Bài viết đề xuất kỹ thuật điều chế khóa dịch tuần hoàn không gian thời gian tổng quát (Generalised Space-Time Cyclic Shift Keying- GSTCSK). Trong khi hệ thống điều chế khóa dịch tuần hoàn không gian thời gian (Space-Time Cyclic Shift Keying- STCSK) chỉ sử dụng một ăng-ten kích hoạt để ánh xạ cùng khối bit thì GSTCSK kích hoạt hơn một ăng-ten phát để ánh xạ một khối thông tin, do đó kỹ thuật này sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất sử dụng phổ tần.
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ ĐIỀU CHẾ KHĨA DỊCH TUẦN HỒN KHƠNG GIAN THỜI GIAN TỔNG QT CHO THƠNG TIN VÔ TUYẾN Nguyễn Thị Thu*, Trần Xuân Nam, Võ Kim Tóm tắt: Nâng cao tốc độ truyền liệu hiệu sử dụng phổ tần vấn đề thiết yếu hệ thống thông tin vô tuyến hệ sau Các hệ thống khóa dịch tuần hồn không gian thời gian phần giải vấn đề nêu trên, nhiên, hiệu suất sử dụng phổ tần chưa thực mong đợi Bài báo đề xuất kỹ thuật điều chế khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian tổng quát (Generalised Space-Time Cyclic Shift Keying- GSTCSK) Trong hệ thống điều chế khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian (Space-Time Cyclic Shift Keying- STCSK) sử dụng ăng-ten kích hoạt để ánh xạ khối bit GSTCSK kích hoạt ăng-ten phát để ánh xạ khối thơng tin, kỹ thuật làm tăng đáng kể hiệu suất sử dụng phổ tần [1] Kết mô cho thấy với số ăng-ten phát tương đương GSTCSK thu hiệu suất sử dụng phổ cao phẩm chất suy giảm khơng đáng kể Từ khóa: Điều chế khóa dịch khơng gian-thời gian tuần hồn, Hiệu suất sử dụng phổ, MIMO GIỚI THIỆU Giải pháp truyền dẫn đa đầu vào-đa đầu (Multiple-Input Multiple-Output–MIMO) làm tăng đáng kể hiệu suất phổ so với hệ thống đơn ăng-ten [2] Điển hình, hệ thống kiến trúc không gian thời gian phân lớp dọc Bell-Labs (V-BLAST: Vertical Bell-Labs Layered Space-Time) cho phép đạt hiệu suất sử dụng phổ tăng tuyến tính với số ăng-ten phát [3] Tuy nhiên, hạn chế hệ thống V-BLAST vấn đề nhiễu liên kênh (Inter-Channel Interference -ICI) thời điểm symbol tín hiệu truyền đồng thời tất ăng-ten tần số Điều dẫn đến hệ thống V-BLAST yêu cầu công suất máy phát lớn đồng ăng-ten (Inter-Antenna Synchronization- IAS) nghiêm ngặt Một phương thức truyền dẫn gần gọi điều chế không gian (Spatial Modulation-SM) giới khoa học quan tâm tập trung nghiên cứu [4]-[6] Đối với hệ thống SM, máy phát thời điểm có ăngten kích hoạt, ăng-ten phát sử dụng để truyền tin, máy thu thực kết hợp nhận dạng số ăng-ten phát để tách tín hiệu nhờ hệ thống cho phép tăng hiệu suất sử dụng phổ tiết kiệm lượng tiêu thụ không yêu cầu phải đồng ăng-ten, tránh ICI máy thu Tuy nhiên, vấn đề bảo mật hệ thống SM lại chưa giải Song song với yêu cầu cải thiện hiệu sử dụng phổ, hệ thống thông tin quân môi trường tác chiến điện tử tốn nâng cao khả bảo mật ln yêu cầu cần thiết có ý nghĩa Trong [1], nhóm tác giả đề xuất kỹ thuật điều chế khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian (STCSK) cho phép đồng thời giải hai vấn đề hệ thống thông tin nâng cao hiệu suất sử dụng phổ độ bảo mật tín hiệu trải đồng thời hai miền không gian thời gian Trong STCSK, hạn chế việc giới hạn ăng-ten phát thời điểm nên khối thông tin bit ánh xạ lên số ăng-ten log N t , N t số ăng-ten phát số nguyên lũy thừa số Trong đó, sử dụng điều chế không gian tổng quát (Generalized Spatial Modulation - GSM) [7] cho phép tăng hiệu suất sử dụng phổ sử dụng nhiều ăng-ten kích hoạt đồng thời Trong báo này, dựa kết Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 25 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử nghiên cứu trước GSM [7] STCSK [1] đề xuất hệ thống gọi điều chế khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian tổng qt (GSTCSK) Hệ thống đề xuất có ưu điểm sau đây: Truyền liệu đồng thời nhiều ăng-ten thời điểm nên cho phép nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần so với hệ thống hệ thống STCSK đề xuất trước Với hiệu suất sử dụng phổ tần so với hệ thống STCSK, hệ thống GSTCSK đề xuất cho phép giảm đáng kể số ăng-ten phát phẩm chất lỗi hệ thống giảm khơng đáng kể Bài báo có cấu trúc gồm phần: Sau phần mở đầu, trình bày mơ hình hệ thống GSTCSK mục Kết mô đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế GSTCSK trình bày mục Cuối tóm tắt, kết luận đề xuất hướng nghiên cứu rút mục Trong báo này, thống sử dụng số ký hiệu sau: chữ thường, in nghiêng biểu diễn biến số; Chữ thường chữ hoa, in nghiêng, đậm biểu diễn véc-tơ ma trận; . biểu diễn hàm làm tròn MƠ HÌNH HỆ THỐNG GSTCSK Mơ hình hệ thống GSTCSK mơ tả hình GSTCSK sử dụng nhiều ăng-ten phát tức N t để phát biểu tượng liệu điều chế khóa dịch mã tuần hồn (Cyclic Code Shiff Keying –CCSK) Do đó, GSTCSK thực việc kết hợp số ăng-ten chuỗi CCSK để truyền tin Giả sử, hệ thống có N t ăng-ten phát, N u số ăng-ten kích hoạt thời điểm, số tổ hợp ăng-ten kết hợp N a NN , kích thước t u ' a ' a chòm N phải bội số 2, đó, có N ml số N a tổ hợp ăng-ten sử dụng, ml log , . hàm làm tròn Nt Nu Nguyên lý hoạt động hệ thống GSTCSK thực dịch chuỗi bit liệu cần truyền thành chuỗi chip giả ngẫu nhiên lên tổ hợp ăng-ten phát khác Để đơn giản cho giải thích giả thiết hệ thống sử dụng ăng-ten phát, ăng-ten thu, số ăng-ten kích hoạt N u chuỗi bit cần truyền gồm bit b b1 , b2 , b3 , b4 , b5 , b6 Độ dài chuỗi bit N b lựa chọn dựa số ăng-ten phát N t độ dài chuỗi mã CCSK sử dụng, cụ thể N b log NN log m t u s n c n b n Hn AWGN c n b n s n Hình Mơ hình hệ thống GSTCSK 26 N T Thu, T X Nam, V Kim, “Điều chế khóa dịch tuần hồn… cho thơng tin vô tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong số bit cần truyền, tổ hợp bit b1 b2 b3 sử dụng để thực lựa chọn (dịch) tổ hợp ăng-ten phát, ba bít b4 b5 b6 sử dụng cho điều chế CCSK, theo nguyên lý ánh xạ thành chuỗi giả ngẫu nhiên có độ dài m 23 chip Tùy theo tổ hợp bit liệu mà chuỗi chip truyền phiên dịch vòng chuỗi chip sở Đây ý tưởng phương pháp điều chế khóa dịch mã tuần hoàn (CCSK) Việc sử dụng kết hợp số ăng-ten làm tăng hiệu suất sử dụng phổ rõ rệt so với hệ thống STCSK [1] Phép ánh xạ GSTCSK mô tả bảng Cụ thể, với trường hợp N t ăng-ten phát, số ăng-ten kích hoạt N u , nhóm bít gồm bit, đó, bit đầu ánh xạ lên chòm số kết hợp ăng-ten, ba bit lại thực biến đổi thành chip CCSK Bảng Ví dụ, nhóm bít liệu phát thời điểm thứ là: b1 0 0 0 0 , véc-tơ số ăng-ten phát tương ứng là: x1 = 1 0 0 ứng với tổ hợp hai ăng-ten số ăng-ten số kích hoạt, ăng-ten truyền chuỗi chip giả trực giao tương ứng với c1 +1-1-1-1+1+1-1+1 ; thời điểm b2 0 0 0 1 , véc-tơ phát tương ứng là: x2 = 1 0 0 ứng với tổ hợp hai ăng-ten số ăng-ten số kích hoạt, ăng-ten truyền chuỗi chip giả trực giao tương ứng với c2 = -1-1-1+1+1-1+1+1 Tương tự, b8 0 0 1 1 , véc-tơ số ăng-ten phát tương ứng là: x8 = 1 0 0 ứng với tổ hợp hai ăng-ten số ăng-ten số kích hoạt, ăng-ten truyền chuỗi chip giả trực giao tương ứng với c8 +1+1-1+1+1-1-1-1 Trường hợp điều chế CCSK 5bits/symbol/32-chip, trình ánh xạ thực tương tự, đó, nhóm bit đầu vào gồm 8bits, ba bit đầu sử dụng để ánh xạ chòm số ăng-ten, bit thực điều chế CCSK theo [8] Tín hiệu GSTCSK phát qua kênh truyền H , có kích thước N r N t , đó, N r số ăng-ten thu; Các phần tử ma trận kênh truyền H biến Gauss ngẫu nhiên có phân bố độc lập đồng với trị trung bình khơng phương sai đơn vị Tín hiệu thu máy thu thời điểm chip biểu diễn sau: (1) y Hxc n, đó, x véc-tơ số ăng-ten phát có kích thước N t , c chip tín hiệu điều chế thuộc chuỗi giả nhẫu nhiên c , n có kích thước N r véc-tơ nhiễu Gauss cộng trắng với trị trung bình phương sai đơn vị Tại máy thu dựa thông tin kênh truyền có được, máy thu sử dụng tách tín hiệu hợp lệ cực đại (Maximum Likelihood-ML) kết hợp theo phương pháp Younis cộng đề xuất [7] để tách lấy tổ hợp số ăng-ten phát tách chuỗi symbol thu từ tổ hợp ăng-ten tương ứng Chuỗi symbol thu sau giải điều chế nhóm lại thành nhóm m chíp Tổ hợp m chíp sau tính tương quan với phiên dịch vòng chuỗi chip [9] để định chuỗi bít liệu điều chế CCSK phát từ tổ hợp ăng-ten phát Cuối cùng, bít liệu ghép chung với log NN t u bít liệu điều chế khơng gian tổng quát mang vị trí tổ hợp ăng-ten phát thành chuỗi liệu ước lượng Nb log NN log m t u Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 27 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Bảng Bảng ánh xạ GSTCSK với Nt 5, Nu , điều chế CCSK 3bits/symbol/ 8-chip N t 5,N u 2, 000000 000001 000111 001000 001001 001111 010000 010111 011000 011111 100000 100001 101000 101001 110000 110001 111000 111001 111110 111111 28 N T Thu, T X Nam, V Kim, “Điều chế khóa dịch tuần hồn… cho thơng tin vô tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống GSTCSK đạt với trường hợp số chip sử dụng cho CCSK 3bits/symbol/8-chip: μ log NNtu log m (bpcu) (2) đó, đơn vị (bpcu) số bit lần sử dụng kênh (bit per channel use-bpcu) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để làm rõ hiệu giải pháp đề xuất cho hệ thống khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian tổng qt (GSTCSK), thực mô Monte-Carlo sử dụng phần mềm Matlab Mô thực với số ăng-ten phát N t 7,5, , số ăng ten kích hoạt N u , số ăng-ten thu N r 1, 2, ; sử dụng điều chế BPSK Số chip sử dụng cho CCSK 3bits/symbol/8-chip 5bits/symbol/ 32-chip Kênh truyền giả thiết kênh pha-đinh Rayleigh phẳng biến đổi chậm Máy thu giả thiết biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh Hình biểu diễn kết mơ đặc tính BER cho hệ thống GSTCSK đề xuất với số ăn-ten phát ăng-ten phát, ăng-ten kích hoạt ăng-ten thu, viết tắt (5,2,2), (7,2,2) Để đạt hiệu suất sử dụng phổ GSTCSK STCSK cần số ăng-ten phát gấp đôi Cụ thể so sánh với phẩm chất hệ thống STCSK [1] với số ăng-ten phát 8, hệ thống GSTCSK đề xuất cần số ăng-ten phát 5, trường hợp cấu hình GSTCSK (7,2,2), để đạt hiệu suất sử dụng phổ hệ thống STCSK cần số ăng-ten phát 16, hệ thống GSTSCK số ăng-ten phát Điều làm việc thiết kế hệ thống trở nên đơn giản giảm chi phí, phẩm chất hệ thống GSTCSK gần xấp xỉ phẩm chất hệ thống STCSK Từ hình vẽ thấy khoảng cách phẩm chất hai hệ thống lớn khoảng dB vùng Eb / N cao Hình So sánh phẩm chấtBER hệ thống GSTCSK 5bits/symbol 32-chip đề xuất với giải pháp STCSK[1] Hình biểu diễn kết mơ phẩm chất BER giải pháp GSTCSK đề xuất thay đổi số ăng-ten thu từ 1,2 lên ăng-ten thu Kết mô cho thấy, số ăngten thu tăng lên từ đến ăng-ten phẩm chất lỗi bít tăng lên đáng kể Ví dụ, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 29 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử BER=10-2 phẩm chất hệ thống cải thiện khoảng dB Khi tăng số ăng-ten thu lên ăng-ten phẩm chất tiếp tục tăng dB tỉ lệ lỗi bit Kết mơ hình cho thấy tăng độ dài chuỗi chip từ 3bits/symbol/8-chip lên 5bits/symbol/32-chip, phẩm chất BER vượt trội hẳn, phẩm chất hệ thống cải thiện Eb / N tăng Điều minh chứng cho ưu điểm hệ thống đề xuất sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian Hình Phẩm chấtBER hệ thống GSTCSK thay đổi số ăng-ten thu Một ưu điểm vượt trội hệ thống đề xuất GSTCSK hiệu suất sử dụng phổ tăng vượt trội cần thay đổi lượng nhỏ ăng-ten phát so với hệ thống STCSK Kết mơ hình cho thấy, cần tăng ăng-ten phát cho hiệu suất sử dụng phổ tăng 0.4 bpcu, phẩm chất hệ thống suy giảm gần dB Kết hợp với kết mơ hình 2, chúng tơi nhận thấy hiệu hệ thống STCSK đề xuất so với STCSK [1] để đạt hiệu suất sử dụng phổ hệ thống GSTCSK cần số ăngten phát giảm nửa so với STCSK Hình Phẩm chấtBER hệ thống GSTCSK thay đổi độ dài chuỗi chip 30 N T Thu, T X Nam, V Kim, “Điều chế khóa dịch tuần hồn… cho thơng tin vơ tuyến.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Phẩm chất hệ thống GSTCSK thay đổi số ăng-ten phát KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất giải pháp tăng hiệu suất sử dụng phổ cho hệ thống khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian mà gọi hệ thống khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian tổng qt (GSTCSK) Để đạt hiệu suất sử dụng phổ với hệ thống STCSK hệ thống GSTCSK có số ăng-ten phát giảm nửa Hệ thống thu phẩm chất xấp xỉ hệ thống STCSK [1] Hệ thống đề xuất có hiệu suất sử dụng phổ tần cao làm tốc độ truyền dẫn tăng theo, đồng thời, đảm bảo phát huy đặc tính ưu việt hệ thống đề xuất trước SM, STCSK Tuy nhiên, kích hoạt nhiều ăng-ten lúc, nên dễ xuất ICI, ăng-ten kích hoạt cần đồng để tránh nhiễu liên ký tự Giải pháp đề xuất khơng góp phần nâng cao độ tin cậy kênh truyền vô tuyến mà hiệu suất sử dụng phổ tăng lên đáng kể Giải pháp đề xuất đồng thời mở hướng nghiên cứu tương lai, chẳng hạn hệ thống GSTCSK kênh pha-đinh chọn lọc tần số, hệ thống vô tuyến sử dụng số ăng-ten thu, ăng-ten phát tăng cần nâng cao độ lợi phân tập không gian cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.02-2015.23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Thu, Trần Xuân Nam, “Nâng cao chất lượng bảo mật thông tin vô tuyến kỹ thuật khóa dịch khơng gian-thời gian,”Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, tr 27-33, số 41,tháng năm 2016 [2] E Telatar, “Capacity of multi-antenna Gaussian channels”, European Trans on Telecommun., vol 10, no 6, pp 585–595, Nov / Dec 1999 [3] G J Foschini, “Layered space-time Architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas”, Bell Labs Technical J., vol 1, no 2, pp 41–59, 1996 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 31 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [4] R Mesleh, H Haas, C W Ahn, and S Yun, “Spatial Modulation - A New Low Complexity Spectral Efficiency Enhancing Technique”, in Proc Conf Comm and Networking in China, Oct 2006 [5] R Mesleh, H Haas, S Sinanovic, C W Ahn, and S Yun,“Spatial modulation”, IEEE Trans Veh Technol., vol 57, no 4, pp 2228–2241, July 2008 [6] J Jeganathan, A Ghrayeb, and L Szczecinski,“Spatial modulation: optimal detection and performance analysis” , IEEE Commun Lett., vol 12, no 8, pp 545– 547, 2008 [7] Younis, Abdelhamid, et al "Generalised spatial modulation." Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), 2010 Conference Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on IEEE, 2010 [8] G M Dillard, et al., "Cyclic Code Shift Keying: A Low Probability of Intercept Communication Technique", IEEE Trans On Aerospace and Electronic Syst 39(3), pp 786-798, 2003 [9] C H Kao, C Robertson, and K Lin (2008), Performance analysis and simulation of cyclic code-shift keying, The 2008 IEEE Military Communications Conference San Diego, USA, IEEE ABSTRACT GENERALISED SPACE-TIME CYCLIC SHIFT KEYING MODULATION FOR WIRELESS COMMUNICATIONS Improving data transmission rate and spectrum efficiency is essential for the next-generation of wireless communication systems Space-Time Cyclic Shift Keying (STCSK) systems have solved these requirements effectively, but its spectrum efficiency is still limited In this article, the so-called Generalised Space-Time Cyclic Shift Keying (GSTCSK) which is an extension of STCSK to the case with multiple activated antennas is proposed Different from STCSK, GSTCSK activates more than one transmit antenna for mapping data bits into antenna space, so this technique can provide improved spectrum efficiency Simulation results show that given the same number of the transmit antennas, GSTCSK can provide higher spectral efficiency while sacrificing only a little performance Keywords: Space-Time Shift Keying Modulation, Spectral efficiency, MIMO Nhận ngày 18 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 15 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân * Email:thudtdl@gmail.com 32 N T Thu, T X Nam, V Kim, “Điều chế khóa dịch tuần hồn… cho thơng tin vô tuyến.” ... giải pháp tăng hiệu suất sử dụng phổ cho hệ thống khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian mà chúng tơi gọi hệ thống khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian tổng qt (GSTCSK) Để đạt hiệu suất sử...Kỹ thuật điều khiển & Điện tử nghiên cứu trước GSM [7] STCSK [1] đề xuất hệ thống gọi điều chế khóa dịch tuần hồn khơng gian thời gian tổng qt (GSTCSK) Hệ thống đề xuất... T X Nam, V Kim, Điều chế khóa dịch tuần hồn… cho thơng tin vơ tuyến. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống GSTCSK đạt với trường hợp số chip sử dụng cho CCSK 3bits/symbol/8-chip: