Mã khối không thời gian trực giao và điều chế lưới luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ  - - NGUYỄN THỊ HƯƠNG MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAO VÀ ĐIỀU CHẾ LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHÊ ĐIÊN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 06/ 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ  - - NGUYỄN THỊ HƯƠNG MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAO VÀ ĐIỀU CHẾ LƯỚI Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.TRỊNH ANH VŨ Hà Nội – 06 / 2012 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời Cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng MỞ ĐẦU CHƯƠNG : KÊNH FADING VÀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP 1.1.Lỗi kênh Gauss kênh fading 1.1.1 Kênh Gauss 1.1.2 Kênh fading 1.1.2.1 Khái niệm kênh fading 1.1.2.2.FadingRayleigh 1.1.2.3 Fading Rician 1.1.3 Lỗi kênh Gauss Fading 1.2 Kỹ thuật phân tập 11 1.2.1 Phân tập thời gian 11 1.2.2 Phân tập không gian 13 1.2.3 Phân tập không thời gian 15 CHƯƠNG : MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAO 17 2.1 Mã Alamouti 17 2.1.1 Trường hợp sử dụng anten phát anten thu 18 2.1.2 Xét trường hợp sử dụng anten phát anten thu 20 2.1.3 Kết hợp tỉ số tối đa MRC 22 2.2 Mã khối không thời gian trực giao 24 2.2.1 Mã khối không thời gian STBC 24 2.2.2 Mã khối không thời gian trực giao OSTBC 25 2.2.3 STBC cho tương quan tín hiệu thực 26 2.2.4 STBC cho tương quan tín hiệu phức 28 2.2.5 Giải mã STBC 2.3 Xác suất lỗi cặp mã không thời gian 29 30 CHƯƠNG : ĐIỀU CHẾ LƯỚI 34 3.1 Điều chế lưới TCM 34 3.1.1 Phân chia không gian tín hiệu 36 3.1.2 Độ lợi mã tiệm cận 37 3.2 Giải mã TCM 40 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC 43 GIAO VÀ ĐIỀU CHẾ LƯỚI 4.1 Kịch mô 43 4.2 Kết mô 45 4.3 Đánh giá so sánh 46 Kết luận 47 Tài liệu tham khảo 48 CÁC CHỮ VIẾT TẮT AWGN BER BPSK MRC OSTBC TCM SNR Additive White Gaussian No Bit Error Rate Binary Phase Shift keying Maximal Ratio Combining Orthogonal Space-Time Bloc Trellis Code Modulation Signal to Noise Ratio DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.4 Hình 2.5 10 12 14 17 18 20 Kết hợp tỉ số tối đa Tx 2R 23 Cấu trúc mã hóa khơng thời gian …………………………… 24 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Cấu trúc điều chế lưới TCM Khơng gian tín hiệu 4-PSK 8-PSK-TCM Phân chia chòm 8- PSK thành tập Phân chia chòm 16-PSK thành tậ Giản đồ khơng gian tín hiệu Hình 3.6 39 Giản đồ lưới trạng thái 8PSK-TCM Đường biểu diễn lỗi bit BER 8PSK-TCM, AWGN 41 Xây dựng sơ đồ khối kết nối mã khối không thời giao trực giao điều chế lưới 44 Sơ đồ thiết kế mơ q trình kết hợp mã TCM OSTBC 45 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 3.7 Hình 4.1 Hình 4.2 Mơ tả nhiễu Gauss trắng cộng tính Minh họa hàm mật độ phân bố xác suất Rayleigh……………… Phân bố xác suất Ricean với giá trị K khác nhau…………… Sơ đồ khơng gian tín hiệu cho hệ thống BPSK đồng bộ………… So sánh xác suất lỗi qua fading Rayleigh kênh AWGN Ghép xen từ mã ……………………………………………… Xác suất lỗi khác bậc phân tập khác nhau………… Khối mã hóa Alamouti Alamouti sử dụng anten phát, anten thu …………………… Almouti sử dụng anten phát anten thu 34 35 36 37 38 DANH MỤC CÁC BẢNG Bàng 2.1 Bàng 2.2 Bàng 2.3 Bàng 2.4 Bàng 2.5 Bàng 2.6 Bàng 3.1 Bảng mã hóa anten, anten thu Định nghĩa k thu……………… Ký hiệu tín h Bảng mã hóa anten, anten thu Định nghĩa k Ký hiệu tín h Độ lợi mã tiệm c MỞ ĐẦU Chất lượng hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu Không giống kênh truyền hữu tuyến ổn định dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến hồn tồn ngẫu nhiên khơng dễ dàng việc phân tích Tín hiệu phát đi, qua kênh truyền vơ tuyến, bị cản tịa nhà, núi non, cối bị phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Gọi tượng fading Các tượng làm cho máy thu thu nhiều phiên khác tín hiệu phát Làm ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến Ngày người ta sử dụng kỹ thuật phân tập để nâng cao độ tin cậy kênh truyền vô tuyến, kỹ thuật chống lại fading nhiễu, tăng tốc độ truyền tin Bằng cách thực truyền tín hiệu giống nhiều kênh truyền khác để đầu thu chọn số tín hiệu thu tín hiệu tốt kết hợp tín hiệu thành tín hiệu tốt Nhờ thu độ lợi phân tập cao Phân tập có nhiều loại khác , phạm vi luận án tập trung vào kỹ thuật phân tập khơng thời gian sâu vào nghiên cứu mã khối không thời gian trực giao điều chế lưới Mã khối không thời gian trực giao đem lại độ lợi phân tập, mã lưới đem lại độ lợi mã Khi kết hợp mã thu tín hiệu tốt nhất, lỗi Nội dung gồm chương : Chương : Kênh Fading kỹ thuật phân tập Chương : Mã khối không thời gian trực giao Chương : Điều chế lưới Chương : Mô mã khối không thời gian trực giao điều chế lưới CHƯƠNG : KÊNH FADING VÀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP 1.1 Lỗi kênh Gauss kênh fading Trong thông tin vô tuyến bên cạnh nhiễu tạp âm Gauss cịn có can nhiễu fading làm trầm trọng thêm việc hư hỏng bit thông tin đường truyền Sau ta nhắc lại nét đặc trưng loại can nhiễu 1.1.1 Kênh Gauss (AWGN) Nhiễu trắng Gauss tác động chuyển động nhiệt lên chuyển động phần tử tải điện thiết bị điện tử Đây trình ngẫu nhiên, mẫu biến ngẫu nhiên trung bình zero Gauss toàn mật độ phổ lượng phẳng toàn phạm vi tần số −∞ ≤ f ≤ ∞ , với mức N0/2 Kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN) mơ tả hình 1.1: Hình 1.1 Mơ tả nhiễu Gauss trắng cộng tính [1] Phương trình đầu : y = x + n Trong n giá trị ngẫu nhiên trung bình zezo Gauss với trị σ biến thiên giá trị tín hiệu lối vào x có giá trị rời rạc M, với M ≥ M ≥ Hàm mật độ xác suất có điều kiện lối y cho lối vào xi là: p(y/x=x)= i Kênh AWGN mơ hình phổ biến cho nhiều kênh truyền thông liên lạc vệ tinh, vũ trụ, ảnh hưởng làm giới hạn hoạt động truyền thông nhiễu nhiệt cộng vào hay nhiễu xạ vũ trụ 1.1.2 Kênh Fading 1.1.2.1 Khái niệm Fading Fading tượng phổ biến truyền thơng khơng dây làm cho tín hiệu điểm thu thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian cường độ, pha tần số tác động mơi trường truyền dẫn Điển hình yếu tố : Sự thăng giáng tầng điện ly hệ thống sóng ngắn, hấp thụ gây phân tử khí, nước… Sự khúc xạ gây khơng đồng mật độ khơng khí Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, từ bất đồng khí Sự phản xạ, tán xạ nhiễu xạ từ vật cản đường truyền lan sóng điện từ xe cộ, đồi, núi, nhà cao tầng…Khi sóng va chạm vào vật cản tạo vơ số tín hiệu, có độ trễ pha, độ suy hao khác nhau… tín hiệu bên thu tổng tất sao, tùy theo pha biên độ mà tín hiệu thu tăng cường đồng pha, tín hiệu bên thu bị triệt tiều ngược pha Tùy theo mức độ ảnh hưởng tới đáp ứng tần số kênh truyền mà ta có loại fading chọn lọc tần số, fading phẳng, fading nhanh, fading chậm Fading chọn lọc tần số xảy băng thông kênh truyền nhỏ băng tần tín hiệu, thường xảy hệ thống có dung lượng lớn, tốc độ vừa lớn Mức độ ảnh hưởng không đồng Fading phẳng fading mà suy hao không phụ thuộc vào tần số, xảy băng thông kênh truyền lớn băng tần tín hiệu, thường xảy hệ thống vơ tuyến có dung lượng nhỏ vừa, tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp Ảnh hưởng tác dụng lên tồn dải tần tín hiệu truyền kênh Fading nhanh chuyển động tương đối máy thu máy phát dẫn đến tần số thu bị dịch tần giá trị so với tần số phát tương ứng Mức độ dịch tần thay đổi theo vận tốc tương đối máy phát thu Fading nhanh gây tượng tiếng ồn, biên độ tín hiệu nhận thường có phân bố Rayleigh hay Rice Hình 3.4 Phân chia chòm 16- PSK thành tập Khoảng cách Euclide tính π (e ) d = sin   16 Khoảng cách Eculide tính 3.1.2 Độ lợi mã hóa Độ lợi mã hóa hệ thống điều chế mã lưới TCM tính theo công thức : 37 E′ d  G=  E d  ( [e] ) () [e] free Trong d freee khoảng cách tự do, dmin e khoảng cách Euclide cực tiều, E’ lượng tín hiệu điều chế TCM, GD độ lợi khoảng cách tự do, GP độ lợi lượng tín hiệu điều chế Để tính độ lợi ta xét giản đồ khơng gian tín hiệu Cụ thể xét khơng gian tín hiệu hình 3.5 Hình 3.5 Giản đồ khơng gian tín hiệu Giản đồ lưới trạng thái 8PSK-TCM hình 3.6 : 38  Hình 3.6 Giản đồ lưới trạng thái 8PSK-TCM [11] Độ lợi mã tính sau Độ lợi mã tiệm cận tăng theo số trạng thái mã chập Giá trị đạt tới 6dB yêu cầu mã với số trạng thái lớn (8 PSK ) = E′sin (π / 8) () d d (4PSK ) = ( 0) d = E ′  + sin ( 0)  free D = 2.586E′ 2E′ = 1.293 ≈ 1.1dB Bảng 3.1 Độ lợi mã tiệm cận mã Ungerboeck 8-PSK [1] Số trạng thái Độ lợi mã dB 39 3.2 Giải mã TCM Giải mã TCM xây dựng dựa theo thuật Viterbi lưới sở mã hóa Xét chuỗi tín hiệu vào x= (x0, x1, , xm) để hình thành tín hiệu phát kênh truyền có nhiễu AWGN băng thơng hạn chế W đầu thu tín hiệu nhận ký hiệu y(t) có công thức sau : y(t) = s1(t) + n(t) M −1 Trong S1(t) tín hiệu phát, có cơng thức S i (t ) = ∑ xk S (t − kT ) k =0 n(t) nhiễu trắng có mật độ phổ công suất N 0/2, nhiệm vụ giải điều chế dựa vào biên độ thu y(t) để khôi phục lại chuỗi liệu x gần giống với chuỗi liệu phát dựa theo giá trị cực tiểu khoảng tín hiệu phép so sánh công thức sau  y t ; x  = M −1 ( )t ∑ k =0 y(t) tín hiệu thu sau khơi phục, xi tín hiệu phát Gọi e = (e1, e2, em) vector lỗi cơng thức vector thu viết sau : d (0 ) (0 ) d d ) (0 free  = 2.586E′ 2E′ (8PSK ) = (4PSK ) = = E ′  + sin  = 1.293 ≈ 1.1dB xˆi = xi ⊕ ei = [ x1 ⊕ e1 , x2 ⊕ e2 , , xm ⊕em ] Xác suất lỗi tổng xác suất lỗi bit đoạn M tín hiệu nên biểu diễn theo giới hạn hợp () ≤ Pe M = l xi ≠xˆi Sử dụng giới hạn Bhattcharya, tính xác suất lỗi bit sau 40 P≤ exp e 2m Trong trường hợp tỷ số SNR lớn tính gần P e ( ) Trong d freee công suất nhiễu Đường biểu diễn lỗi bit BER 8PSK-TCM, AWGN hình 3.7 Hình 3.7 Đường biểu diễn lỗi bit BER 8PSK-TCM, AWGN 41 KẾT LUẬN Mã lưới cho kênh băng giới hạn kết tổ hợp điều chế mã hóa Độ lợi mã hóa hệ thống điều chế mã lưới TCM tính theo cơng thức : E′ G= Độ lợi mã tiệm cận tăng theo số trạng thái mã chập Xác suất lỗi bit giải mã TCM Pe d  42 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAO VÀ ĐIỀU CHẾ LƯỚI 4.1 Kịch mô Thực kết nối mã khối không thời giao trực giao điều chế lưới để truyền thông tin hệ đa anten vào ra, cụ thể trường hợp có anten phát anten thu Mã khối không thời gian trực giao OSTBC kỹ thuật sử dụng truyền thông không dây MIMO Chúng sử dụng phân tập không gian thời gian giải mã nhờ kết hợp tỷ lệ tối đa ML Tuy nhiên chúng khơng có độ lợi mã Bộ kết hợp OSTBC thu cung cấp thông tin ký tự phát, mà dùng cho việc giải mã giải điều chế Mã TCM sơ đồ tích hợp mã điều chế để cung cấp độ lợi mã lớn OSTBC cung cấp độ lợi phân tập, TCM cung cấp độ lợi mã thông số có TCM OSTBC ta kết hợp TCM với OSTBC để tận dụng tham số Chỉ hình 4.1 Hình 4.1.Xây dựng sơ đồ khối kết nối mã khối không thời giao trực giao điều chế lưới [11] Thông tin liệu từ nguồn liệu mã hóa mã hóa lưới TCM, sau chúng ghép xen đưa vào khối mã khối không thời gian Tại 43 khe thời gian khác nhau, symbol đầu điều chế phát tương ứng anen phát khác Tại thu, giải mã không thời gian tách xen nhờ thuật toán Viterbi Cuối đưa vào giải mã TCM tín hiệu đầu tương ứng Sơ đồ thiết kế mơ q trình kết hợp mã TCM OSTBC hình 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ thiết kế mơ q trình kết hợp mã TCM OSTBC Khối phát tín hiệu ngẫu nhiên : Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli tạo nguồn liệu khoảng 100 bit ngẫu nhiên Khối điều chế lưới TCM : Thực điều chế tin từ khối phát tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli chịm PSK có giá trị trung bình Trong q trình mơ sử dụng sơ đồ lưới 8-PSK với trạng thái Cấu trúc lưới sử dụng ma trận đầu vào [2 3], [1 0; 2] Khối có đầu khung liệu dài 50 tức bit đầu vào tạo ký tự Khối giải mã TCM M-PSK dùng thuật toán Viterbi Các tham số đặt 30, so sánh với chiều dài hạn chế TCM, chiều dài đủ để đảm bảo thực mát khơng có Đầu tiên ta xét TCM kênh Rayleigh Fading phẳng Cân kênh : khắc phục ảnh hưởng kênh fading thu đầu kênh đii vào giải mã M-PSK TCM để giải mã 44 FER OSTBC 2x1 kênh fading phẳng : Khối giải mã OSTBC cho thông tin ký tự từ giải mã TCM cách dùng mã Alamouti với anten phát Tín hiệu đầu khối ma trận 50x2 Khối kết hợp OSTBC lấy tín hiệu từ anten thu với thông tin trạng thái kênh đầu ước lượng ký tự phát, sau đưa tới giải mã M-PSK TCM Kênh AWGN thu 10 10 -1 10 -2 10 -3 -4 10 Thay đổi thơng số ta có kết mơ sau : 45 FER 10 -1 10 -2 10 -3 -4 10 10 4.3 Đánh giá so sánh Khi sử dụng điều chế TCM tỷ lệ lỗi lớn so với việc sử dụng, kết hợp mã với độ lợi độ phân tập nên đường cong giảm tỷ lệ bit Qua kết mô ta thu đường cong liên hệ tỷ lệ lỗi khung FER – tỷ số tín tạp âm TCM, OSTBC, TCM+OSTBC ta thấy : Độ lợi thu 2-3dB -1 Khi FER=10 SNR TCM=15dB, SNR OSTBC=14dB, kết hợp mã SNR 12dB 46 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu tìm hiều, luận văn đề cập đến nội dung sau : Phân tích so sánh lỗi kênh Gauss kênh fading Đối với AWGN xác suất phát lỗi suy giảm với hàm mũ SNR, kênh fading suy giảm tỷ lệ nghịch với SNR Để khắc phục tượng fading hệ thống thường dùng kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều aten thu phát nhằm chuyển ảnh hưởng kênh fading trở thành AWGN Trong kỹ thuật phân tập, luận văn so sánh phân tích ưu nhược điểm kỹ thuật Từ sâu nghiên cứu kỹ thuật phân tập không thời gian mà cụ thể xét đến mã khối không thời gian trực giao điều chế lưới Mã Alamouti dạng mã khối không thời gian STBC đặc biệt đơn giản hiệu quả, mang lại phát triển hệ thống đa anten cách tạo phân tập đầy đủ máy phát Các giải mã ML tạo độ lợi phân tập đầy đủ M R máy thu Do , hệ thống đảm bảo độ lợi phân tập toàn 2M R mà không cần đến CSI máy phát Điều tạo trực giao chuỗi tạo antenna máy phát Do nguyên nhân đó, mẫu cho phép sử dụng số lượng antenna phát cách áp dụng lý thuyết trực giao Mẫu gọi mã khối không thời gian , mã tạo độ phân tập đầy đủ cho phép sử dụng thuật toán giải mã ML đơn giản dựa q trình xử lý tuyến tính máy thu Mã lưới cho kênh băng giới hạn kết tổ hợp điều chế mã hóa Trong q trình nghiên cứu nêu tính cấp thiết kỹ thuật phân tập để giảm fading tăng tốc độ truyền Khi nâng cao độ tin cậy kênh truyền vô tuyến Đặc biệt q trình kết hợp mã khối khơng thời gian mã lưới để đạt độ lợi phân tập cao 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt 1.Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ (2007), Thơng tin số, Nhà xuất Giáo dục, tr.28, tr 60-62, Trịnh Anh Vũ (2006), Thông tin di động, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội, tr.170-172 Nguyễn Huy Quân (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng sai lỗi ước lượng kênh lên tiêu chất lượng hệ thống MIMO-OFDM, Luận văn thạc sĩ, Học viện Công nghệ BCVT, Hà Nội Nguyễn Quang Vinh (2007), Nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM, luận văn thạc sĩ, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Mai Hồng Anh, Phân tập phát sử dụng mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao, Tạp chí bưu viễn thông Tiếng Anh Branka Vucetic and Jinhong Yuan (2003), Space-Time Coding, Wiley Press, Autralia David Tse, University of California, Berkeley; Pramod Viswanath, University of Illinois, Urbana-Champaign; Fundamentals of Wireless Communications; August 13,2004 Siavash M.Alamouti, A Simple transmit Diversity Technique for wireless communications, IEEE Jounal on Selected Areas in Communications, vol,16,no,8, Oct,1998 Daniel Larsson (2006), Analysic of channel estimation methods for OFDMA, Master thesis, Royal Insitu 10 V.Tarokh,H.Jafarkhami, and A.R.Calderbank, Space-time block codes from orthogonal design, IEEE Transactions on information theory, vol.45, no.5 Jul.1999 11 Yi Gong and K B.Letaief, Concatiented space-time block coding with trellis coded modulation in fading channels, IEEE Transactions on wireless communications, vol.1, no.4, Oct 2002 48 ... vi luận án tập trung vào kỹ thuật phân tập khơng thời gian sâu vào nghiên cứu mã khối không thời gian trực giao điều chế lưới Mã khối không thời gian trực giao đem lại độ lợi phân tập, mã lưới. .. - - NGUYỄN THỊ HƯƠNG MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAO VÀ ĐIỀU CHẾ LƯỚI Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG... tỉ số tối đa MRC 22 2.2 Mã khối không thời gian trực giao 24 2.2.1 Mã khối không thời gian STBC 24 2.2.2 Mã khối không thời gian trực giao OSTBC 25 2.2.3 STBC cho tương