Thiết kế kiến trúc phần cứng bộ tách tín hiệu FSD cho hệ thống MIMO-HRSM

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 39
THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG BỘ TÁCH TÍN HIỆU FSD 
CHO HỆ THỐNG MIMO-HRSM 
Nguyễn Xuân Nghĩa1,2*, Trần Sơn Tùng1, Lê Minh Tuấn2, Ngô Vũ Đức1 
Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một kiến trúc phần cứng nhằm 
làm giảm độ phức tạp của các máy thu hợp lý cực đại (ML: Maximum Likelihood) 
trong hệ thống điều chế không gian tốc độ cao (HRSM: High Rate Spatial 
Modulation). Dựa trên mô hình kết hợp thuật toán giải mã cầu và phân rã ma trận 
có sắp xếp (Sorted QR decomposition), chúng tôi xây dựng kiến trúc phần cứng cho 
hệ thống 4x4 ăng ten, điều chế 16QAM. Kết quả triển khai thiết kế cho thấy mô hình 
chúng tôi đề xuất đạt được thông lượng cao hơn so với các mô hình truyền dẫn SM 
hay GSM có cùng cấu hình ăng ten thu/phát, trong khi vẫn giữ độ trễ thấp và sử 
dụng lượng tài nguyên phần cứng hợp lý. 
Từ khóa: MIMO; HRSM; FSD; VLSI. 
1. MỞ ĐẦU 
Trong lĩnh vực viễn thông, MIMO là một công nghệ truyền dẫn không dây tiên tiến sử 
dụng nhiều ăng ten trên cả máy phát và máy thu. Các hệ thống MIMO có thể tăng hiệu suất 
phổ tần bằng cách truyền nhiều luồng dữ liệu đồng thời trong cùng một dải tần số [1, 2]. 
 Vấn đề đặt ra khi triển khai hệ thống MIMO trên thực tế đó là phải đảm bảo sự cân 
bằng giữa hiệu suất và độ phức tạp của hệ thống. Bộ tách sóng hợp lý cực đại (ML: 
Maximum Likelihood) cho phẩm chất lỗi bít tối ưu nhưng có độ phức tạp quá lớn nên rất 
khó khăn để triển khai trong thực tế. Chính vì thế, các bộ tách sóng có độ phức tạp thấp 
như bộ tách cưỡng bức bằng không (ZF: Zero Forcing) hay bộ tách sai số bình phương 
trung bình nhỏ nhất (MMSE: Minimum Mean Square Error) thường được sử dụng trong 
các hệ thống MIMO ghép kênh theo không gian (SDM MIMO) bởi vì chúng có độ phức 
tạp tính toán rất thấp. Tuy nhiên, nhược điểm của các bộ tách tín hiệu này lại là tỉ lệ lỗi bit 
(BER) cao do nhiễu liên kênh còn sót lại khi tách lần lượt các tín hiệu, đặc biệt là trong 
trường hợp hệ thống có số lượng ăng ten lớn. Vì vậy, kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp (SIC: 
Successive Interference Cancellation) đã được sử dụng trong các bộ tách tín hiệu để khắc 
phục điểm yếu này. Hệ thống Không gian-thời gian tuần tự theo lớp của phòng thí nghiệm 
Bell (V-BLAST: Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) được phát minh trong 
[3] là một trong số các hệ thống như vậy. Hệ thống này sử dụng bộ tách tín hiệu ZF-
BLAST, thực chất là một bộ tách tín hiệu ZF kết hợp cùng với chương trình triệt nhiễu nối 
tiếp SIC. Ngoài ra, trong [4, 5], một bộ tách tín hiệu nữa sử dụng SIC được đề xuất là ZF-
SQRD. Bộ tách này thiết kế dựa trên thuật toán SQRD và áp dụng phương pháp giảm độ 
trễ, đã làm giảm được độ phức tạp giảm ở phía thu, tuy nhiên phẩm chất BER của hệ thống 
này bị suy giảm so với các bộ tách ZF-VBLAST. Trong [6, 7] các tác giả đề xuất hai bộ 
tách sóng mới cho hệ thống VBLAST là MMSE-BLAST và MMSE-SQRD. Kết quả tính 
toán và mô phỏng cho thấy, bộ tách MMSE-BLAST cung cấp phẩm chất BER tốt hơn 
SQRD-BLAST với cùng độ phức tạp tính toán. 
Gần đây, hệ thống điều chế không gian tốc độ cao (HRSM: High Rate Spatial 
Modulation) đã được Nguyễn Thu Phương và các cộng sự đề xuất trong [8]. Hệ thống này 
cung cấp hiệu suất phổ tần cao hơn đáng kể so với phương pháp điều chế không gian trong 
[9] và điều chế không gian tổng quát (GSM) trong [10, 11]. Nguyên lý làm việc của 
HRSM dựa trên sự kết hợp kỹ thuật điều chế không gian SM với từ mã chòm sao không 
gian (SC: Spatial Constellation). Cụ thể là HRSM đưa các bit thông tin vào chỉ số của ăng 
ten và truyền từ mã thông qua điều chế biên độ cầu phương (QAM) hoặc điều chế pha 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. X. Nghĩa, , N. V. Đức, “Thiết kế kiến trúc phần cứng  hệ thống MIMO-HRSM.” 40 
PSK (Phase-shift keying). Vì vậy, hệ thống HRSM có hiệu suất BER tốt hơn do ít nhiễu 
ICI và IAS hơn các hệ thống MIMO thông thường, như hệ thống STBC-SM [12]. Gần 
đây, nhiều bộ tách tín hiệu phức tạp cho hệ thống HRSM được phát triển trong [13], gồm 
các bộ tách tín hiệu MSQRD, MBLAST, và ISQRD. Cả 3 bộ tách tín hiệu này có độ phức 
tạp thấp nhưng phẩm chất BER bị suy giảm đáng kể so với bộ tách tín hiệu tối ưu ML. 
Bên cạnh các bộ tách tín hiệu đã nêu trên, thuật toán giải mã cầu (SD: Sphere 
decoding) - một thuật toán tìm kiếm điểm dàn gần nhất tới vector nhận được - cũng được 
coi là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn. Bộ tách SD được đề xuất đầu tiên trong [14] bằng 
cách sử dụng phương pháp liệt kê Fincke-Pohst (PE-SD). Sau đó phương pháp PE-SD đã 
được chứng minh là kém hơn phương pháp liệt kê Schnorr-Euchner (SE-SD: Schnorr-
Euchner Sphere Decoding) trong [15] do SE-SD có độ phức tạp không phụ thuộc vào bán 
kính cầu ban đầu. Tuy nhiên, SE-SD lại không thể triển khai thiết kế phần cứng theo 
phương pháp pipelining do thuật toán đòi hỏi phải tìm kiếm đầy đủ tất cả các bộ giá trị 
thỏa mãn điều kiện nằm trong bán kính hình cầu. Chính vì vậy, thuật toán SD có độ phức 
tạp biến thiên theo đa thức. Điều này trở thành nút thắt trong việc triển khai thiết kế phần 
cứng. Để khắc phục vấn đề này, Barbero và cộng sự đã giới thiệu một phương pháp tiếp 
cận mới trong [16] gọi là phương pháp Giải mã cầu cố định (FSD: Fixed Sphere 
Decoding). Phương pháp này đạt được thông lượng cố định và sử dụng tài nguyên phần 
cứng hiệu quả trong khi vẫn duy trì phẩm chất BER gần với bộ tách tín hiệu tối ưu ML. 
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một thiết kế kiến trúc phần cứng có hiệu suất cao 
cho bộ tách tín hiệu của hệ thống HRSM, sử dụng phương pháp Modified Gram Schmidt 
SQRD (MGS-SQRD) và FSD. So với các thiết kế tương tự được nêu trong phần tài liệu, 
cụ thể là thiết kế của Nguyễn (phần SQRD) trong [17], thiết kế của Barbero (phần FSD) 
trong [16], và thiết kế của Chu (phần FSD) trong [18], thiết kế mà chúng tôi đề xuất đạt 
được thông lượng lớn hơn đáng kể trong khi sử dụng lượng tài nguyên phần cứng hợp lý. 
Ngoài ra, các khối trong kiến trúc phần cứng được thiết kế linh hoạt cho phép phát triển 
hơn nữa trong các công trình nghiên cứu trong tương lai. 
Phần tiếp theo của bài báo này được trình bày như sau: Mục 2 trình bày mô hình hệ 
thống HRSM và nguyên lý làm việc của hai thuật toán SQRD, FSD. Thiết kế phần cứng 
được trình bày chi tiết trong mục 3. Mục 4 là kết quả thực thi trên phần cứng và cuối cùng, 
kết luận của bài báo được trình bày trong mục 5. 
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 
2.1. Hệ thống HRSM 
Hình 1. Mô hình hệ thống HRSM. 
Xét hệ thống HRSM gồm  ăng ten phát và  ăng ten thu làm việc trong môi trường 
kênh truyền fading Rayleigh cận tĩnh như hình 1. Trong mỗi chu kỳ phát tín hiệu, máy 
phát phát đi một từ mã HRSM, , có độ dài  +  bít. Từ mã HRSM được tạo ra như sau: 
luồng dữ liệu phát nối tiếp ( + ) bít được chuyển đổi thành hai luồng dữ liệu song song 
có chiều dài lần lượt là m và l bít. Sau đó  = 2 × ( − 1) bít được ánh xạ thành một từ 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 41
mã không gian  (SC codeword) và  bít được điều chế bởi bộ điều chế tín hiệu truyền 
thống M-QAM/PSK để tạo ra ký hiệu điều chế , (	 = 	2). Cuối cùng từ mã HRSM 
được tạo ra bằng cách nhân từ mã SC với  như sau: 	 = 	 × . Để máy, thu có thể tách 
được các tín hiệu đã phát một cách dễ dàng, phần tử đầu tiên của s luôn được cố định là 1, 
các phần tử còn lại được lựa chọn trong tập ±1,± phụ thuộc vào giá trị của  bít đầu vào. 
Ở phía thu, vector tín hiệu nhận được được cho bởi công thức: 
  = 	


.  + 	, (1) 
trong đó, H là ma trận kênh truyền có kích thước  	× ,  là vector tạp âm có kích 
thước  	× 1. Các phần tử của ma trận kênh truyền H và véc tơ nhiễu n được giả thiết là 
các biến ngẫu nhiên đồng nhất, cùng phân bố (i.i.d) có trung bình bằng 0 và phương sai 
.  là năng lượng trung bình của tín hiệu điều chế  và  là tỷ số công suất tín hiệu 
trên tạp âm (SNR: signal to noise ratio) trung bình tại mỗi ăng ten thu. Phương trình mô tả 
hệ thống trong công thức (1) có thể được biểu diễn dưới dạng hệ thống tương đương mở 
rộng như sau: 
  = 	 + , (2) 
trong đó, ,  và  lần lượt là véc tơ tín hiệu thu, ma trận kênh truyền và véc tơ tạp âm 
của hệ thống HRSM tương đương mở rộng. Chúng được xác định như sau: 
  = 	 	

0
	 ,  = 	 	

1

	
	 ,  = 	− 	

1


	 (3) 
2.2. Thuật toán SQRD 
Trong phương pháp phân tích QR thông thường, ma trận kênh  được thực hiện phân 
tách theo phương trình: 
  =  (4) 
trong đó,  là ma trận unita kích thước ( + ) ×		có tính chất 
*Q = I,  là ma 
trận tam giác trên có kích thước  	× . Nhân hai vế của phương trình (4) với 
 ta 
được: 
  = 	 +  (5) 
trong đó, 	 = 	 và 	 = 	. Do tính chất của ma trận tam giác trên , khối triệt 
nhiễu nối tiếp SIC được thực hiện bằng cách ước lượng vector tín hiệu thu bắt đầu từ lớp 
dưới cùng. Cụ thể, đầu tiên ta ước lượng 	từ  = 	  +	, sau đó giá trị ước 
lượng này được dùng để triệt ảnh hưởng của nó và tách symbol tiếp theo,	̂. Quá trình 
này lặp lại cho đến khi tất cả các phần tử của tín hiệu phát c được khôi phục. 
Kỹ thuật SIC nêu trên chịu ảnh hưởng mạnh bởi hiện tượng lan truyền lỗi (error 
propagation) gây ra tại lớp thứ i do việc tách các symbol các lớp trước đó không hoàn toàn 
chính xác. Để khắc phục hiện tượng này, kỹ thuật phân rã QR có sắp xếp trước thực hiện 
sắp xếp lại ma trận  và Q bằng cách sử dụng một ma trận hoán vị. Công thức (4) được 
viết lại thành: 
  =  (6) 
trong đó,  là một ma trận hoán vị  	×	 với các phần tử dùng để thể hiện chỉ số cột 
của ma trận , và 	 = 	. Các cột của ma trận  sẽ được sắp xếp theo thứ tự tăng dần 
của giá trị độ lớn (norm) vector cột R(0 ≤  < ) để tối thiểu hóa xác suất lỗi truyền tín 
hiệu. Điều này cũng có nghĩa là tín hiệu được tách từ lớp dưới cùng sẽ có khuếch đại tạp 
âm nhỏ nhất. Tuy nhiên, trong thuật toán giải mã cầu cố định FSD sẽ nêu trong mục tiếp 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. X. Nghĩa, , N. V. Đức, “Thiết kế kiến trúc phần cứng  hệ thống MIMO-HRSM.” 42 
theo, lớp dưới cùng hoặc bất kỳ lớp nào được thực hiện tìm kiếm Full-Search (FS) thì phải 
được sắp xếp với kênh có khuếch đại tạp âm lớn nhất. Các lớp khác được thực hiện tìm 
kiếm Single-Search (SS) có thể sắp xếp theo sơ đồ sắp xếp thông thường. Việc thực hiện 
SQRD trong nghiên cứu này sử dụng cách tiếp cận Gram-Schmidt được sửa đổi để tối ưu 
hóa hơn trong việc triển khai phần cứng [17]. 
2.3. Thuật toán FSD 
Bộ tách tín hiệu cầu SD là một phương pháp khắc phục nhược điểm về độ phức tạp của 
bộ tách tín hiệu ML bằng cách sử dụng phương pháp tree-search để giảm số lượng trường 
hợp có thể xảy ra [14]. Nguyên lý của thuật toán SD là chỉ xét các điểm dàn tồn tại bên 
trong một mặt cầu (, ), với vector thu  là tâm hình cầu,  là bán kính. Trong bộ tách 
SD nguyên thủy, thuật toán này sẽ lặp lại việc kiểm tra với tất cả các kết quả hợp lệ trong 
bán kính hình cầu để tìm ra vector có giá trị khoảng cách Euclide tích lũy (APED) nhỏ 
nhất tới vector , giá trị này chính là tổng của tất cả các giá trị khoảng cách euclide (PED) 
trong mỗi lớp và được cho bởi công thức: 
  = 	 −  


−  (7) 
trong đó, 	 = 		,  ,1. Công thức có thể được viết lại như sau: 
 ̂ =  min

‖ − ‖ ≤  (8) 
Trong thuật toán SD, rất khó để ước tính có bao nhiêu nhánh cần phải được tìm kiếm 
trước và vì thế độ phức tạp của SD không cố định. 
Hình 2. Ví dụ cách liệt kê (duyệt điểm) của thuật toán FSD 
trong hệ thống 4 × 4 điều chế 16-QAM. 
Một thuật toán tách tín hiệu cầu hiệu quả là FSD (Fixed Sphere Decoder) được các tác 
giả đề xuất trong [16]. Thuật toán này cải tiến khái niệm giải mã cầu ban đầu cho các hệ 
thống MIMO để phù hợp hơn trong việc triển khai thiết kế phần cứng tốc độ cao nhưng có 
nhược điểm là phẩm chất BER của hệ thống bị suy giảm. Ý tưởng cơ bản là xác định trước 
số lượng các điểm chòm sao cần xem xét khi tính các chỉ số khoảng cách Euclide cho mỗi 
ăng ten phát. Chính vì vậy, số trường hợp thực hiện các bước được cố định khi triển khai 
thuật toán FSD. Hơn nữa, độ phức tạp và thông lượng cũng có thể xác định ngay từ khi bắt 
đầu thực hiện thuật toán. Ngoài ra, việc cập nhật bán kính và duyệt lặp lại các điểm như 
trong thuật toán SD cũng không cần phải thực hiện để tối ưu hiệu suất hệ thống và đơn 
giản hơn trong việc triển khai thiết kế. Điều này làm cho thuật toán FSD phù hợp hơn đối 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 43
với việc triển khai kiến trúc pipelining so với kỹ thuật tree-search tuần tự được sử dụng 
trong thuật toán SD. 
Trong thuật toán FSD, Full-Search (FS) hoặc Single-Search (SS) sẽ được lựa chọn để 
thực hiện ở mỗi lớp. FS liệt kê đầy đủ tất cả các trường hợp (điểm) của các lớp có điều 
kiện kênh kém nhất, trong khi SS chỉ tìm kiếm các trường hợp giống nhất của các lớp khác 
với khuếch đại tạp âm ít hơn [19]. 
Số lượng điểm  được đánh giá ở lớp  phải thỏa mãn mối quan hệ sau: [20] 
 [] 	≥ [] 	≥ 	⋯ 	≥ 	[] (9) 
Do đó, tổng số vector cần phải tính toán là  = 	∏ 

 	, và vector ước lượng ̂ là 
vector có giá trị APED nhỏ nhất. 
Hình 3. So sánh phẩm chất BER giữa bộ tách tín hiệu FSD và SESD 
trong hệ thống MIMO 4 × 4 sử dụng điều chế 16-QAM. 
Hình 4. So sánh độ phức tạp giữa bộ tách tín hiệu FSD và SESD trong 
hệ thống MIMO 4 × 4 sử dụng điều chế 16-QAM. 
Để đánh giá rõ hơn khả năng cân bằng giữa phẩm chất hệ thống với độ phức tạp tính 
toán của thuật toán FSD, chúng tôi đã tiến hành so sánh hai thông số này của bộ tách tín 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. X. Nghĩa, , N. V. Đức, “Thiết kế kiến trúc phần cứng  hệ thống MIMO-HRSM.” 44 
hiệu FSD với bộ tách tín hiệu SESD [21] với cùng hệ thống MIMO 4 × 4, điều chế 16-
QAM. Kết quả so sánh được thể hiện lần lượt trong hình 3 và hình 4. Kết quả mô phỏng 
cho thấy khi tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm càng cao và số điểm cố định trong mỗi lớp FSD càng 
lớn thì phẩm chất BER càng tốt và tiến gần tới đường BER của bộ tách tín hiệu SESD. 
Trong khi đó, độ phức tạp tính toán lại biến thiên theo chiều hướng ngược lại. Như vậy, 
việc đánh giá chất lượng kênh truyền, chất lượng tín hiệu rất quan trọng trong việc xác 
định số điểm cố định trong mỗi lớp FSD nhằm mang lại sự cân bằng hợp lý nhất giữa 
phẩm chất hệ thống và độ phức tạp tính toán. 
3. KIẾN TRÚC ĐỀ XUẤT 
Để có thể triển khai thuật toán tách tín hiệu trong thiết kế phần cứng, chúng tôi sử dụng 
công thức (10) dưới đây nhằm thực hiện biến đổi từ hệ thống phức sang hệ thống thực 
tương đương: 
 
ℜ()
ℑ()
 = 
ℜ() −ℑ()
ℑ() ℜ()
 
ℜ()
ℑ()
 + 
ℜ()
ℑ()
 (10) 
Tuy nhiên, theo cách tiếp cận trong [22], việc sử dụng công thức trên trong thiết kế thời 
gian thực full-pipelined sẽ không làm giảm độ phức tạp tính toán bởi vì: 1) cách tiếp c ... xử lý vector tín hiệu thu. 
Hình 12. Kiến trúc sơ đồ thiết kế tổng thể của khối FSD. 
Đối với các hệ thống 4 × 4 MIMO sử dụng điều chế 16-
QAM cùng với phương pháp liệt kê trong hình 2, cần tính 
bốn thành phần khoảng cách Euclide (PED) để giải phương 
trình số (7). Bốn thành phần này được xử lý, tính toán bởi 4 
khối PED tương ứng trong thiết kế ở hình 12. Đầu tiên, khối 
H
ìn
h
 1
0. B
iểu
 đồ
 thờ
i g
ia
n củ
a khối SQ
R
D
. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 47
PED 4 sẽ tính 16 giá trị PED từ tập hợp các giá trị ký hiệu trên bản đồ chòm sao 16-QAM 
của lớp thứ 4. Từ mỗi ký hiệu sau đó sẽ bắt đầu một nhánh mở rộng đến lớp dưới cùng. 
Trong mỗi lớp tiếp theo, 16 giá trị ký hiệu có khoảng cách euclide từng phần nhỏ nhất 
tương ứng với mỗi nhánh sẽ được đề xuất. Trong suốt quá trình, khoảng cách euclide tích 
lũy của mỗi nhánh được lưu trữ trong bộ đệm riêng biệt và được đưa vào giai đoạn so sánh 
một khi việc liệt kê kết thúc. Sau đó, nhánh có khoảng cách euclide tích lũy nhỏ nhất sẽ có 
vector ký hiệu tương ứng được chọn làm kết quả cuối cùng. 
Vì Full-Search được áp dụng trong lớp trên cùng, nên các ký hiệu đầu ra của khối PED 
4 chuyển đến cho khối PED 3 đã được xác định trước và có thể tập hợp lại thành một 
bảng. Điều này cho phép khối PED 3 có thể thực hiện hoàn toàn độc lập với khối PED 4. 
Tận dụng đặc điểm này, hai khối PED 3 và PED 4 được thiết kế để chạy song song nhằm 
giảm độ trễ của hệ thống và giảm số lượng các giai đoạn pipeline. 
Kiến trúc chi tiết của các khối PED được mô tả lần lượt trong các hình 13, hình 14, 
hình 15 và hình 16. 
Hình 13. Kiến trúc khối PED 4. 
Hình 14. Kiến trúc khối PED 3. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. X. Nghĩa, , N. V. Đức, “Thiết kế kiến trúc phần cứng  hệ thống MIMO-HRSM.” 48 
Hình 15. Kiến trúc khối PED 2. 
Hình 16. Kiến trúc khối PED 1. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 49
Trong khi tất cả các khối PED từ 3 đến 1 tương đương nhau (xem hình 14, hình 15 và 
hình 16), đều cần 16 bộ nhân phức để tính toán giá trị chuẩn như trong công thức (7), thì 
khối PED 4 chỉ yêu cầu 3 bộ nhân thực (xem hình 13) vì phương trình của nó có thể được 
đơn giản hóa theo kết quả nghiên cứu trong [23]. Cách tiếp cận này cũng làm giảm đáng 
kể chi phí phần cứng, nhưng không thể áp dụng cho các lớp khác do vấn đề cân bằng giữa 
tính hiệu quả với chi phí cho độ phức tạp phần cứng. 
Để giảm chi phí tài nguyên phần cứng, ta có thể tránh việc lặp lại phép nhân giữa thông 
tin tín hiệu và phần tử của ma trận  trên mỗi nhánh bằng cách triển khai bảng tra cứu 
 chứa tất cả các giá trị có thể xảy ra. Trên mỗi nhánh của lớp , kết quả được tính 
trước tương ứng có thể được trích xuất bằng cách sử dụng phép nhân với thông tin tín hiệu 
của lớp trước  làm bộ chọn đầu vào. Từ đó, khối ̂ được sử dụng để ước lượng giá trị 
của ký hiệu hiện tại  bằng cách làm tròn giá trị ký hiệu đến giá trị phức và và giá trị 
nguyên gần nhất trên bản đồ chòm sao tín hiệu. Kết quả được thể hiện như sau: 
  =  


	; 	  =  
  −  

  (11) 
Đối với phương pháp điều chế 16-QAM, tập các giá trị ký hiệu trên bản đồ chòm sao là 
{±1,±3}. Vì vậy, việc ước lượng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hai bộ so sánh 
ngưỡng có các giá trị biên thuộc {0,±2}. Bên cạnh đó, để tiết kiệm tài nguyên phần cứng 
cho việc thực hiện phép chia trong công thức (11), ta có thể thực hiện bằng cách nhân cả 
hai bên với . Do đó, các giá trị biên cuối cùng được sử dụng là {0, ±2}. Cuối cùng, 
giá trị PED tính được bằng cách sử dụng  để lấy chuẩn trên tổng kết tất cả các kết quả 
trước đó. Việc này cần sử dụng lượng tài nguyên phần cứng là 2 DSPs. Toàn bộ bước thực 
hiện trên của khối FSD cần 16 chu kỳ đồng hồ cho mỗi vector. Sơ đồ thiết kế pipeline các 
khối PED của module FSD đuợc thể hiện trong hình 17. 
Hình 17. Sơ đồ pipeline khối FSD. 
4. KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THIẾT KẾ 
Kết quả thực hiện của SQRD và FSD trên nền tảng Virtex 6 VLX75T speed grade-3 
được thể hiện tương ứng trong bảng 1 và bảng 2. Trong thiết kế phần cứng trên nền tảng 
FPGA, thông lượng hệ thống được tính dựa trên công thức: 
 TLHT  =  
 × 

 , (12) 
trong đó,  là số bit của dữ liệu đầu vào,  là tần số cực đại và  là số chu kỳ đồng hồ tối 
thiểu giữa hai đầu vào liên tiếp. 
Kết quả triển khai thiết kế cho phần SQRD được tổng hợp trong bảng 1. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. X. Nghĩa, , N. V. Đức, “Thiết kế kiến trúc phần cứng  hệ thống MIMO-HRSM.” 50 
Bảng 1. So sánh kết quả triển khai thiết kế khối SQRD. 
Work [17] This work 
Max freq. 429.9 Mhz 449.9 Mhz 
Hardware usage 14184 slices 
10948 LUTs 
141 DSPs 
12117 slices 
10093 LUTs 
151 DSPs 
QRDs throughput 
(Milion matrices/s) 
53.73 112.48 
Latency 269 cycles 212 cycles 
Theo [17], nhóm nghiên cứu của Nguyễn đề xuất một thiết kế có kết quả tổng thể tốt 
hơn so với tất cả các thiết khác được đề cập trong bài báo này. Do đó chúng tôi sẽ chỉ so 
sánh kết quả triển khai khối SQRD trong thiết kế của chúng tôi với thiết kế của Nguyễn. 
Như mô tả trong bảng 1, thiết kế mới mà chúng tôi đề xuất chỉ cần thêm 10 DSPs, trong 
khi chi phí tài nguyên phần cứng giảm xuống và hiệu suất hệ thống được cải thiện đáng 
kể. Sự gia tăng DSP này là kết quả khi triển khai kiến trúc xử lý song song trong một số 
phần của thiết kế. Cùng với lý do đó, số lượng LUT và slide cũng có thể tăng lên, tuy 
nhiên, bằng cách sử dụng phương pháp chia đôi vector dữ liệu, lượng tài nguyên phần 
cứng tiết kiệm được đáng kể hơn nhiều so với lượng tài nguyên phần cứng cần cho 
pipeline. Trong khi đó, không chỉ độ trễ input-output được giảm hơn 20% mà còn tần số 
cực đại cũng được tăng lên. Đồng thời thông lượng hệ thống có thể đạt tới khoảng 112 
triệu matrices mỗi giây, gần như là gấp đôi so với thiết kế được so sánh. Vì các thiết kế 
khác nhau có thể sử dụng kích thước dữ liệu đầu vào khác nhau, nên việc so sánh thông 
lượng bằng / có thể chưa hoàn toàn chính xác. Do đó, đơn vị / được đưa 
vào trong bảng để có kết quả so sánh chính xác hơn. 
Kết quả triển khai thiết kế cho phần FSD và so sánh kết quả với các thiết kế tương tự 
được thể hiện trong bảng 2. 
Bảng 2. So sánh kết quả triển khai thiết kế khối FSD. 
Work [16] [18] This work 
Scheme 4 × 4 16-QAM FSD 4 × 4 16-QAM R/FSD 4 × 4 16-QAM FSD 
Platform Virtex 2 XC2VP70 Virtex 5 VSX240T Virtex 6 VLX75T 
Max freq. 150 Mhz / 120 MHz 265 Mhz / 175.6 MHz 302.7 Mhz 
Hardware 
usage 
12721 slices/ 18631 slices 
16119 LUTs/ 32030 LUTs 
160 DSPs/ 99 DSPs 
82 BRAMs/ - 
- / 7865 slices 
23728 LUTs / 22921 LUTs 
204 DSPs / 99 DSPs 
9778 slices 
20891 LUTs 
99 DSPs 
Throughput 600 Mbps / 1.92 Gbps 513.5 Mbps / 2.81 Gbps 4.84 Gbps 
In-In delay 4 cycles / 1 cycles - 1 cycles 
Latency - 121 cycles 16 cycles 
In đậm là kết quả được tổng hợp lại trong cùng một nền tảng với các thiết kế được so sánh. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 51
Đánh giá tổng quát cho thấy, bộ tách tín hiệu mà chúng tôi đề xuất duy trì một sự cân 
bằng hợp lý trong việc sử dụng chi phí tài nguyên phần cứng để đạt được các thông số 
thiết kế rất vượt trội, đặc biệt là về thông lượng. So với thiết kế trong [16] và [18], mặc dù 
thiết kế chúng tôi đề xuất sử dụng số lượng slide nhiều hơn, nhưng số lượng DSP lại giảm 
xuống, kéo theo độ trễ giảm xuống và thông lượng hệ thống tăng lên. Bên cạnh đó, ngoài 
việc đánh đổi về sự gia tăng chi phí phần cứng đã nói, các kỹ thuật: triển khai song song 
khối PED 3 và PED 4, tối giản số bộ nhân thực trong khối PED 4, triển khai bảng tra cứu 
 tránh việc lặp lại phép nhân giữa thông tin tín hiệu và phần tử của ma trận  đều là 
những kỹ thuật thiết kế kiến trúc phần cứng góp phần quan trọng để thiết kế có được kết 
quả vượt trội. Cụ thể là thông lượng hệ thống tăng 228% so với thiết kế trong [16] và tăng 
460% so với thiết kế trong [18] khi được tổng hợp trên cùng một nền tảng phần cứng. Bên 
cạnh đó, khi triển khai thiết kế của chúng tôi cho hệ thống HRSM 4 × 4 ăng ten điều chế 
16-QAM trên nền tảng Virtex 6 VLX75T, kết quả đạt tần số cực đại là 302.7 Mhz, độ trễ 
16 chu kỳ đồng hồ và thông lượng lên tới 4.84 Gbps. 
 5. KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một thiết kế kiến trúc phần cứng tối ưu full-
pipelined có thông lượng cao cho bộ tách tín hiệu FSD trong hệ thống HRSM 4 × 4, điều 
chế 16-QAM. Kiến trúc phần cứng mà chúng tôi đề xuất có các thông số vượt trội hơn tất 
cả các đề xuất tương tự được nêu trong phần tài liệu. Đồng thời, thiết kế này có thể đạt 
được hiệu suất BER gần nhất với ML. Kiến trúc bộ tách tín hiệu được chúng tôi đề xuất 
phù hợp để ứng dụng cho các thế hệ hệ thống điều chế không gian tốc độ cao. 
Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của 
quý thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. G. J. Foschini and M. J. Gans, "On limits of wireless communications in a fading 
environment when using multiple antennas", Wireless Per. Commun., 6, pp. 311-
335, 1998. 
[2]. E. Telatar, "Capacity of multi-antenna Gaussian channels", European Trans. 
Telecommun., vol. 10, no. 6, pp.558-595, Nov./Dec. 1999. 
[3]. P. W. Wolniansky, G. J. Foschini, G. D. Golden and R. Valenzuela, "VBLAST: an 
architecture for realizing very high data rates over the richscattering wireless 
channel", Proc. URSI International Symposium on Signals, Systems, and 
Electronics, pp. 295-300, 1998. 
[4]. D. Wübben, J. Rinas, V. Kühn and K. D. Kammeyer, "Efficient algorithm for 
decoding Layered Space-Time Codes", Proc. ITG Conference on Source and 
Channel Coding, Berlin, Germany, January 2002. 
[5]. J. H. Y. Fan, R. D. Murch and W. H. Mow, "Near Maximum Likelihood Detection 
Schemes for Wireless MIMO Systems", IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 3, no. 
5, pp. 1427¨ ı¿ ½ 1430, Sep. 2004. 
[6]. B. Hassibi, "An efficient square-root algorithm for BLAST", Proc. IEEE International 
Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol.2, pp. II737-II740, 
2000. 
[7]. D. Wübben, R. Böhnke, V. Kühn and K. D. Kammeyer, "MMSE Extension of V-
BLAST based on Sorted QR Decomposition", Proc. Veh. Technol. Conf., VTC-
2003, vol. 1, pp. 508-512, Oct. 2003. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. X. Nghĩa, , N. V. Đức, “Thiết kế kiến trúc phần cứng  hệ thống MIMO-HRSM.” 52 
[8]. Thu-Phuong Nguyen, Minh-Tuan Le, Vu-Duc Ngo, Xuan-Nam Tran, Hae-Wook 
Choi, “Spatial Modulation for High-Rate Transmission Systems”, in Vehicular 
Technology Conference (VTC Spring), IEEE, pp. 1-5,May 2014. 
[9]. R. Mesleh, H. Haas, C. Ahn and S. Yun, "Spatial modulation - a new low complexity 
spectral efficiency enhancing technique", Proc. First International Conf. Commun. 
Netw., Beijing, China, pp. 1-5, Oct. 2006. 
[10]. A.Younis, N. Serafimovski, R.Mesleh and H. Haas, "Generalised spatial 
modulation", Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), 2010 Conference 
Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on, pp.1498-1502, Nov. 2010. 
[11]. J. Fu, C. Hou, W. Xiang, L. Yan and Y. Hou, "Generalised spatial modulation with 
multiple active transmit antennas", GLOBECOM Workshops (GC Wkshps), 2010 
IEEE, pp.839-844, Dec. 2010. 
[12]. E. Basar, Ü. AygölÜ, E.PanaYlrcl, and H. V. Poor, "Space-Time Block Coded 
Spatial Modulation", IEEE Trans. Commun., vol. 59, no. 3, pp.823-832, Mar. 2011. 
[13]. Dong Nguyen, Xuan-Nam Tran, Trung-Minh Do, Vu-Duc Ngo, and Minh-Tuan Le, 
“Low-Complexity Detectors for High-Rate Spatial Modulation", International Conf. 
on Advanced Technol. for Commun., ATC 2014 , Hanoi, Vietnam, pp. 652-656, 
Oct. 2014. 
[14]. M. Damen, H. Gamal, and G. Caire, "On maximum-likelihood detection and the 
search for the closest lattice point", IEEE Transactions on Information Theory , vol. 
49, no. 10, pp. 2389 – 2402, October 2003. 
[15]. E. Agrell, T. Eriksson, A. Vardy and K. Zeger, "Closest point search in lattices", 
IEEE Transactions on Information Theory , vol. 48, no. 8, pp. 2201-2214, August 
2002. 
[16]. L. G. Barbero and J. S. Thompson, "Rapid Prototyping of a Fixed-Throughput 
Sphere Decoder for MIMO Systems", IEEE International Conference on 
Communications , vol. 7, pp. 3082-3087, June 2006. 
[17]. Xuan-Nghia Nguyen, Van-Tu Nguyen, Minh-Tuan Le, Xuan-Nam Tran and Vu-Duc 
Ngo, "High Throughput Modified MMSE Hardware Detector for High-Rate Spatial 
Modulation System", IEEE Sixth International Conference on Communications and 
Electronics (ICCE) , Ha Long, Vietnam, July 2016. 
[18]. X. Chu and J. McAllister, "FPGA based soft-core SIMD processing: A MIMO-
OFDM Fixed-Complexity Sphere Decoder case study", 2010 International 
Conference on Field-Programmable Technology , Beijing, China, Dec 2010. 
[19]. Kelvin Lee and Babak Daneshrad, "VLSI implementation of a quasi-ml, energy 
efficient fixed complexity sphere decoder for MIMO communication system", 
Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Paris, 
France, May 2010. 
[20]. L. G. Barbero and J. S. Thompson, "A fixed-complexity MIMO detector based on 
the complex sphere decoder", IEEE 7th Workshop on Signal Processing Advances 
in Wireless Communications , Cannes, France, July 2006. 
[21]. C. P. Schnorr and M. Euchner, "Lattice basis reduction: Improved practical 
algorithms and solving subset sum problems", Math. Program. , vol. 66, no. 2, pp. 
181191, 1994. 
[22]. C. Zheng, X. Chu, J. McAllister and R. Woods, "Real-Valued Fixed-Complexity 
Sphere Decoder for HighDimensional QAM-MIMO Systems", IEEE Transactions 
on Signal Processing , vol. 59, no. 9, pp. 4493-4499, 2011. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 53
[23]. M. S. Khairy, M. M. Abdallah and S. E. D. Habib, "Efficient FPGA Implementation 
of MIMO Decoder for Mobile WiMAX System", 2009 IEEE International 
Conference on Communications , Dresden, Germany, June 2009. 
ABSTRACT 
AN EFFICIENT MIMO DETECTOR ARCHITECTURE 
FOR THE HIGH RATE SPARTIAL MODULATION SYSTEM 
In this paper, a hardware architecture has been proposed to reduce the 
complexity of maximum logical receivers (ML: Maximum Likelihood) in the High 
Rate Spatial Modulation system (HRSM). By combining Sphere Decoding and 
Sorted QR Decomposition, we propose a hardware architecture of HRSM detector 
for 4x4 antenna system, 16QAM modulation. Implementation result shows that our 
design achieves higher throughput compare to other implementations, while still 
keep latency low and hardware usage acceptable. 
Keywords: MIMO; HRSM; FSD; VLSI. 
Nhận bài ngày 16 tháng 5 năm 2019 
Hoàn thiện ngày 06 tháng 6 năm 2019 
Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019 
Địa chỉ: 1 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; 
 2 Tổng Công ty Viễn thông MobiFone. 
 * Email: nghia.nx@mobifone.vn.