ottersten, “A
limited feedback joint precoding for amplify-and-forward
relaying,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58,
no. 3, pp. 1347 - 1357, 2010.
X. Liang, Z. Ding, and C. Xiao, “On linear precoding of nonregenerative MIMO relays for QAM inputs,” in Proc. Of IEEE
International Conference on Communications (ICC), 2012.
H. Sampath, P. Stoica, and A. Paulraj, “Generalized linear
precoder and decoder design for MIMO channels using the
weighted MMSE criterion,” IEEE Transactions on
Communications, vol. 49, no. 12, pp. 2198 - 2206, 2001.