TỔNG QUAN VỀ KÊNH MIMO VÀ MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN CẤU TRÚC TRỰC GIAO

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay kỹ thuật truyền dẫn nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) là những giải pháp đầy triển vọng và hiện tại đã được ứng dụng trong mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên các kênh vô tuyến pha-đinh mà vẫn đảm bảo độ tin cậy cao và hiệu quả sử dụng phổ tần lớn. Để khai thác ưu điểm của hệ thống MIMO, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đề xuất các giải pháp để cải thiện chất lượng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống, kỹ thuật điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) bằng cách kết hợp SM với mã Alamouti (làm mã STBC hạt nhân) của Basar và các cộng sự là một trong những bước tiến quan trọng nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy truyền tin. Tiếp tục phát triển các nghiên cứu của nhiều công trình trước đây, tác giả tập trung nghiên cứu khai thác tính đơn giản trong tách sóng của mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao (OSTBC) và kết hợp với điều chế không gian nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng chất lượng của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo tính đơn giản trong tách sóng khôi phục tín hiệu ở máy thu. Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu Kỹ thuật mã hóa mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) kết hợp với điều chế không gian (SM) nhằm được các mục tiêu: tăng hiệu suất sử dụng phổ tần; đạt được phân tập phát; tách sóng ML đơn giản. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa mô hình hóa, giải tích với mô phỏng Monte-Carlo. Phương pháp mô hình hóa, giải tích được sử dụng để thiết lập phương 1 trình hệ thống, kết hợp và khôi phục tín hiệu ở máy thu cũng như tính toán các giới hạn trên của tỷ lệ lỗi bit (BER). Mô phỏng Monte-Carlo sẽ được sử dụng để ước lượng được các tham số đánh giá chất lượng hệ thống như BER và sai số bình phương trung bình (MSE). Đối tượng nghiên cứu Kênh vô tuyến; các hệ thống phân tập; các hệ thống mã hóa khối không gian thời gian; các hệ thống điều chế không gian; các hệ thống kết hợp giữa mã khối không gian thời gian (STBC) và điều chế không gian/khóa dịch không gian (SM/SSK). Phạm vi nghiên cứu Các mã khối không gian thời gian, mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao, các tiêu chuẩn thiết kế. Các phương pháp điều chế không gian, điều chế không gian kết hợp mã khối không gian thời gian. Bố cục luận án Luận án được trình bày 97 trang ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án chia thành 3 chương. Chương 1: Tổng quan về kênh MIMO và mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao. Chương 2: Điều chế không gian và điều chế không gian mã khối không gian thời gian. Chương 3: Mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH MIMO VÀ MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN CẤU TRÚC TRỰC GIAO 1.1. Hệ thống MIMO và kỹ thuật phân tập không gian. 1.1.1. Hệ thống MIMO. Để tăng dung lượng các hệ thống thông tin không dây ta bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Các hệ thống có nhiều ăng-ten cả ở 2 máy phát và máy thu (gọi là hệ thống MIMO) có thể giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên gấp nhiều lần so với các hệ thống đơn ăng-ten truyền thống. Véc-tơ tín hiệu thu y với kích thước × 1 R n của một hệ thống MIMO điểm điểm với T n ăng-ten phát và R n ăng-ten thu như Hình 1.1 được cho bởi biểu thức: = +y Hx n (1.5) Trong đó giả thiết kênh truyền MIMO là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm, x là tín hiệu phát trong mỗi chu kỳ ký hiệu có kích thước 1 T n ´ . H và n tương ứng là kênh truyền MIMO kích thước R T n n´ và véc-tơ tạp âm kích thước 1 R n ´ . Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO. 1.1.2. Kỹ thuật phân tập không gian. Phân tập không gian được chia thành 2 loại: phân tập thu và phân tập phát. Phân tập phát là kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều ăng-ten ở phía phát để truyền đi các tín hiệu được tổ chức theo một phương thức nào đó nhằm tạo ra các tín hiệu chịu pha-đinh không tương quan ở phía máy thu. Máy thu có thể kết hợp các tín hiệu thu được để làm giảm các tác động của pha-đinh và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống. 3 1.2. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian - Mã Alamouti. 1.2.1. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian. A. Tiêu chuẩn hạng và định thức. Mã có bậc phân tập đầy đủ T R n n khi ma trận , 1 2 ( ) D C X X có hạng đầy đủ. Khoảng độ lợi mã (CGD) giữa hai từ mã 1 X và 2 X là CGD , = 1 2 ( )X X det , 1 2 ( ( )) D C X X , nên độ lợi mã hóa liên quan tới định thức của ma trận , 1 2 ( ) D C X X . Vì vậy, một tiêu chuẩn thiết kế tốt đảm bảo bậc phân tập đầy đủ là với các giá trị từ mã có thể i X và j X , i j¹ , ma trận ,( ) i j D C X X có hạng đầy đủ - Tiêu chuẩn hạng. Để tăng độ lợi mã hóa cho một mã có bậc phân tập đầy đủ, một tiêu chuẩn thiết kế tốt khác là cực đại hóa định thức cực tiểu của các ma trận ,( ) i j D C X X với tất cả các giá trị i j¹ - Tiêu chuẩn định thức. B. Tiêu chuẩn vết. Xác suất lỗi cặp liên quan tới metric , 1 2 || ( ) || F D X X . Tiêu chuẩn vết nói rằng cần phải cực đại hóa khoảng cách cực tiểu ,|| ( ) || i j F D X X trong tất cả i j¹ . Tiêu chuẩn này gọi là tiêu chuẩn vết vì , 1 2 2 || ( ) || F =D X X , 1 2 tr[ ( )] D C X X . 1.2.2. Mã Alamouti. Mã Alamouti là mã khối không gian thời gian đầu tiên dùng cho các hệ thống có hai antenna phát. Đặc tính cơ bản của mã Alamouti là đạt được bậc phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã hợp lý cực đại đơn giản. 4 Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát cho mã Alamouti. Từ mã truyền là: * * 2 1 - 1 2 x x x x æ ö ÷ ç ÷ ç ÷ ç ÷ ç ÷ ÷ ç è ø =X (1.18) Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ thu cho mã Alamouti với MRC. 1.3. Các cấu trúc trực giao. Để thu được bậc phân tập đầy đủ T n do T n ăng-ten phát cung cấp, ma trận mã truyền X được thiết kế trên cơ sở trực giao sao cho: H 2 1 | | T N i n i k x I = = å X . X (1.28) trong đó N là số lượng phần tử của tập hợp ký hiệu phát phức mà bộ mã hóa STBC ánh xạ sang ma trận phát X , k là một hằng số. Loại mã này được gọi là mã STBC trực giao (OSTBC). Với mã STBC trực giao, các véc-tơ phát từ các ăng-ten trực giao với nhau. Tốc độ truyền dẫn tối đa của các mã STBC trực giao có bậc phân tập đầy đủ là 1, tức là, 1R £ , trong đó mã Alamouti là bộ mã cho tín hiệu phức duy nhất cho phép đạt được đồng thời cả bậc phân tập đầy đủ và tốc độ đầy đủ. 5 Hình 1.4: Sơ đồ bộ mã hóa cho mã khối không gian thời gian trực giao. Tuỳ theo chòm sao tín hiệu, có thể thiết kế được các bộ mã STBC trực giao khác nhau dành cho tập tín hiệu thực và tập tín hiệu phức. 1.3.1. Mã OSTBC cho tập tín hiệu thực. Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ thống T n ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu thực thoả mãn điều kiện trực giao như sau: T 2 1 | | T T T N n n i n i k x = = å X X I (1.30) 1.3.2. Mã OSTBC cho tập tín hiệu phức. Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ thống T n ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu phức thoả mãn điều kiện trực giao như sau: H 2 1 | | T T T N n n i n i k x = = å X X I (1.31) 1.4. Kết luận. Chương 1 trình bày về hệ thống MIMO, mô hình hệ thống và các giả thiết về kênh truyền, về tạp âm. Giới thiệu sơ lược phân tập ăng-ten, mã không gian thời gian và các tiêu chuẩn thiết kế. Mã khối không gian thời gian trực giao là các lớp mã hấp dẫn đối với việc thực hiện phân tập 6 nhờ vào tính phân tập đầy đủ và các thuật toán giải mã đơn giản của chúng. Đây là một phần nền tảng lý thuyết cho phép nghiên cứu sinh thực hiện các nghiên cứu ở các chương tiếp theo. Chương 2: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 2.1. Giới thiệu. Kỹ thuật ghép kênh theo không gian V-BLAST gây ra hiện tượng nhiễu đồng kênh (ICI) làm cho độ phức tạp của bộ giải mã hợp lệ cực đại (ML) tăng lên theo hàm mũ với số lượng ăng-ten phát. Trong chương này, luận án giới thiệu về kỹ thuật điều chế không gian (SM), đây là phương pháp hiệu quả để loại bỏ ICI. Trình bày phương pháp điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) do Basar và các cộng sự đề xuất nhằm phát huy những lợi thế của SM cũng như STBC. Luận án đề xuất mã STBC-SM tốc độ cao, gọi là mã HR-STBC- SM. Trong đó giới thiệu khái niệm mới về các ma trận từ mã chòm sao tín hiệu không gian (từ mã SC). Khi đó, các ma trận từ mã của hệ thống HR-STBC-SM sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trận từ mã Alamouti với các ma trận từ mã SC. Để minh họa, nghiên cứu sinh đề xuất hai hệ thống HR-STBC-SM cho 4 và 6 ăng-ten phát với số từ mã SC lần lượt là 8 và 16. 2.2. Kỹ thuật điều chế không gian. 2.2.1. Mô hình hệ thống. Hình 2.1 trình bày nguyên lý hoạt động của kỹ thuật điều chế không gian (SM). Trong mỗi chu kỳ tín hiệu, một ăng-ten được kích hoạt và phát đi một ký hiệu trong chòm sao QAM hoặc PSK. Với 4 T n = ăng-ten phát và sử dụng điều chế BPSK, hệ thống SM có thể truyền đi 3 bit trong mỗi chu kỳ tín hiệu. 7 Hỡnh 2.5: Mụ hỡnh h thng mó húa khụng gian v bng ỏnh x ti ch s ng-ten v cỏc t mó BPSK. 2.2.2. Cỏc thut toỏn khụi phc tớn hiu cho k thut iu ch khụng gian. Thut toỏn khụi phc tớn hiu gn ti u: Thut toỏn ny gi l thut toỏn i-MRC v c mụ t nh sau: H , 1 : j j T g j n= =h y với (2.4) T 1 2 T n g g g ộ ự ờ ỳ ở ỷ =g L (2.5) arg max | | j k = % g (2.6) ( ) k j k s q = ổ ử ữ ỗ ữ ỗ ữ ỗ ố ứ = g % % (2.7) Khụi phc x % da vo k % v k s % , trong ú (.)q biu th toỏn t quyt nh hay lng t húa. Thut toỏn khụi phc tớn hiu ti u: 8 B tỏch ti u da trờn nguyờn tc hp l cc i nh sau: ( ) { } , 2 H , , arg min | , arg min 2 Y jq j q jq jq j q j q p s r ộ ự ờ ỳ ở ỷ = = - y H g y g (2.8) vi ,1 ,1 jq j q T s j n q M= ÊÊÊÊg h . Ta cú th thy rng phng phỏp tỏch ti u khụi phc ng thi c ch s ng-ten v ký hiu phỏt. 2.3. K thut iu ch khụng gian mó khi khụng gian thi gian. 2.3.1. Thit k v ti u h thng STBC-SM. Thut toỏn thit k mó STBC-SM c túm tt nh sau: 1. Vi T n ng-ten phỏt, s t hp chp 2 ca T n ng-ten l 2 2 p n T c ổ ử ữ ỗ ữ ỗ ữ ỗ ữ ỗ ữ ữ ỗ ố ứ ờ ỳ ờ ỳ ờ ỳ ở ỷ = , trong ú p l mt s nguyờn dng. 2. S t mó trong mi sỏch mó , 1, 2, , 1 i i n c = -L , 2 T n a ờ ỳ ờ ỳ ở ỷ = v tng s sỏch mó c a n ộ ự = ờ ỳ ờ ỳ . S lng t mó trong sỏch mó cui cựng l ' ( 1)a c a n= - - . 3. Khi u xõy dng sỏch mó 1 c vi a t mó khụng can nhiu ln nhau. 4. Tng t, xõy dng , 2, , , i i n c = L da trờn cỏc iu kin: mi sỏch mó phi bao gm cỏc t mó khụng can nhiu ln nhau c chn t cỏc t hp chp 2 ca T n ng-ten phỏt v cha c s dng trong cỏc sỏch mó ó xõy dng trc ú. 5. Xỏc nh gúc quay i q cho mi i c , 2 i nÊ Ê , sao cho ( ) min d c t giỏ tr cc i ng vi mt chũm sao tớn hiu v mt cu hỡnh ng-ten cho trc: tc l, ( ) min arg max opt d c = . 2.3.2. B gii mó ti u cho h thng STBC-SM. Xột mt h thng MIMO gm T n ng-ten phỏt v R n ng-ten thu trong kờnh truyn pha-inh Rayleigh phng, bin i chm. 9 Ma trận tín hiệu thu Y , kích thước 2 R n ´ : c r m = +Y HX N (2.16) Giả thiết mã STBC-SM bao gồm c từ mã. Bộ giải mã hợp lệ cực đại (ML) lựa chọn ra ma trận tối thiểu hóa phương trình sau: 2 ˆ arg min c c c c r m Î = - X X Y H X (2.17) Nhờ tính trực giao, (2.16) trở thành: 1 2 x x c r m é ù ê ú ê ú ê ú ë û = +y H n (2.18) Máy thu ước lượng tối ưu của các ký hiệu 1 x và 2 x như sau: 1 2 2 2 1, ,1 1 2, ,2 2 ; ˆ ˆ arg min arg min l l l l x x x x x x g g r r m m Î Î = - = -y h y h (2.20) Các khoảng cách ML 1,l m và 2,l m tương ứng với 1 x và 2 x là 1 2 2 2 1, ,1 1 2, ,2 2 ;min min l l l l x x m x m x r r m m g g Î Î = - = -y h y h (2.21) Khoảng cách ML tổng ứng với một phiên bản của kênh truyền là 1, 2, , 0 1 l l l m m m l c= + -££ . Máy thu quyết định chọn khoảng cách ML tối thiểu theo biểu thức ˆ arg min l l l m= và từ đó quyết định các ký hiệu phát là ˆ ˆ 1 2 1, 2, ˆ ˆ ˆ ˆ ( , ) ( , ) l l x x x x= . Tổng số phép tính trong (2.17) giảm từ 2 cM xuống 2cM . 2.4. Đề xuất điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao. 10 [...]... KHễNG GIAN THI GIAN TRC GIAO KT HP IU CH KHễNG GIAN 3.1 Gii thiu Trong chng ny, lun ỏn xut hai loi mó khi khụng gian thi gian mi gi l mó khi khụng gian thi gian trc giao kt hp iu ch khụng gian (SM-OSTBC) i vi cỏc mó SM-OSTBC do nghiờn cu sinh xut, cỏc ma trn t mó phỏt i (hay cũn gi l cỏc t mó SM-OSTBC) c to ra bng cỏch nhõn cỏc ma trn t mó SC vi cỏc ma trn OSTBC 3.2 xut mó khi khụng gian thi gian. .. ch khụng gian vi k thut mó khi khụng gian thi gian trc giao A Cỏc kt qu ca lun ỏn 1 xut khỏi nim mi t mó chũm sao tớn hiu khụng gian lm nn tng xõy dng cỏc h thng truyn dn MIMO cú hiu qu s dng ph tn v phm cht li bit cao 2 xut mó iu ch khụng gian mó khi khụng gian thi gian tc cao, HR-STBC-SM, cho 4 v 6 ng-ten phỏt da trờn mó khi khụng gian thi gian trc giao Alamouti Mó HR-STBC-SM t bc phõn tp 2n R... vi cỏc cu hỡnh ng-ten khỏc nhau v so sỏnh vi nhiu h thng MIMO hin ti bao gm V-BLAST, mó Alamouti, QOSTBC, SM, STBC-SM, Srinath STBC, v G-STSK v.v 22 3.4 Kt lun Trong chng ny, nghiờn cu sinh ó xut v phỏt trin mó khi khụng gian thi gian trc giao kt hp iu ch khụng gian cho 4 ng-ten phỏt v mó khi khụng gian thi gian trc giao kt hp iu ch khụng gian vi nh thc khụng trit tiờu, xõy dng cỏc b gii mó ti u... hn mó STBC-SM 3 xut mó khi khụng gian thi gian trc giao kt hp iu ch khụng gian cho 4 ng-ten phỏt, SM-OSTBC C 4,3 , da trờn trờn mó OSTBC tc mó 3/4 ó c xõy dng cho 3 ng-ten phỏt Mó ny t c bc phõn tp l 3n R v cú hiu qu s dng ph tn cao hn 1 bpcu so vi mó OSTBC tc mó 3/4 ó c xut cho 3 ng-ten phỏt l 1 bpcu 4 xut mó khi khụng gian thi gian trc giao kt hp iu ch khụng gian cho s lng ng-ten phỏt l mt s... khụng gian thi gian hin cú khi cú cựng hiu qu s dng ph tn v cu hỡnh ng-ten Vỡ vy, cựng vi u im l cú b gii mó ML n gin, mó SMOSTBC C (nT , n R , nT ) cú th l mt mó tim nng cho ng dng trong cỏc h thng thụng tin vụ tuyn th h mi KT LUN Lun ỏn ó xut v xõy dng c cỏc h thng truyn dn MIMO vụ tuyn cú hiu qu s dng ph tn v phm cht li bit cao 23 bng cỏch kt hp gia k thut iu ch khụng gian vi k thut mó khi khụng gian. .. cú th s dng biu thc (2.35) lm cụng c ỏnh giỏ BER ca cỏc h thng HR-STBC-SM khi E b N 0 ln 2.5 Kt lun Lun ỏn a ra khỏi nim mi l cỏc t mó chũm sao tớn hiu khụng gian (t mó SC) v da vo khỏi nim ny xut mó iu ch khụng gian mó khi khụng gian thi gian tc cao (HR-STBC-SM) Kt qu cho thy, h thng HR-STBC-SM t c phõn tp phỏt bc 2 0 0 10 10 OSTBC, (n , n ) = (4, 2), 64-QAM T V-BLAST, (nT, nR) = (4, 4), BPSK R... 6 9 E /N (dB) b 12 15 18 21 0 Hỡnh 3.4: Cỏc ng BER ca mó SM-OSTBC C 4,3 xut so vi cỏc ng BER ca mó SM, V-BLAST, Ismail STBC v STBC-SM trong h thng (4, 4) 19 3.3 xut mó khi khụng gian thi gian trc giao kt hp iu ch khụng gian vi nh thc khụng trit tiờu (SM-OSTBC C (n T , n R , n T ) ) 3.3.1 Mụ hỡnh h thng Hỡnh 3.5 trỡnh by kin trỳc mỏy phỏt ca h thng SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) vi nT ng-ten phỏt do... cao hn na s lng t mó SC ca mó HRSTBC-SM bng cỏch s dng cỏc giỏ tr q ln hn hoc xut * cỏc vộc-t gc sq v sq mi 25 - Xõy dng cỏc mó mi da trờn cỏc mó khi khụng gian thi gian hin cú nh mó Golden Code, V-BLAST, v.v - Xõy dng cỏc b mó khi khụng gian thi gian sai phõn (differential STBC) - p dng mó SM-OSTBC vo thụng tin chuyn tip ... phm cht li bit tt hn nhiu h thng MIMO hin cú 24 5 Xõy dng cỏc b gii mó ML n lung cú phc tp thp nh tớnh cht trc giao ca mó Alamouti v mó OSTBC tc 3/4 Ba mó c xut trong lun ỏn cú nhng c im khỏc nhau, vỡ vy chỳng cú nhng phm vi ng dng khỏc nhau: - Mc dự mó HR-STBC-SM c thit k cho 4 v 6 ng-ten phỏt, nú ch yờu cu s dng 02 mỏy thu phỏt RF Vỡ vy, nú cú th c s dng h thng MIMO ớt mỏy phỏt hn s ng-ten, cu... th - Mó SM-OSTBC C 4,3 cú bc phõn tp phỏt cao v cú phm cht li bit tt hn mt s loi mó khụng gian thi gian hin cú nh VBLAST, SM, Alamouti, Ismail STBC Bờn cnh ú, mó SM-OSTBC C 4,3 cũn cho phộp tỏch súng ML n gin Vỡ vy, mó SM-OSTBC C 4,3 cú th l ng viờn thay th cỏc mó hin cú nh VBLAST hay Ismail STBC trong h thng MIMO vi 4 ng ten phỏt - Mó SM-OSTBCC ( nT , n R , nT ) cú th c ng dng trong cỏc trng hp yờu . TRÚC TRỰC GIAO 1.1. Hệ thống MIMO và kỹ thuật phân tập không gian. 1.1.1. Hệ thống MIMO. Để tăng dung lượng các hệ thống thông tin không dây ta bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Các