Mã khối không thời gian trực giao và điều chế lưới

Nguyễn Thị HươngTrường Đại học Công nghệChuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trịnh Anh VũNăm bảo vệ: 2012

Mã khối không thời gian trực giao và điều chế lưới Nguyễn Thị Hương Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trịnh Anh Vũ Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Tổng quan về hệ điều hành Android. Nghiên cứu các giao thức sử dụng: giao thức TCP/IP; bản tin nhắn ngắn SMS. Tổng quan về mạng thông tin di động (Vinaphone): cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống GSM; cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống GPRS/EDGE. cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống 3G. Mô hình giải pháp và thiết kế phần mềm trên Android. Đưa ra kết quả và hướng phát triển tiếp theo. Keywords: Kỹ thuật điện tử; Phần mềm; Android; Điện thoại di động; Mạng thông tin di động Content. CHƢƠNG 1 : KÊNH FADING VÀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP 1.1 Lỗi trong kênh Gauss và kênh fading Trong thông tin vô tuyến bên cạnh nhiễu do tạp âm Gaus còn có can nhiễu do fading làm trầm trọng thêm việc hư hỏng bit thông tin trên đường truyền. Sau đây ta nhắc lại những nét đặc trưng cơ bản của 2 loại can nhiễu này. 1.1.1 Kênh Gauss (AWGN) Nhiễu trắng Gauss do tác động của chuyển động nhiệt lên chuyển động của các phần tử tải điện trong các thiết bị điện tử. Đây là một quá trình ngẫu nhiên, mỗi mẫu là một biến ngẫu nhiên trung bình zezo G và toàn bộ mật độ phổ năng lượng là phẳng trên toàn bộ phạm vi tần số f    với mức N 0 /2. Hình 1.1. Ví dụ kênh AWGN Hình 1.1. Mô tả nhiễu Gauss trắng cộng tính 1.1.2 Kênh Fading 1.1.2.1. Khái niệm Fading Fading là hiện tượng tín hiệu tại điểm thu thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian về cường độ, pha hoặc tần số do tác động của môi trường truyền dẫn. Điển hình là các yếu tố : Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước…Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí , Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, từ các bất đồng nhất trong khí quyển, Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ 1.1.2.2 Fading Rayleigh Hàm mật độ phân bố Rayleigh được cho bởi công thức Trong đó  là giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao, 2  là công suất trung bình theo thời gian Minh họa hàm mật độ phân bố xác suất Rayleing 1.1.2.3. Fading Rice Hàm mật độ phổ công suất của phân bố Rician cho bởi công thức     22 2 2 0 22 0 00 rD ss r rD e I r pr r                  Phân bố Rician thường được mô tả bởi thông số K được định nghĩa như là tỷ số giữa công suất tín hiệu xác định và công suất các thành phần đa đường 1.1.3. Lỗi trong kênh Gauss và kênh fading Ở đây ta so sánh lỗi chỉ theo kỹ thuật thu đồng bộ 22 /2 2 0 () 00 r r er pr r            2 2 2 D K   Lỗi trong kênh Gauss Xác suất lỗi trung bình đối với điều chế BPSK là Lỗi trong kênh fading Tính trung bình hàm Q theo phân bố của h theo công thức Taylor Như vậy,trong AWGN xác suất phát hiện lỗi suy giảm với hàm mũ của SNR, trong khi trong các kênh fading nó suy giảm tỷ lệ nghịch với SNR . Hình 1.5: So sánh xác suất lỗi qua fading Rayleigh và kênh AWGN 1.2. Kỹ thuật phân tập 1.2.1 Phân tập thời gian   0 2 0 1 2S R b e E p Q Q N N       2 1R 2 R 1 2 1 R e SN p E Q h SN SN            1 4S R e p N  Phân tập thời gian thực hiện bằng cách phát đi các bản tin giống nhau trong các khe thời gian khác nhau, nhằm phân tán bit thông tin trên những khoảng thời gian lớn hơn thời gian kết hợp của kênh Để đảm bảo các ký hiệu đã mã hóa được phát qua fading độc lập hay gần độc lập thì yêu cầu phải ghép xen các từ mã 1.2.2. Phân tập không gian Là kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong thông tin vô tuyến sóng ngắn. Trong phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng sắp xếp có khoảng cách đối với việc phát và nhận , yêu cầu về sắp xếp là khác nhau đối với độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số 1.2.3. Phân tập không-thời gian Mã không gian-thời gian được phân ra làm 2 loại : Mã khối không gian-thời gian STBC và mã lưới không gian-thời gian STTC CHƢƠNG 2 : MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAo . 2.1 Mã Alamouti Mã Alamouti tạo ra một mẫu cho hệ thống 2x2 nhằm đạt được độ lợi phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã ML đơn giản Sơ đồ khối mã hóa Alamouti Hình 2.1 : Khối mã hóa Alamouti Đầu tiên điều chế m bit thông tin với m=log 2 M. Sau đó bộ mã hóa sẽ lấy 1 khối gồm có 2 bit thông tin ký hiệu x 1 , x 2 trong mỗi lần mã hóa để cho ra anten phát theo ma trận : Cột đầu tiên đại diện chu kỳ phát đầu tiên, cột thứ 2 đại diện cho chu kỳ phát tiếp theo Trong chu kỳ đầu tiên anten 1 phát x 1 , anten 2 phát x 2 . Trong chu kỳ thứ 2 anten 1 phát –x 2 * , anten 2 phát x 1 * là liên hợp phức của x 1 2.1.1. Trƣờng hợp sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu * 12 * 21 x x x X x       Nếu ta giả sử có 1 antenna tại máy thu thì các tín hiệu nhận được được định nghĩa như sau : Bảng 2.1. Bảng mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát 2 anten, 1 anten thu Anten 1 Anten 2 Thời điểm t x 1 x 2 Thời điểm t +T -x 2 * x 1 * Bảng 2.2. Định nghĩa các kênh giữa 2 anten phát và anten thu Anten thu Anten phát 1 h 1 Anten phát 2 h 2 Bản 2.3. Ký hiệu các tín hiệu thu tại anten thu Anten thu Thời điểm t r 1 Thời điểm t +T r 2 Mẫu phân tập phát 2 antenna của Alamouti Hình 2.2. Mẫu phân tập phát 2 antenna của Alamouti 2.1.2. Xét trƣờng hợp sử dụng 2 anten phát và 2 anten thu. Ta có sơ độ phân tập Hinh 2.3. Sử dụng 2 anten phát và 2 anten thu. 2.1.3. Kết hợp tỉ số tối đa MRC Hình 2.4. Kết hợp tỉ số tối đa 1 Tx và 2Rx Mã Alomuti không cần sự hồi tiếp từ máy thu về máy phát, không làm trải rộng băng thông, bộ giải mã đơn giản , khi ứng dụng thì không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống. Chúng hoạt động hiệu quả tương đương với MRC nếu tổng công suất phát xạ được gấp đôi so với hệ thống dùng MRC. Nếu công suất phát được giữ không đổi, mẫu này sẽ làm giảm 3dB công suất phát do công suất phát được chia nhỏ cho 2 anten phát. 2.2 Mã khối không thời gian trực giao 2.2.1. Mã khối không thời gian STBC Mã không thời gian được định nghĩa bởi ma trận truyền dẫn X kích cỡ n T x p, trong đó n T là số anten phát, p la số chu kỳ để phát mã khối trên anten phát , giả sử số lượng ký hiệu lối vào của STBC trong 1 lần mã hóa là k Cấu trúc bộ mã hóa không thời gian Hình 2.5. Cấu trúc bộ mã hóa không thời gian Hiệu suất phổ của mã STBC là // bs s r r mR km bits s Hz B r p   Với b r và s r là tốc độ bit và tốc độ ký hiệu, B là dải thông Các thành phần của ma trận X được chọn sao cho chúng là sự kết hợp tuyến tính của k symbol x 1 .x k và liên hợp phức x 1 * ……x k * . 2 22 12 . H nT k x x xX X c I        Với c là hằng số, M T là số antenna phát, X H là ma trận kiểm tra của S và I MT là ma trận đơn vị M T xM T . Điều nà tạo ra sự phân tập M T mức. Các ma trận truyền mã này được chọn sao cho các hàng và cột của ma trận là trực giao nhau 2.2.2. Mã khối không thời gian trực giao OSTBC Việc xây dựng mã STBC phải dựa vào mã trực giao. Ma trận truyền dẫn X nT có hàng là trực giao với nhau. Tức là trong mỗi khối, tính hiệu phát từ 2 anten phải là trực giao với nhau. Có nghĩa là trong mỗi khối các chuỗi tín hiệu từ 2 anten phát bất kỳ là trực giao nhau. Ví dụ chúng ta giả sử tín hiệu phát từ anten thứ i là   , ,0 ,1 , , i i p ii xxxx Với i=1,2, ., n T . Khi đó   * ,, 1 . 0 , , 1,2, .,. p i t j t T t ij xxx i j i j nx       Trong đó x i , x j ký hiệu tích vô hướng của 2 chuỗi x i , x j . Tính trực giao có thể đạt được phân tập phát đầy đủ với một số anten phát cho trước. Nó giúp cho việc thu tách các tín hiệu được đơn giản hơn và do vậy giải mã ML đơn giản chỉ dựa trên xử lý tuyến tính tính các tín hiệu thu 2.2.3. STBC cho các tƣơng quan tín hiệu thực Ta sẽ phân tích quá trình tạo ra các ma trận thực Xét các ma trận vuông tức là tương ứng ứng với số lượng anten phát M T = 2,4,8. Các mã này là các mã toàn tốc do ma trận là ma trận vuông và phân tập phát đầy đủ M T mức. Khi đó ma trận truyền: Với M T = 2 anten phát. Ta có thể thấy rằng ma trận này thỏa mã điều kiện trực giao theo phương trình 34 43 12 21 12 21 4 34 43 x x x x x x X x x x x x x x x x x               Với M T = 4 2.2.4. STBC cho các tƣơng quan tín hiệu phức Các ma trận trực giao phức được định nghĩa là các ma trận M T xp với các thành phần phức s1, s2 .sk và liên hợp phức của chúng thỏa mã phương trình trện. Các ma trận taoọ ra sự phân tập M T đầy đủ với tốc độ mã k/p. Ma trận * 2 * 1 1 2 2 x G x x x       Ta phân tích các ma trận truyền phức có kích thước M T =3, M T =4 với tốc độ mã 1/2 1 12 2 2 x X x x x       * * * * 3 4 1 2 3 4 * * * * 4 3 2 1 4 3 * * * * 1 2 3 4 1 2 12 3 2 1 34 x x x x x x x G x x x x x x x x x x x x x x x x x                 * * * * 3 4 1 2 3 4 * * * * 4 3 2 1 4 3 * * * * 1 2 3 4 1 2 * * * * 2 1 4 3 2 1 12 21 4 34 43 x x x x x x x x x x x x x x G x x x x x x x x x x x x x x x x x x                   2.2.5. Giải mã STBC Quá trình giải mã này cũng tương tự như trong quá trình đối với mẫu Alamouti. Khi cần tiến hành giải mã STBC thì cần phải tách được các ký hiệu phát ở nơi thu dựa vào tính trực giao của các tín hiệu phát. 2.3 Xác suất lỗi cặp của mã không thời gian Giả sử chiều dài khung dữ liệu phát đi là L ký tự với mỗi anten. Khi đó ta có từ mã không thời gian M T xL 1 2 1 1 1 1 2 2 . T T T M M M L e e e e e e e trong khi thực tế tín hiệu được phát đi là 1 2 1 1 1 1 1 2 2 . . . T T T M M M LL x x x x x x x x Điều này xuất hiện nếu tổng các ký tự, anten và chu kỳ thời gian Do đó lỗi trong điều kiện biết (h i,j ) là         2 ,0 , , 1, ., , 1, ., exp , / 4 2 i j T R s d s e P s e h i M j M Q d s e E N           Khi đó lỗi sẽ là   , 1 0 , 1, ., , 1, ., exp 4 R M j j s i j T R j AE P s e h i M j M N              CHƢƠNG 3 : MÃ LƢỚI KHÔNG THỜI GIAN 3.1. Điều chế mã lƣới TCM   2 /2t x Q x e dt     Thông thường mã hóa tách biệt với điều chế tại bộ phát, và cũng vậy đối với giải mã và giải điều chế ở bộ thu. Việc sửa lỗi cung cấp thêm bit dư tại bộ mã hóa làm chậm tốc độ thông tin trên kênh có độ rộng băng cố định. Hiệu suất phổ được trao đổi với hiệu suất cống suất. Để có hiệu suất cao về phổ và công suất có thể gộp bộ mã hóa và điều chế vào một khối chức năng thực hiện cùng một lúc. Hình 3.1: Cấu trúc bộ điều chế lưới TCM Hình 3.2. Không gian tín hiệu 4-PSK và 8-PSK-TCM 3.1.1. Phân chia không gian tín hiệu Dựa vào sơ đồ không gian tín hiệu Ungerboeck xây dựng kỹ thuật phân chia tập hợp tín hiệu để tăng khoảng cách Euclide, trong không gian M tín hiệu lần lượt chia thành các cấp giảm dần : M/2,M/4, M/2 m , khoảng cách Euclide cực tiểu của các tập tín hiêu tăng dần d min 1 < d min 2 < .< d min 2 Phân chia chòm sao 8-PSK thành 3 tập con