Mã hóa không thời gian mã hóa alamuti

Ket-noi.com chia se mien phi Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN MỞ ĐẦU Thời đại vô tuyến bắt đầu với phát minh máy điện báo radio Gudlielmo Marconi công nghệ không dây thiết lập với phát triển nhanh chóng đưa vào kỷ kỷ nguyên Sự tiến nhanh chóng kỹ thuật vô tuyến tạo nhiều dịch vụ Trong năm gần đây, bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung thông tin di động nói riêng thúc đẩy phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến Các nhu cầu dung lượng hệ thống thông tin vô tuyến tăng lên nhanh chóng phổ tần vô tuyến lại hạn chế Hệ thống MIMO đời giải pháp hiệu để cải thiện dung lượng hệ thống thông tin vô tuyến Hệ MIMO có ưu điểm hiệu suất sử dụng phổ độ phân tập cao Một cách tăng dung lượng MIMO thực mã hóa không thời gian- kỹ thuật mã hóa thiết kế với nhiều anten phát mà đơn giản mã Alamouti Nội dung khóa luận trình bày chương Trong đó: - Chương 1: giới thiệu tổng quan hệ thông tin vô tuyến nhiều anten, kỹ thuật phân tập anten, kỹ thuật tăng dung lượng chất lượng truyền thông thông tin vô tuyến - Chương 2: trình bày mã khối không thời gian - nguyên lý phân tập phát hai nhánh đơn giản với phương pháp mã hóa giải mã - Chương 3: mô Matlab tín hiệu không mã hóa có mã hóa Alamouti Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Chương - HỆ THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHIỀU ANTEN Nhu cầu dung lượng hệ thống thông tin không dây thông tin di động, internet hay dịch vụ đa phương tiện tăng lên nhanh chóng phạm vi toàn giới Tuy nhiên phổ tần vô tuyến lại hạn chế, muốn tăng dung lượng ta bắt buộc phải tăng hiệu sử dụng phổ tần Những tiến mã hoá mã Turbo, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp tiếp cận tới giới hạn dung lượng Shannon hệ thống với anten Tuy nhiên ta đạt hiệu phổ tần cao với hệ thống có nhiều anten phần phát phần thu (MIMO) Đây nhiều hình thức công nghệ anten thông minh Công nghệ MIMO thu hút ý truyền thông không dây, cung cấp đáng kể gia tăng lưu lượng liệu khoảng cách liên kết mà không cần bổ sung thêm băng thông công suất truyền tải Kỹ thuật phân tập - kỹ thuật sử dụng rộng rãi hệ thống truyền thông di động không dây, dùng để giảm ảnh hưởng fading đa đường vá cải thiện độ ổn định phát liệu mà không cần tăng công suất phát tốn băng thộng Trong chương giới thiệu tổng quan hệ thống MIMO kỹ thuật phân tập sử dụng hệ thống thông tin không dây thông tin di động 1.1 Các dạng MIMO [3] Những dạng khác công nghệ anten dựa vào nhiều đầu vào đầu Do dạng khác /nhiều anten kết nối định nghĩa sau : - SISO : đầu vào đầu - SIMO: đầu vào nhiều đầu - MISO: nhiều đầu vào đầu - MIMO: nhiều đầu vào nhiều đầu  Hệ thống SISO Hệ thống SISO hệ thống thông tin không dây truyền thống sử dụng anten phát anten thu Máy phát máy thu có cao tần điều chế/giải điều chế Hệ thống SISO thường dùng phát phát hình, kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân Wifi hay Bluetooth Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu nhiễu xác định công thức Shannon: Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN C=log2 (1+SNR) bit/s/Hz Hinh 1.1: Mô hình hệ thống SISO  Hệ thống SIMO Hệ thống sử dụng anten phát nhiều anten thu gọi hệ thống SIMO Trong hệ thống máy thu lựa chọn kết hợp tín hiệu từ anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu nhiễu Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten thu, xấp xỉ theo biểu thức sau: C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz Hình 1.2: Mô hình hệ thống SIMO  Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát anten thu gọi hệ thống MISO Hệ thống cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ cải thiện chất lượng tín hiệu để tăng hiệu suất phát Khi máy phát biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo: C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Hình 1.3: Mô hình hệ thống MISO  Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO hệ thống sử dụng đa anten nơi phát nơi thu Hệ thống cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian Hình 1.4: Mô hình hệ thống MIMO 1.2 Mô hình hệ thống MIMO Giả thiết đặt hệ thống MIMO có nT anten phát nR anten thu Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống MIMO Ma trận kênh H cho mô hình MIMO biểu diễn sau: Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN  h 11  h 21 H       h N r h 12 h 22  h2Nr  h N t1  h N t     h N t N r  (1.1) Giả sử :   T x  x1 , x2 ,, xN t tín hiệu phát (1.2) T r   r1 , r2 , , rN r  tín hiệu thu (1.3)   1 , ,, N (1.4)  T r tạp âm Gaus trắng cộng máy thu T ký hiệu phép toán chuyển vị Khi đó, quan hệ tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu r xác định biểu thức sau :  r1   h11 r  h     21         rN r   h1N r h12 h22  h2 Nr hNt   x1   1   hNt   x2                  hNt N r   xNt   Nr  (1.5) Có thể viết lại phương trình sau : (1.6) r= Hx+ 1.3 Kỹ thuật phân tập anten Phân tập kỹ thuật thu thông tin mạnh, cho phép giảm ảnh hưởng fading cải thiện độ tin cậy thông tin mà không cần tăng công suất phát độ rộng băng tần Phân tập khai thác chất ngẫu nhiên truyền sóng vô tuyến cách tìm đường tín hiệu có lợi cho truyền thông Trong thực tế, kỹ thuật phân tập ứng dụng thu Kỹ thuật phân tập giải thích đơn giản: đường truyền tín hiệu vô tuyến bị ảnh hưởng fading sâu làm yếu đi, đường truyền độc lập khác có tín hiệu mạnh Do có nhiều đường để lựa chọn nên tỉ số SNR thu cải thiện từ 20 đến 30 dB Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trong thực tế, kỹ thuật phân tập thu áp dụng trạm gốc thiết bị di động, thường áp dụng trạm gốc Do giá thành tổ hợp phân tập cao, sử dụng nhiều máy thu, đồng thời công suất máy phát thiết bị di động bị giới hạn pin nên thường sử dụng kỹ thuật phân tập trạm gốc Các trạm gốc tăng công suất phát độ cao anten để cải thiện công suất phủ sóng cho thiết bị di động 1.3.1 Các kỹ thuật phân tập [5] Có thể thực phân tập theo nhiều cách: thời gian, tần số, không gian, đa đường phân cực Để đạt hiệu phân tập, việc tổ hợp phải thực phía thu Các tổ hợp phải thiết kế cho sau hiệu chỉnh trễ pha cho đường truyền khác nhau, mức tín hiệu phải cộng theo vectơ tạp cộng ngẫu nhiên Như lấy trung bình tỷ số SNR đầu lớn đầu vào máy thu  Phân tập không gian Phân tập không gian, gọi phân tập anten loại phân tập phổ biến dùng hệ thống không dây Các hệ thống vô tuyến tổ ong truyền thống gồm anten trạm gốc nâng cao anten di động gần mặt đất Nếu có đường truyền trạm thu phát dễ gây đến mát thông tin suy giảm tín hiệu vật tán xạ gây tượng fading Do đó, nên thu nhiều tín hiệu từ đường truyền khác cho: tín hiệu thu từ anten giãn cách không gian vật di động có hình bao phủ chủ yếu không tương quan với anten cách nửa bước sóng lớn Khái niệm phân tập không gian thường sử dụng thiết kế trạm gốc Tại ô tổ ong, anten thu trạm gốc nhiều nhánh dùng để thu phân tập Tuy nhiên vật tán xạ quan trọng thường mặt đất gần vật di động nên anten trạm gốc phải đặt xa để không tương quan Việc đặt cách cỡ vài chục bước sóng cần thiết trạm gốc Vì thế, phân tập không gian dùng thiết bị di động trạm gốc hai Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Hình 1.6: Sơ đồ khối phân tập không gian  Phân tập thời gian Nếu tín hiệu phát khe thời gian khác nhau, tín hiệu thu tín hiệu không tương quan Do phân tập theo thời gian truyền lặp lại thông tin sau khoảng thời gian lớn thời gian kết hợp kênh cho lặp lại nhiều lần tín hiệu thu điều kiện fading độc lập Phân tập thời gian đạt cách kết hợp với mã hóa kênh, đan xen phát lại  Phân tập tần số Phân tập tần số truyền thông tin nhiều tần số sóng mang khác Cơ sở kỹ thuật tần số sóng mang chia từ dải thông liên kết kênh bị ảnh hưởng fading khác Theo lý thuyết, kênh không tương quan, xác suất fading tức thời tích xác suất fading riêng lẻ Phân tập tần số thường sử dụng đường truyền sóng ngắn có tầm nhìn thẳng mang số kênh ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Sự lan truyền tầng đối lưu khúc xạ làm xuất fading sâu Kỹ thuật có nhược điểm phải có độ rộng băng tần dư máy thu có số kênh số kênh dùng phân tập tần số 1.4 Các phương pháp tổ hợp phân tập [5] Đặc điểm kỹ thuật phân tập giảm xác suất fading sâu tức thời kênh phân tập khác Nói chung, hiệu suất hệ thống truyền thông với kỹ thuật phân tập phụ thuộc vào phiên tín hiệu kết hợp với thu để tăng tỉ số SNR thu Do nguyên lý phân tập phân chia theo kiểu tổ hợp thu Dựa vào độ phức Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN tạp thực thi mức thông tin trạng thái kênh yêu cầu phương pháp tổ hợp thu, có bốn loại kỹ thuật tổ hợp là: - Tổ hợp chọn lọc Tổ hợp chuyển mạch - Tổ hợp độ lợi Tổ hợp tỉ số cực đại 1.4.1 Tổ hợp chọn lọc Tổ hợp chọn lọc phương pháp tổ hợp phân tập đơn giản Giả sử có M kênh fading Rayleigh độc lập thu, kênh gọi nhánh phân tập M giải điều chế dùng để cấp cho nhánh phân tập, với độ khuếch đại điều chỉnh để tỉ số SNR trung bình nhánh Tại phía thu, nhánh có tỉ số SNR tức thời cao kết nối tới giải điều chế Bản thân tín hiệu anten lấy mẫu tín hiệu tốt số gửi tới giải điều chế đơn Trong thực tế nhánh có giá trị (S+N)/N lớn sử dụng, việc đo xác tỉ số SNR khó Một hệ thống phân tập dùng tổ hợp chọn lọc (gọi tắt phân tập chọn lọc) thực tế thực giá trị tức thời số thời gian mạch điện lựa chọn nhỏ nghịch đảo tốc độ fading tín hiệu Hình 1.7: Mô hình sơ đồ khối tổ hợp chọn lọc Phân tập chọn lọc thực dễ dàng cần điều khiển khóa chuyển mạch anten thu Tuy nhiên, kỹ thuật phân tập tối ưu không sử dụng tất nhánh lúc Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN 1.4.2 Tổ hợp chuyển mạch Trong hệ thống phân tập dùng tổ hợp chuyển mạch (gọi tắt phân tập chuyển mạch), thu quét tất nhánh phân tập chọn nhánh có tỉ số SNR cao ngưỡng đặt trước Tín hiệu chọn làm lối tỉ số SNR nhánh phân tập nhỏ ngưỡng Khi đó, thu bắt đầu quét lại chuyển tới nhánh khác Nguyên lý gọi phân tập quét Hình 1.8: Sơ đồ khối phân tập quét So với phân tập chọn lọc, phân tập chuyển mạch lựa chọn không liên tục tín hiệu tức thời tốt Tuy nhiên, thực đơn giản không yêu cầu liên tục tức thời nhánh phân tập Đối với hai phương pháp phân tập chọn lọc quét tín hiệu lối các nhánh phân tập Hơn nữa, chúng không yêu cầu phải biết thông tin trạng thái kênh Do hai phương pháp sử dụng tổ hợp với điều chế kết hợp không kết hợp 1.4.3 Tổ hợp tỉ số cực đại Trong tổ hợp tỉ số cực đại, tín hiệu điện ri từ nhánh phân tập quay đồng pha để đưa vào cộng gắn trọng số riêng để đưa vào tối ưu hóa tỉ số SNR Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp tỉ số cực đại Ta thấy tổ hợp tỉ số cực đại đưa lối tỉ số SNR tổng SNR riêng lẻ, ưu điểm đưa lối tỉ số SNR chấp nhận tín hiệu lối vào riêng lẻ có tỉ số SNR nhỏ Kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng fading tốt tổ hợp phân tập tuyến tính Kỹ thuật xử lý tín hiệu số thu số đại sử dụng kỹ thuật 1.4.4 Tổ hợp độ lợi Tổ hợp độ lợi phương pháp tốt phương pháp tổ hợp tuyến tính đơn giản Phương pháp không yêu cầu ước lượng biên độ fading nhánh riêng lẻ Thay vào đó, thu gắn trọng số cho tín hiệu điện ri Theo cách này, tất tín hiệu thu được quay đồng pha sau cộng với với hệ số Hiệu tổ hợp độ lợi thấp tổ hợp tỉ số cực đại độ phức tạp thực thi nhiều so với tổ hợp tỉ số cực đại Trần Thị Minh Phương 10 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Các quy tắc giải mã tốt cực đại tương đương với trường hợp anten thu 2.2 Mã khối không thời gian [4] Nguyên lý Alamouti đạt phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã tốt cực đại đơn giản Đặc điểm nguyên lý trực giao chuỗi phát hai anten phát Nguyên lý tổng quát hóa lên với số lượng anten phát nhờ áp dụng lý thuyết thiết kế trực giao Các nguyên lý tổng quát hóa đề cập tới mã khối không thời gian Mã khối không thời gian đạt phân tập phát đầy đủ xác định số anten phát nT, với thuật toán giải mã hợp lý đơn giản, dựa vào xử lý tuyến tính tín hiệu máy thu Bộ mã hóa khối không thời gian Hình 2.2: Bộ mã hóa mã khối không thời gian Một mã khối không thời gian định nghĩa ma trận phát X, kích thước: nT x p Trong nT số anten phát, p số chu kỳ phát khối ký hiệu mã Giả sử chuỗi tín hiệu bao gồm 2m điểm Mỗi lần mã hóa, khối km bit thông tin xếp vào chuỗi tín hiệu để lựa chọn k tín hiệu điều chế x1, x2, … , xk, nhóm m bit lựa chọn tín hiệu chuỗi k tín hiệu điều chế mã hóa mã hóa khối không thời gian để phát n T chuỗi tín hiệu song song có độ dài p theo ma trận phát X Các chuỗi phát qua nT anten phát p chu kỳ thời gian Trong mã khối không thời gian, số ký hiệu đưa vào lối vào mã hóa lần mã hóa k Số chu kỳ phát yêu cầu để phát ký hiệu mã không thời gian qua anten phát p Nói cách khác, có p ký hiệu không thời gian phát từ anten khối có k ký hiệu lối vào Tỷ lệ mã khối không thời gian định nghĩa tỉ số số ký hiệu đưa vào lối vào mã hóa số ký hiệu mã không thời gian phát từ anten: Trần Thị Minh Phương 16 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN R=k/p (2.20) Hiệu suất phổ mã khối không thời gian là:  rb rs mR km   bit/s/Hz B rs p (2.21) Người ta tỷ lệ mã khối không thời gian với phân tập phát đầy đủ nhỏ 1, R ≤ Mã với toàn tốc R = yêu cầu không mở rộng băng tần, mã với tốc độ R < yêu cầu mở rộng băng tần / R Đối với mã khối không thời gian với n T anten phát, ma trận phát ký hiệu X nT Mã gọi mã khối không thời gian kích thước n T 2.3 Mã khối không thời gian với chuỗi tín hiệu thực [4] Dựa vào kiểu chuỗi tín hiệu, mã khối không thơi gian chia thành mã khối không thời gian với tín hiệu thực mã khối không thời gian với tín hiệu phức Để đơn giản, ta coi ma trận phát XnT mã khối không thời gian ma trận vuông Đối với chuỗi tín hiệu thực bất kỳ, ví dụ M-ASK, mã khối không thời gian có ma trận phát XnT ma trận vuông kích thước nT x nT tồn số anten phát nT 2, Các ma trận phát là: Với n T = anten phát: x X2    x2  x2  x1  (2.22) Với n T = anten phát:  x1 x X4    x3   x4  x2  x3 x1 x4  x4 x3 x1  x2  x4   x3   x2   x1  ( 2.23) Với n T = anten phát: Trần Thị Minh Phương 17 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp  x1 x   x3  x X8    x5   x6 x   x8 Trường KHTN- ĐHQGHN  x2 x1  x3  x4  x4 x3  x5  x6  x6 x5  x7 x8 x1  x3  x2 x2  x7 x1  x8  x8 x5 x7 x6  x6 x6  x5 x8 x7 x8  x5 x8  x7 x6 x1 x2 x3  x2 x1  x4  x3 x4 x1 x7  x5  x5 x4 x3  x2  x8   x7   x4   x5   x4    x3  x2   x1  (2.24) Các ma trận phát vuông có hàng trực giao, từ ma trận ta thấy khối k ký hiệu tin điều chế, nT anten phát p chu kỳ thời gian yêu cầu phát khối mã khối tin có độ dài k Ví dụ, mã khối không thời gian xác định X4 với anten phát Bộ mã hóa lấy ký hiệu thực điều chế x1, x2, x3, x4 đưa vào lối vào phát chuỗi mã Tại thời điểm t = 1, tín hiệu x1, x2, x3, x4 phát từ anten đến anten Tại thời điểm t = 2, tín hiệu –x2, x1, –x4, x3 phát từ anten đến anten 4, tương tự với t = t = Trong ví dụ này, để truyền bốn ký hiệu tin cần bốn anten phát bốn chu kỳ thời gian Do đó, yêu cầu mở rộng băng tần mã này, nói cách khác, mã đạt toàn tốc Việc xây dựng nguyên lý phát toàn tốc R = với số anten phát mong muốn đạt Đối với nT anten phát, giá trị cực tiểu p chu kỳ phát để đạt toàn tốc là: Min(24c+d) (2.25) Trong đó: c, d | ≤ c, ≤ d ≤ 4, 8c + 2d ≥ nT (2.26) Đối với n T ≤ 8, giá trị cực tiểu p là: n T = 2, p = (2.27) n T = 3, p = n T = 5, p = n T = 6, p = n T = 7, p = n T = 8, p = Trần Thị Minh Phương 18 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Các giá trị đưa quy tắc xây dựng mã khối không thời gian toàn tốc Theo giá trị này, ma trận phát không vuông X3, X5, X6, X7 xây dựng dựa thiết kế trực giao thực mã khối không thời gian toàn tốc phân tập đầy đủ với kích thước 3, 5,  x1 X   x  x3  x2 x1  x3 x4  x4 x1  x4   x3  x   x1 x  X   x3   x4  x5  x2  x3  x4  x5  x6  x7 x1 x4  x3  x4 x1 x2 x3  x2 x1  x6  x7  x8 x5  x8 x7 x8 x5  x6 x6 x7 x8 x1  x2  x3  x1 x   x3 X6    x4  x5   x6  x2 x1  x3  x4  x4 x3  x5  x6  x6 x5  x7 x8 x4  x3 x1 x2  x2 x1  x7  x8  x8 x7 x5  x6 x6 x7 x8 x1  x2  x3  x5 x8  x7 x2 x1  x2 x1 x4  x3  x4 x1  x4 x3  x2  x5  x6  x7  x3 x6 x2 x7 x1 x8  x5  x8 x8  x5  x7 x6  x1 x   x3  X   x4  x5   x6 x  ( 2.28 )  x8   x7  x6   x5   x  ( 2.29 ) ( 2.30 ) x4  x8   x7  x6   x5   x4    x3   x6 x5  x8  x7 x8 x5  x8  x7 x6  x8 x2 x7  x2  x6  x3 x2 x3 x2  x4 x4 x2      x5   x4    x3  x2  ( 2.31 ) Để hiểu rõ hơn, ta lấy ví dụ với X6, ma trận mã khối không thời gian với anten phát Lối vào mã hóa khối không thời gian khối ký hiệu: x1, x2, … x8, từ chuỗi tín hiệu thực Sau mã hóa, ký hiệu mã hóa phát qua anten chu kỳ phát Rõ ràng số ký hiệu đưa vào lối vào mã hóa số chu kỳ thời gian yêu cầu để phát ký hiệu Do đó, nguyên lý không yêu cầu mở rộng băng tần 2.4 Mã khối không thời gian với chuỗi tín hiệu phức [4] Nguyên lý Alamouti coi mã khối không thời gian với tín hiệu phức hai anten phát Ma trận phát là: Trần Thị Minh Phương 19 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN x X 2C    x2  x2*   x1*  ( 2.34 ) Nguyên lý cung cấp phân tập đầy đủ toàn tốc Nguyên lý Alamouti nguyên lý mà có mã khối không thời gian với ma trận phát phức kích thước nT x n T đạt toàn tốc Nếu số anten phát lớn 2, mục tiêu thiết kế mã để xây dựng ma trận phát phức tốc độ cao với độ phức tạp giải mã thấp mà đạt phân tập đầy đủ Hơn nữa, tương tự thiết kế trực giao thực, giá trị p phải cực tiểu hóa để cực tiểu trễ giải mã Đối với chuỗi tín hiệu phức bất kỳ, có mã khối không thời gian đạt tỷ lệ 1/2 với số anten phát cho trước Ví dụ, ma trận phát X 3C X 4C thiết kế trực giao mã khối không thời gian với anten phát Những mã có tỷ lệ 1/2 Các ma trận X 3C X 4C : X 3C X 4C  x1    x2  x3   x1  x   x3   x4  x2 x1  x3 x4  x4  x3 x1* x 2*  x2* x1* * * x  x3* x4* *  x4 x1 x2 x x  x2  x3 x4 x1*  x 2*  x3* x1  x4 x4 x1  x3 x2 x 2* x3* x1*  x 4* x 4* x1* x3  x2 x1 x 4* x3*  x 2*  x4*    x3*  x 2*  ( 2.39 )  x4*    x3*  x 2*   x1*  ( 2.40 ) Ta thấy, tích vô hướng hai hàng ma trận 0, điều chứng tỏ tính trực giao cấu trúc Với ma trận X 3C , bốn ký hiệu phức lấy thời điểm truyền qua ba anten phát tám chu kỳ ký hiệu; tốc độ phát 1/2 Với ma trận X 4C , bốn ký hiệu từ chuỗi phức lấy lúc phát qua bốn anten phát tám chu kỳ ký hiệu, kết cho tốc độ phát 1/2 Thêm xử lý tuyến tính để đạt tốc độ cao với mã khối không thời gian với chuỗi số phức nhiều hai anten Hai ma trận X 3h X 4h thiết kế trực giao phức tổng quát hóa với mã khối không thời gian đạt tỷ lệ 3/4 Trần Thị Minh Phương 20 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp     h X3      Trường KHTN- ĐHQGHN x1  x 2* x2 x1* x3 x3 2   x1    x2 X 4h    x3  x   x3* x3* x3* *  x1  x1  x2  x 2*  x3  x3   x3*  x2 x1     x3*   * *  x  x  x1  x1   ( 2.41 )  x3* x3* * x x  x 2*   1 *  x  x2  x1  x1*     x3*   * *  x  x2  x1  x1   * *   x1  x1  x  x    x       ( 2.42 )  Một mã khối không thời gian đạt tỷ lệ 3/4 với ba anten với chuỗi tín hiệu phức cho sau: X h'  x1    x   x3  x2* x1* x3* 0 * Trần Thị Minh Phương x    x3*  x2*  ( 2.43 ) 21 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN CHƯƠNG – MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MÃ KHÔNG THỜI GIAN ALAMOUTI VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Lưu đồ thuật toán Ta xét hệ gồm hai anten phát anten thu, kênh truyền đường kênh fading Rayleigh phẳng hình 3.1 Ta dùng phần mềm Matlab để mô hiệu hệ Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ gồm hai anten phát, anten thu Sơ đồ có gồm có ba khối chức là: - Bộ mã hóa chuỗi phát ký hiệu thông tin phần phát - Nguyên lý kết hợp thu Quy tắc định giải mã hợp lý 3.1.1 Bộ mã hóa chuỗi phát ký hiệu thông tin phần phát Tại chu kỳ ký hiệu cho trước, hai tín hiệu phát từ hai anten Tín hiệu phát từ anten thứ x1 từ anten thứ hai x2 Trong chu kỳ ký hiệu tín hiệu (  x2* ) phát từ anten thứ tín hiệu x1* phát Trần Thị Minh Phương 22 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN từ anten thứ hai, * toán tử liên hợp phức Trong matlab ta tạo mã hóa chuỗi phát ký hiệu sau : % phát chuỗi liệu txData = randint(numOfBlk*2,1,qamOrder) % chia liệu thành vecto cột tem = reshape(txData,numOfBlk,2); % điều chế QAM liệu phát tem = qammod(temp,qamorder); Trước hết ta phát chuỗi liệu ngẫu nhiên hàm randint, chuỗi liệu phát vector cột gồm (2*numOfBlk) phần tử với numOfBlk số khối liệu phát, numOfBlk = 106 Sau đó, ta xếp lại chuỗi tín hiệu phát thành ma trận gồm hai cột numOfBlk hàng, hai cột tương ứng với hai anten phát Ma trận điều chế trước truyền đi, ta sử dụng kiểu điều chế tín hiệu QAM với bậc điều chế qamOrder Giả sử hệ số fading kênh từ anten phát thứ đến anten thu h1(t) từ anten phát thứ hai đến anten thu h 2(t) giả sử fading số hai chu kỳ phát liên tục, ta viết: h1 (t )  h1 (t  T )  h1  h1 e j1 (3.1) h2 (t )  h2 (t  T )  h2  h2 e j2 (3.2) Trong matlab ta tạo ma trận hệ số kênh fading ma trận phức có phần thực phần ảo biến đổi độc lập nhau: H = 1/sqrt(2)*(randn(numOfBlk,2)+ sqrt(-1)*randn(num0fBlk,2)); Có hệ số 1/sqrt(2)là ta giả sử công suất phát hai anten phát ½ tổng công suất phát máy phát Tín hiệu ta thu phía thu là: r1  r (t )  h1x h2 x2  n1 (3.3) r2  r (t  T )  h1 x2*  h2 x1*  n2 (3.4) Phần thể đoạn mã sau: rx(:,1) =H(:,1).*1/sqrt(2).*temp(:,1)+H(:,2).*1/sqrt(2).*temp(:,2); Trần Thị Minh Phương 23 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN rx(:,2) = -H(:,1).*(1/sqrt(2).*temp(:,2)').' + H(:,2).*(1/sqrt(2).*temp(:,1)').'; % cộng nhiễu vào tín hiệu thu rx = awgn(rx,SNRdB(i),'measured'); 3.1.2 Nguyên lý kết hợp tín hiệu Bộ kết hợp tín hiệu tạo hai tín hiệu kết hợp ~x1 ~x để gửi tới giải mã hợp lý nhất: ~ x1  h1* r1  h2 r2* ~ x  h2* r1  h1 r2* (3.5) Phương trình (3.5) tương đương với   h ~ x1  h1  h2 ~ x2 2  h2 x  h n  h n x  h n  h n * 1 * * * 2 * (3.6) 3.1.3 Bộ giải mã hợp lý Các tín hiệu kết hợp phương trình (3.6) gửi tới giải mã hợp lý nhất, tín hiệu x1 x2 sử dụng quy tắc định thể phương trình (2.12) (2.14) Trần Thị Minh Phương 24 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN 3.2 Kết mô Khảo sát tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu - SER (symbol error rate) hệ trường hợp hai anten phát anten thu 10 SER cua che 4-QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 10 Symbol Error Rate 10 10 10 10 10 -1 -2 -3 -4 -5 -6 10 15 20 25 30 SNR in dB Hình 3.2: SER điều chế 4-QAM có mã hóa không mã hóa Trên hình 3.2 so sánh có dùng mã hóa không mã hóa không thời gian Hai trình truyền liệu thực với điều kiện giống nhau: phương pháp điều chế 4-QAM, công suất phát kênh truyền Kết thu hình 3.2 cho ta thấy: để đạt giá trị SER hệ thống không dùng mã hóa không thời gian phải sử dụng công suất phát lớn so với hệ thống sử dụng mã hóa không thời gian Ví dụ, để đạt SER 10-2 tỉ số SNR hệ thống không mã hóa 25 dB hệ thống có mã hóa tỉ số SNR 13 dB Điều đồng nghĩa với ta sử dụng công suất phát SER hệ thống có mã hóa thấp SER hệ thống không mã hóa, chứng tỏ ổn định trình truyền liệu hệ thống có mã hóa cao hệ thống không mã hóa Ta thu kết tương tự với kiểu điều chế tín hiệu 16-QAM 64-QAM Trần Thị Minh Phương 25 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN SER cua che 16-QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti 10 co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 -1 Symbol Error Rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 20 25 30 SNR in dB Hình 3.3: SER điều chế 16-QAM có mã hóa không mã hóa SER cua che 64-QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti 10 co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 -1 Symbol Error Rate 10 -2 10 -3 10 10 15 20 25 30 SNR in dB Hình 3.4: SER điều chế 64-QAM có mã hóa không mã hóa Trần Thị Minh Phương 26 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN SER cua che QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti 10 4-QAM 16-QAM 64-QAM -1 10 -2 Symbol Error Rate 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 10 15 20 25 30 SNR in dB Hình 3.5: SER điều chế 4-QAM, 16-QAM 64-QAM có mã hóa Trong hình 3.5 kết mô sử dụng kiểu điều chế QAM khác hệ thống có mã hóa không thời gian Kết cho thấy để đạt giá trị SER tỉ số SNR kiểu điều chế 4-QAM thấp nhất, kiểu điều chế 16-QAM cuối 64-QAM Ví dụ, để đạt SER 0,1 tỉ số SNR dùng 4-QAM dB, dùng 16-QAM 15 dB dùng 64QAM 21 dB Vậy ta thấy rõ, sử dụng kiểu điều chế có bậc thấp phải có lợi mặt công suất phát Tuy nhiên, ta thấy lý hiệu bao gồm m bit với m = log2M, M bậc điều chế Khi bậc điều chế cao, tức M lớn m lớn ký hiệu gồm nhiều bit Chu kỳ ký hiệu m lần chu kỳ bit nên bề rộng phổ hẹp m lần so với ban đầu, hiệu sử dụng phổ (số bit truyền giây độ rộng băng 1Hz) lớn m lần so với ban đầu Tóm lại, ta thấy kiểu điều chế QAM bậc điều chế cao bị thiệt công suất phát hiệu suất sử dụng phổ tăng, ngược lại, kiểu điều chế QAM bậc điều chế thấp có lợi công suất phát hiệu sử dụng phổ thấp Trần Thị Minh Phương 27 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp 10 Trường KHTN- ĐHQGHN SER dieu che QPSK dua tren ma khong thoi gian Alamouti co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 Symbol Error Rate 10 10 10 10 10 10 -1 -2 -3 -4 -5 -6 10 15 20 25 30 SNR in dB Hình 3.6: SER điều chế QPSK có mã hóa không mã hóa SER cua dieu che BPSK dua tren ma khong thoi gian alamouti) 10 Khong ma hoa 1x1 Co ma hoa 2x1 -1 10 -2 Bit Error Rate 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 10 15 20 25 Eb/No, dB Hình 3.7: SER điều chế BPSK có mã hóa không mã hóa Các kết thu sử dụng kiểu điều chế PSK ta thấy tương tự điều chế QAM Trần Thị Minh Phương 28 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN KẾT LUẬN Một cách tăng dung lượng kênh không dây đa đầu vào, đa đầu (MIMO) thực mã hóa không thời gian- kỹ thuật mã hóa thiết kế với nhiều anten phát mà tiêu biểu mã Alamouti Đây nguyên lý phân tập nhánh đơn giản Kết cho thấy, kỹ thuật mã hóa hiệu việc cải thiện đáng kể chất lượng dung lượng, tạo ổn định trình truyền liệu, đồng thời khai thác hiệu thành phần không gian-thời gian mà không làm hao tồn tài nguyên tần số Khóa luận thực công việc sau: MIMO Tổng quan hệ thông tin vô tuyến nhiều anten, mô hình hệ thống - Đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật phân tập anten, kỹ thuật quan trọng hệ MIMO để nâng cao ổn định trình truyền liệu - Tìm hiểu nguyên lý Alamouti, mã khối không thời gian Mã hóa không thời gian kỹ thuật nhằm nâng cao dung lượng truyền liệu, giải nhu cầu ngày cao người dùng tốc độ đường truyền  Khảo sát tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu (SER) kiểu điều chế 4-QAM, 16QAM, 64-QAM, BPSK, QPSK không mã hóa có mã hóa dựa mã không thời gian Alamouti Kết cho thấy SER hệ thống có mã hóa thấp SER hệ thống không mã hóa, chứng tỏ ổn định trình truyền liệu hệ thống có mã hóa cao hệ thống không mã hóa  So sánh tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu (SER) với kiểu điều chế QAM Ta thấy mã không thời gian Alamouti kiểu điều chế QAM bậc điều chế cao bị thiệt công suất phát hiệu suất sử dụng phổ tăng, ngược lại, kiểu điều chế QAM bậc điều chế thấp có lợi công suất phát hiệu sử dụng phổ thấp Mã không thời gian Alamouti kỹ thuật MIMO kỹ thuật kỳ vọng hệ thống truyền thông vô tuyến đại Nó có ứng dụng vào sống thực tế rộng rãi Kết hợp MIMO vào công nghệ khác MIMOOFDM, hay ứng dụng vào công nghệ WIMAX- công nghệ băng rộng không dây phát triển mạnh Khóa luận đề cập tới khía cạnh nhỏ nhiều thiếu sót gợi lên khả phát triển mới- công nghệ MIMO Trần Thị Minh Phương 29 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Anh Phi (2004), “Truyền tin số”, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Trần Trung Dũng Nguyễn Thúy Anh (2004), “Lý thuyết truyền tìn”, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội B Gershman, N D Sidiropoulos (2005), Space-Time Processing for MIMO Communications, John Wiley & Sons Ltd, England Branka Vucetic, Jinhong Yuan (2003), Space-Time Coding, John Wiley & Sons Ltd, England Theodore S Rappaport (1996), Wireless Communications Principles & Practice, Prentice-Hall, Inc, America http://vntelecom.org/diendan/forum.php http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/ Trần Thị Minh Phương 30 Bộ môn Vật lý Vô tuyến [...]... giao Các nguyên lý tổng quát hóa được đề cập tới như là mã khối không thời gian Mã khối không thời gian có thể đạt được phân tập phát đầy đủ được xác định bởi số anten phát nT, với thuật toán giải mã hợp lý nhất rất đơn giản, chỉ dựa vào xử lý tuyến tính các tín hiệu của máy thu Bộ mã hóa khối không thời gian Hình 2.2: Bộ mã hóa mã khối không thời gian Một mã khối không thời gian được định nghĩa bởi một... độ phức tạp mã hóa và giải mã Mặt khác, trạm cơ sở không bị giới hạn bởi công suất và kích thước Trong thực tế, một hệ thống có độ phức tạp rất thấp với nhiều anten phát là mong ước trong truyền thông Mã không thời gian có nhiều loại như mã khối không thời gian, mã lưới không thời gian … Mã khối không thời gian là một nguyên lý đáp ứng được các yêu cầu trong truyền thông Mã khối không thời gian có thể... kỳ thời gian Trong mã khối không thời gian, số ký hiệu đưa vào lối vào của bộ mã hóa trong mỗi lần mã hóa là k Số chu kỳ phát yêu cầu để phát các ký hiệu mã không thời gian qua các anten phát là p Nói cách khác, có p ký hiệu không thời gian được phát đi từ mỗi anten đối với mỗi khối có k ký hiệu lối vào Tỷ lệ của mã khối không thời gian được định nghĩa là tỉ số giữa số ký hiệu đưa vào lối vào bộ mã hóa. .. khi mã với tốc độ R < 1 yêu cầu mở rộng băng tần 1 / R Đối với mã khối không thời gian với n T anten phát, ma trận phát được ký hiệu là X nT Mã này được gọi là mã khối không thời gian kích thước n T 2.3 Mã khối không thời gian với các chuỗi tín hiệu thực [4] Dựa vào kiểu của các chuỗi tín hiệu, mã khối không thơi gian có thể được chia thành mã khối không thời gian với các tín hiệu thực và mã khối không. .. toán mã hóa, giải mã và hiệu quả của kỹ thuật phân tập phát của Alamouti Trần Thị Minh Phương 11 Bộ môn Vật lý Vô tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN 2.1.1 Mã hóa không thời gian Alamouti: Tx 1 Nguồn Bộ điều thông tin chế Bộ mã hóa Tx 2 [x1 x2] Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ mã hóa không thời gian Alamouti Giả sử ta sử dụng một sơ đồ điều chế mảng M phần tử Trong bộ mã hóa không thời gian Alamouti,...Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Chương 2: MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN Mã không thời gian là một kỹ thuật mã hóa được sử dụng với nhiều anten phát Việc mã hóa được thực hiện trong cả miền không gian và thời gian để đưa ra sự tương quan giữa các tín hiệu phát từ các anten khác nhau tại các chu kỳ khác nhau Sự tương quan không thời gian được sử dụng để khai thác fading kênh MIMO và cực tiểu hóa. .. trận mã khối không thời gian với 6 anten phát Lối vào bộ mã hóa khối không thời gian là một khối 8 ký hiệu: x1, x2, … x8, từ một chuỗi tín hiệu thực Sau khi mã hóa, các ký hiệu đã mã hóa được phát qua 6 anten trong 8 chu kỳ phát Rõ ràng số ký hiệu được đưa vào lối vào bộ mã hóa bằng số chu kỳ thời gian yêu cầu để phát những ký hiệu này Do đó, nguyên lý này không yêu cầu mở rộng băng tần 2.4 Mã khối không. .. dụng mã hóa không thời gian Ví dụ, để đạt được SER bằng 10-2 thì tỉ số SNR trong hệ thống không mã hóa bằng 25 dB trong khi hệ thống có mã hóa tỉ số SNR là 13 dB Điều này cũng đồng nghĩa với nếu ta sử dụng cùng công suất phát thì SER trong hệ thống có mã hóa sẽ thấp hơn SER trong hệ thống không mã hóa, chứng tỏ sự ổn định trong quá trình truyền dữ liệu của hệ thống có mã hóa cao hơn hệ thống không mã hóa. .. lý Alamouti, mã khối không thời gian Mã hóa không thời gian là một kỹ thuật nhằm nâng cao dung lượng truyền dữ liệu, giải quyết nhu cầu ngày càng cao của người dùng về tốc độ đường truyền  Khảo sát tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu (SER) các kiểu điều chế 4-QAM, 16QAM, 64-QAM, BPSK, QPSK khi không mã hóa và có mã hóa dựa trên mã không thời gian Alamouti Kết quả cho thấy SER trong hệ thống có mã hóa sẽ thấp hơn... và cực tiểu hóa các lỗi phát tại máy thu Mã không thời gian có thể đạt được phân tập phát và hệ số công suất qua các hệ thống không mã hóa không gian mà không cần tốn băng tần Mục đích của mã không thời gian là đạt được sự phân tập cực đại, hệ số mã cực đại và dung lượng cao nhất có thể được Sự phức tạp của bộ giải mã cũng rất quan trọng Trong hệ truyền thông không dây, máy thu phát di động bị giới ... tuyến Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Chương 2: MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN Mã không thời gian kỹ thuật mã hóa sử dụng với nhiều anten phát Việc mã hóa thực miền không gian thời gian để... thống không dùng mã hóa không thời gian phải sử dụng công suất phát lớn so với hệ thống sử dụng mã hóa không thời gian Ví dụ, để đạt SER 1 0-2 tỉ số SNR hệ thống không mã hóa 25 dB hệ thống có mã hóa. .. không thời gian có nhiều loại mã khối không thời gian, mã lưới không thời gian … Mã khối không thời gian nguyên lý đáp ứng yêu cầu truyền thông Mã khối không thời gian xem sơ đồ điều chế cho nhiều