Kĩ thuật phân tập phát và mô hình alamouti dùng MATLAB ( có code bên dưới )

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và code và hướng dẫn chi tiết về Kĩ thuật phân tập phát và mô hình alamouti dùng MATLAB .................................................................................................................................

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 2

DANH MỤC BẢNG 2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT PHÂN TẬP 5

1.1 Giới thiệu về phân tập 5

1.2 Các kĩ thuật phân tập phát 6

1.2.1 Phân tập tần số ( Frequency Diversity) 6

1.2.2 Phân tập thời gian 7

1.2.3 Phân tập không gian 7

1.3 Các kĩ thuật phân tập thu 8

1.3.1 Kĩ thuật SC (Selection Combiner) 8

1.3.2 Kĩ thuật TC (Threshold Combiner) 8

1.3.3 Kĩ thuật MRC ( Maximum Ratio Combiner) 9

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ALAMOUTI 10

2.1 Mô hình Alamouti 2x1 10

2.1.1 Mã hóa 11

2.1.2 Bộ kết hợp 13

2.1.3 Maximum Likelihood Decision Rule 13

2.2 Alamouti STBC 2x2 14

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT 18

3.1 Mô tả mô phỏng 18

3.2 Kết quả mô phỏng 19

3.3 Đánh giá hiệu suất 20

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

PHỤ LỤC……… ……… 23

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phân loại phân tập theo kĩ thuật ………5

Hình 1.2 Phân loại phân tập theo cách thức triển khai ………6

Hình 1.3 Phân tập theo tần số ……… 6

Hình 1.4 Phân tập theo thời gian ……….7

Hình 1.5 Phân tập không gian ……….7

Hình 1.6 Mô hình phân tập anten thu kết hợp bộ chọn lọc ……….8

Hình 1.7 Mô hình phân tập anten thu TC ………8

Hình 1.8 Mô hình phân tập anten thu MRC……….9

Hình 2.1 Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát, 1 anten thu ……….10

Hình 2.2 Sơ đồ phát của Alamouti ………11

Hình 2.3 Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát, 2 anten thu ……….14

Hình 3.1 Sơ đồ các bước mô phỏng ……… 18

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng ……… 18

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Quy luật mã hóa không gian- thời gian ……….11

Bảng 2.2 Quy luật mã hóa không gian- thời gian ……… 14

Bảng 2.3 Đáp ứng kênh truyền giữa anten phát và thu ………15

Bảng 2.4 Tín hiệu thu được tại hai anten thu ………15

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây nhu cầu trao đổi bằng thông tin vô tuyến càngtăng Các hệ thống thông tin đòi hỏi phải có dung lượng cao, tin cậy hơn, khả năng giảm nhiễu tốt… vì vậy các kĩ thuật tiên tiến ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu trên

Một trong các giải pháp đưa ra là kĩ thuật phân tập anten vào việc thu phát tín hiệu Ở đây xin trình bày đề tài “ các kĩ thuật phân tập phát và mô hình Alamouti”

Nội dung tìm hiểu đề tài gồm 3 chương và lần lượt trình bày các vấn đề sau:

Chương 1: Tổng quan về kĩ thuật phân tập

Chương 2: Mô hình Alamouti

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá hiệu suất

Để hoàn thành đề tài này, trước hết phải cảm ơn đến thầy cô trong bộ môn Điện tử –viễn thông Đặc biệt là sự quan tâm và hướng dẫn của giảng viên Ngô Tú Quỳnh trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT PHÂN TẬP

1.1 Giới thiệu về phân tập

Phân tập ( diversity) là phương pháp dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều

kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn hoặc kết hợp nhiều tín hiệu

để có tín hiệu tốt nhất

Hay nói cách khác là kĩ thuật giúp phía thu (MS hoặc BTS) cải thiện chấtlượng tín hiệu bị suy giảm trong quá trình truyền

Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có độ lợi phân tập, thường đobằng dB Có các loại phân tập sau:

Theo kĩ thuật phân tập, được mô tả ở hình 1.1

Hình 1.1 Phân loại phân tập theo kĩ thuật

 Phân tập tần số

 Phân tập thời gian

 Phân tập không gian

Theo cách thức triển khai, được mô tả cụ thể ở hình 1.2

Hình 1.2 Phân loại phân tập theo cách thức triển khai

 Phân tập phát

 Phân tập thu

Việc phân tập ở trên nhằm 2 mục đích: tăng tốc độ phát và giảm BER

Phân tập phát làm giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ đó sẽ giảm điện năng tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề về thiết kế bộ khuếch đại công suất

1.2 Các kĩ thuật phân tập phát

1.2.1 Phân tập tần số ( Frequency Diversity)

Phân tập tần số là kĩ thuật dùng hai hoặc nhiều kênh tần số sóng vô tuyến đểtruyền tín hiệu Tức cùng một tín hiệu được phát trên hai kênh tần số khác nhau đến anten thu, khi đó tín hiệu nào tốt hơn thì lấy tín hiệu đó

Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự tiêu tốn phổ tần Ngoài

ra do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên cần sử dụng một máy thu phátcao tần riêng

F1 TX1

TX2

F2Hình 1.3 Phân tập theo tần số

Phân t p ập

Phân t p thu ập Phân t p phát ập

Rx Tx

1.2.2 Phân tập thời gian

Là kĩ thuật cơ bản, dùng những khe thời gian để truyền tín hiệu ban đầu

s2

Hình 1.4 Phân tập theo thời gianKhoảng thời gian để các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ của kênh truyền

T b= c

2 v f c

Trong đó: c = 3.108 m/s là tốc độ ánh sáng

v là tốc độ di chuyển của máy đi động (m/s)

fc là tần số sóng mang (Hz)

Nhược điểm: Phương pháp phân tập thời gian làm suy giảm hiệu suất băng

tần vì cần thời gian để xử lý tín hiệu

1.2.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten được sắp xếp với nhautheo các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten là độc lập Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số

Hình 1.5 Phân tập không gian

Tx

Rx Tx

Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảm hiệu

suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần số, dễ sử dụng và sử dụng được nhiều nhánh phân tập

1.3 Các kĩ thuật phân tập thu

1.3.1 Kĩ thuật SC (Selection Combiner)

Kĩ thuật phân tập thu SC hoạt động dựa trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tốt nhất trong tất cả các tín hiệu nhận được từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý

Trong đó bộ kết hợp tính cường độ tín hiệu tức thời trong số Nr anten thu sau đó chọn tín hiệu tốt nhất Sơ đồ này được dùng trong các hệ thống đơn giản,giảm bớt yêu cầu phần cứng vì sự đơn giản

Hình 1.6 Mô hình phân tập anten thu kết hợp bộ chọn lọc

Tại mỗi thời điểm chỉ có một nhánh được sử dụng và đó là nhánh có tín hiệu tốt nhất, và tại máy thu sẽ hồi tiếp về để cho máy phát Trên mỗi nhánh đềucó bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục

1.3.2 Kĩ thuật TC (Threshold Combiner)

Nguyên lý kĩ thuật TC gần giống với SC nhưng thay vì đặt các bộ trên mỗi nhánh thì ta chỉ đặt một bộ so sánh rồi quét tất cả các nhánh theo thứ tự, mức SNR của các nhánh sẽ so sánh với mức SNR ngưỡng γ, nếu SNR nhánh nào cao hơn mức ngưỡng sẽ chọn và đưa vào xử lý

h1hjHình 1.7 Mô hình phân tập anten thu TC

B giải ộ SC điều chế

B TC ộ SC Máy phát

Vì kĩ thuật này phụ thuộc vào các ngưỡng đặt ra trong bộ so sánh nên phương pháp có độ lợi phân tập thấp.

1.3.3 Kĩ thuật MRC ( Maximum Ratio Combiner)

Mỗi tín hiệu ở mỗi nhánh có một trọng số αi #0 tương ứng với SNR của nó, đồng thời tín hiệu trên mỗi nhánh phải cùng pha với nhau αi = aieji

với θi là pha trên nhánh thứ i

Hình 1.8 Mô hình phân tậpp anten thu MRC

Ưu điểm nổi trội của MRC là tổng SNR đạt được bằng cách cộng các SNR

của các nhánh với các trọng số tương ứng Vì vậy, SNR của tín hiệu thu sẽ tăngtuyến tính theo số nhánh phân tập i

x x



x x

x x

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ALAMOUTI

2.1 Mô hình Alamouti 2x1

Mô hình Alamouti

Mô hình Alamouti được Siavash M Alamouti đưa ra trong bài báo “ A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications ” của chính mình năm 1998 Mô hình đưa ra phương pháp để đạt được phân tập phát với việc sử dụng hai anten phát và một anten thu

Mô hình Almaouti sử dụng phương pháp mã hóa không gian thời gian (STBC)

Kĩ thuật Alamouti thực hiện theo 3 bước sau:

- Mã hóa và truyền dẫn

- Bộ kết hợp tại máy thu

- Quy tắc quyết định khả năng tối đa ( Maximum Likelihood Decision Rule)

Hình 2.1 Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát, 1 anten thu [1]

2.1.1 Mã hóa

Xét hệ thống sử dụng mã không gian- thời gian với hai anten phát

Phương pháp này xét việc truyền các bits QPSK Hệ thống sẽ lấy hai kí tự s1,s2 để truyền trên hai anten trong hai khe thời gian Khe thời gian thứ nhất, anten 1 phát s1 , anten 2 phát s2, khe thời gian thứ hai, anten 1 phát –s*2, anten 2 phát s1* Được minh họa ở hình 2.2

Trong đó: * là ký hiệu của liên hợp phức

Hình 2.2 Sơ đồ phát của Alamouti

Tín hiệu phát của Alamouti tại anten phát là tín hiệu đã được mã hóa thành các khối ma trậpn :

s

)

y=H.s +n (2.1)Phía thu y = ( , )y y1 2* T

Đáp ứng kênh truyền H =

y2 = y2( t+T ) = h2*.s1  h1*.s2 + n2

trong đó:

y1, y2 : tín hiệu nhận được trong khe thời gian thứ nhất và hai

h1, h2: lần lượt là kênh truyền từ anten 1 và 2 tới anten nhận

s1, s2 : các tín hiệu phát

n1, n2: là nhiếu Gausse trên khe thời gian 1 và 2

Để nơi nhận không bị tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu truyền lúc đầu thì talấy liên hợp phức của tín hiệu tại khe thời gian thứ 2 là y2.

2.1.2 Bộ kết hợp

Lấy (2.6) nhân với H-1 ta được

* 2

s s

n n

  (2.9)Khai triển ta được:

Phương pháp STBC của Alamouti 2x1 có sự quay pha của các tạp âm nhưng không làm suy giảm tỷ số SNR đầu ra.

2.2 Alamouti STBC 2x2

Sơ đồ của trường hợp Alamouti STBC sử dụng 2 anten phát và 2 anten thu được mô tả ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát, 2 anten thu [1]

Giả sử hai tín hiệu tại thời gian thứ t là : s1, s2 Trong thời gian thứ (t+T) là –s2*, s1*

Giống với Alamouti 2x1, tại khe thời gian thứ t anten thứ 1 phát đi s1, anten

2 phát s2 Tại khe thời gian tiếp theo, (t+T), anten 1 phát đi –s2*, trong đó anten

2 phát s1* Minh họa ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Quy luật mã hóa không gian- thời gian

Gọi h là đáp ứng kênh truyền của các anten phát và thu với nhau và được thể hiện ở bảng 2.3.

Bảng 2.3 Đáp ứng kênh truyền giữa anten phát và thu

Gọi y là tín hiệu thu được của anten 1 và 2 tại từng thời điểm khác nhau, được biểu diễn ở bảng 2.4

Bảng 2.4 Tín hiệu thu được tại hai anten thu

Tín hiệu thu được anten thu là : Y1 = (y1 ,y2*)T và Y2 = (y2 ,y3*)T

Tín hiệu phát S=

Ở thời điểm t :

1 2

Ở bộ kết hợp ta tổng hợp được s1 và s2 Sau đó đưa đến bộ tách sóng gần giống tối đa Và chọn tín hiệu Si nếu và chỉ nếu:

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT

3.1 Mô tả mô phỏng

Yêu cầu mô phỏng:

- Thống kê BER và SNR của từng phương pháp (SISO, Alamouti STBC 2x1,Alamouti STBC 2x2 )

- So sánh độ lợi phân tập giữa phương pháp

Các bước mô phỏng được thể hiện qua hình 3.1

Điều chế QPSKTạo data truyền

Nhân kí tự vớikênh và thêmnhiễu Gausse

Equalization

Giải điều chế

QPSKNhận tín hiệu

Tính BER

Hình 3.1 Sơ đồ các bước mô phỏng

Equalization: thu được dữ liệu truyền cùng với nhiễu và hiệu ứng kênh truyền.Giải thích sơ đồ mô phỏng:

- Tạo ngẫu nhiên thứ tự mã nhị phân của +1 và -1

- Nhóm chúng vào cặp của 2 kí tự và gửi chúng tới 1 khe thời gian

- Nhân kí tự với kênh truyền và thêm nhiễu trắng Gausse

- Cân bằng các kí hiệu nhận được ( Equalization )

- Giải mã và đếm bit lỗi

- Lặp lại cho nhiều giá trị

- Tính BER = tổng mã lỗi / tổng bits

3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 3.2 Kết quả mô phỏngTừ kết quả mô phỏng ở hình 3.2, ta có thể thấy phương pháp dùng phân tập anten Alamouti STBC cải thiện BER tốt hơn so với khi không phân tập

Khi cùng SNR = 5dB, hệ thống SISO có tỷ số bits lỗi lớn hơn khi dùng hệ thống Alamouti STBC 2x1 và 2x2 Điều này cũng tương tự khi SNR ở cùng những mức khác nhau

Xét tại SNR =15 dB, độ chênh lệch giữa tỷ số lỗi bit BER giữa khi không phân tập với Alamouti STBC 2x1 (10-1 ) là nhỏ hơn giữa SISO và Alamouti STBC 2x2 (0.5x10-3)

Với cùng các mức SNR, Alamouti STBC 2x2 có BER nhỏ nhất, và SISO có BER lớn nhất

3.3 Đánh giá hiệu suất

Ta có thể thấy, Alamouti STBC 2x2 có BER nhỏ nhất cho tất cả giá trị SNR dB Điều này cho thấy phân tập 2 anten phát 2 thu tốt hơn khi chỉ có 1 phát 1thu hay 2 phát 1 thu

Kết quả này cũng có thể dự đoán trước vì hệ thống Alamouti 2x2 có nhiều hơn anten nhận so với Alamouti 2x1 Hệ thống SISO có BER cao nhất cho tất cả các giá trị SNR dB vì nó không có phân tập

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Sau khi thực hiện đề tài này, tôi đã có hiểu biết về các kĩ thuật phân tập, lý thuyết của STBC, mô hình hệ thống mới Alamouti để nâng cao hiệu suất truyềntín hiệu Phát triển kĩ năng sử dụng Matlab Ứng dụng rõ ràng của hệ thống Alamouti STBC là cải thiện độ phân tập ở hệ thống không dây, sử dụng 2 anten phát ở trạm cơ sở để cải thiện chất lượng thu

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Siavash M Alamouti “ A Simple Transmit Diversity Technique for

Wireless Communications ”, IEEE journal on select areas in communication Vol 16, No.8, October 1998.

[2] diversity-1x1-systems-comparison-with-qpsk-modulation-matlab-code.268751/[3] http://www.dsplog.com/2008/10/16/alamouti-stbc/

http://www.electronicspoint.com/threads/alamouti-stbc-2x1-2x2-and-no-[4] http://slidegur.com/doc/31382/mimo -tai-lieu-hoc-tap

[5] systems.html?refresh=true

http://www.mathworks.com/help/comm/examples/introduction-to-mimo-PHỤ LỤC [2]

%Alamouti STBC 2x1

clear all ;close all ;

%This conditions are used determining X1 and X2 vectors.

durum1=[0 0 0 0];durum2=[0 0 0 1];durum3=[0 0 1 0];durum4=[0 0 1 1];durum5=[0 1 0 0];

durum6=[0 1 0 1];durum7=[0 1 1 0];durum8=[0 1 1 1];durum9=[1 0 0 0];durum10=[1 0 0 1];

durum11=[1 0 1 0];durum12=[1 0 1 1];durum13=[1 1 0 0];durum14=[1 1 0 1];durum15=[1 1 1 0];durum16=[1 1 1 1];

randomuret2=((randn(1,numberofbits/4))+1i*(randn(1,numberofbits/ 4)))./sqrt(2); %Generating random numbers for n2

randomuret3=((randn(1,numberofbits/4))+1i*(randn(1,numberofbits/ 4)))./sqrt(2); %Generating random numbers for h1

randomuret4=((randn(1,numberofbits/4))+1i*(randn(1,numberofbits/ 4)))./sqrt(2); %Generating random numbers for h2

while ((d-1))~=(numberofbits/2) %while loop controls generating

X vector.(d-1)=(numberofbits/2) means we determine X vector

for k=1:4:numberofbits %vong lap xac dinh d/c.