Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn vô tuyến số MIMO

NGUYễN PHúC NgọC MÔ PHỏNG ĐáNH GIá CHấT LƯợNG Hệ THốNG, TR. 82-86 82 MÔ PHỏNG ĐáNH GIá CHấT LƯợNG Hệ THốNG TRUYềN DẫN VÔ TUYếN Số MIMO NGUYễN PHúC NgọC (a) Tóm tắt. Bài báo đề cập vấn đề cải thiện chất lợng hệ thống truyền dẫn vô tuyến số bằng hệ thống truyền dẫn MIMO. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống truyền dẫn MIMO có số anten phía thu và phát càng lớn thì phẩm chất BER càng tốt và công suất phát càng nhỏ. I. ĐặT VấN Đề Trong những năm gần đây sự bùng nổ về nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đã không ngừng thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền thông vô tuyến, trong đó phải kể đến các công nghệ mới nh MIMO và anten thông minh. Vấn đề đặt ra là phải nâng cao dung lợng và chất lợng truyền thông vô tuyến trên cơ sở sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến số sử dụng đa anten (MIMO). Bởi vậy, việc mô phỏng mối quan hệ giữa xác suất lỗi bit (BER), xác suất lỗi ký tự (SER) và năng lợng bức xạ của kỹ thuật phân tập anten là cần thiết và thực sự có ý nghĩa thiết thực. Ngoài các ảnh hởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ và gây ra hiện tợng pha-đinh đa đờng. Điều đó dẫn đến chất lợng của tín hiệu nhận đợc tại bộ thu sẽ kém hơn nhiều so với chất lợng tín hiệu tại bộ phát và làm giảm đáng kể chất lợng truyền thông[1]. Những nghiên cứu gần đây cho thấy, việc sử dụng sự kết hợp của các phơng pháp điều chế vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng kể ảnh hởng của pha-đinh từ môi trờng truyền, cho phép nâng cao chất lợng và tốc độ truyền thông, hệ thống MIMO sử dụng mã khối không gian - thời gian (STBC) cho phép cải thiện xác suất lỗi bít (BER), xác suất lỗi ký tự (SER) và năng lợng bức xạ của anten [3]. Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten dùng kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian (STC) thích hợp có thể đạt đợc hệ số tăng ích lớn trong truyền dẫn đa đờng. Alamouti đã đề xuất kỹ thuật phân tập đơn anten kết hợp với mã hoá, dựa trên kỹ thuật đó, mã hoá không gian - thời gian đợc phát triển và ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến. Gần đây, mã khối không gian-thời gian đợc chấp nhận trong thông tin di động thế hệ thứ ba với mục đích thực hiện truyền thông đa phơng tiện. Nó đợc sử dụng phổ biến trong các kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian khác nhau. Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dung lợng của hệ thống thông tin vô tuyến đợc tăng lên đáng kể khi sử dụng nhiều anten thu và anten phát [3]. Các phơng pháp phân tập thờng gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian và phân tập không gian, trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang đợc Nhận bài ngày 10/5/2012. Sửa chữa xong ngày 15/6/2012. trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập 41, số 2A-2012 83 quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian nhằm nâng cao chất lợng và dung lợng hệ thống, giảm ảnh hởng của pha-đinh, đồng thời tiết kiệm đợc băng thông truyền dẫn trong hoàn cảnh tài nguyên tần số đang ngày càng khan hiếm [4]. II. NGUYÊN Lý HOạT ĐộNG CủA Hệ THốNG MIMO Hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sử dụng cả phân tập phát và phân tập thu với n anten phát và m anten thu đợc biểu diễn trên hình 1. Trong đó STE là bộ mã hóa không gian-thời gian và STD là bộ giải mã không gian-thời gian. Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) và anten máy thu (Rx) đợc gọi là kênh đa đầu vào đa đầu ra. Trong các trờng hợp đặc biệt khi n=1 hoặc m=1, ta có các hệ thống truyền dẫn phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO [1]. Kênh đơn giữa anten máy thu i và anten máy phát j đợc ký hiệu là ij h . Tơng tự nh các hệ thống phân tập phát hoặc thu, để tránh ảnh hởng giữa các anten phát hoặc giữa các anten thu với nhau thì khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử anten ở các mảng anten phát hoặc thu là 2/ . Kênh MIMO trong trờng hợp này đợc gọi là kênh MIMO không tơng quan. Trong trờng hợp pha- đinh Rayleigh phẳng không tơng quan, ij h đợc mô hình hoá bằng một biến số Gauss phức có giá trị trung bình không và phơng sai bằng 1. Kênh MIMO gồm n anten phát và m anten thu thờng đợc biểu diễn bởi một ma trận có kích thớc m ì n nh sau [1]: = mnmm n n hhh hhh hhh H L MOMM L L 21 22221 11211 . (1) Mối quan hệ giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát của hệ thống MIMO đợc xác định bằng phơng trình: h 1,1 STE Tx STD Rx b s 1 s 2 s n 2 n z 1 y 1 1 z 2 y 2 2 y m m h m,1 h 1,2 h 2,1 h 2,n h m,n h 1,n h 2,2 h m,2 1 z m Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống MIMO NGUYễN PHúC NgọC MÔ PHỏNG ĐáNH GIá CHấT LƯợNG Hệ THốNG, TR. 82-86 84 ZHS n P Y T += , (2) trong đó [ ] T n sssS L 21 = - Véc tơ tín hiệu phát; [ ] T n yyyY L 21 = - Véc tơ tín hiệu thu; [ ] T n zzzZ L 21 = - Véc tơ tạp âm; { } ssT RtraceP = là tổng công suất phát từ n anten phát; { } H ss ssER = là ma trận tơng quan của S [1]. Để giải quyết vấn đề nâng cao độ lợi, cải thiện chất lợng, dung lợng của hệ thống ta sử dụng mã khối không gian thời gian. 2.1. Đối với bộ mã Alamouti cho 2 anten phát và m anten thu ta có ma trận phát = * 12 * 21 2 ss ss S . (3) Để ớc lợng tối u các dấu tín hiệu phát đi k s chúng ta cần phải tách đợc thông tin của chúng trong nm y , . Điều này có thể thực hiện đợc nhờ sử dụng phơng pháp kết hợp và ta có các giá trị k s % [2]: ( ) * * 1 ,1 ,1 ,2 ,2 1 m j j j j j s y h y h = = + % , (4) ( ) * * 2 ,1 ,2 ,2 ,1 1 m j j j j j s y h y h = = % . (5) 2.2. Đối với bộ mã STBC cho 4 anten phát và m anten thu có ma trận phát = * 1 * 2 * 3 * 41234 * 2 * 1 * 4 * 32143 * 3 * 4 * 1 * 23412 * 4 * 3 * 2 * 14321 4 ssssssss ssssssss ssssssss ssssssss S . (6) Nhờ sử dụng phơng pháp kết hợp và ta có các giá trị ~ k s bằng cách ớc lợng tối u các dấu tín hiệu phát đi k s [2]: ( ) * * * * * * * * 1 ,1 ,1 ,2 ,2 ,3 ,3 ,4 ,4 ,5 ,1 ,6 ,2 ,7 ,3 ,8 ,4 1 m j j j j j j j j j j j j j j j j j s y h y h y h y h y h y h y h y h = = + + + + + + + % ; (7) ( ) * * * * * * * * 2 ,1 ,2 ,2 ,1 ,3 ,4 ,4 ,3 ,5 ,2 ,6 ,1 ,7 ,4 ,8 ,3 1 m j j j j j j j j j j j j j j j j j s y h y h y h y h y h y h y h y h = = + + + % ; (8) ( ) = +++= m j j j j j j j j jj j j j j j j j hyhyhyhyhyhyhyhys 1 2, 8, * 1, 7, * 4, 6, * 3, 5, * 2, * 4, 1, * 3, 4, * 2, 3, * 1, ~ 3 ; (9) trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập 41, số 2A-2012 85 ( ) * * * * * * * * 4 ,1 ,4 ,2 ,3 ,3 ,2 ,4 ,1 ,5 ,4 ,6 ,3 ,7 ,2 ,8 ,1 1 m j j j j j j j j j j j j j j j j j s y h y h y h y h y h y h y h y h = = + + % . (10) Sử dụng phơng pháp tách sóng tối u bằng cách áp dụng luật quyết định ML đồng thời cho các tín hiệu phát k s và 1+k s ta xác định đợc độ lệch giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu k s [2]: = 2 ~ minarg k kk sss . (11) III. KếT QUả MÔ PHỏNG Và ĐáNH GIá PHẩM CHấT Hệ THốNG MIMO TRÊN KÊNH PHA-ĐINH RAYLEIGH Để đánh giá hiệu quả hệ thống truyền dẫn vô tuyến số MIMO, ta tiến hành mô phỏng bằng phơng pháp Monte-Carlo trên phần mềm MATLAB với điều chế BPSK trên mô hình kênh pha-đinh Rayleigh, chuỗi dữ liệu có độ dài 1000 bit. Kết quả tỷ lệ lỗi bit và công suất phát của máy phát đợc thể hiện trên hình 2 cho trờng hợp hệ thống gồm 2 anten phát và 1 anten thu (2 ì 1), 2 anten phát và 2 anten thu (2 ì 2), 4 anten phát và 1 anten thu (4 ì 1); trên hình 3 là trờng hợp 4 anten phát và 1 anten thu (4 ì 1), 4 anten phát và 2 anten thu (4 ì 2), 4 anten phát và 3 anten thu (4 ì 3), 4 anten phát và 4 anten thu (4 ì 4). Đối với kênh pha-đinh Rayleigh ta thấy trờng hợp hệ thống MIMO(2 ì 2) và SIMO(4 ì 1) phẩm chất BER tại vị trí 3 10 có lợi hơn hệ thống SIMO(2 ì 1) khoảng 6dB, tuy nhiên, với trờng hợp MIMO(2 ì 2) và SIMO(4 ì 1) thì độ lợi hệ thống tơng đơng nhau. Xét trờng hợp trên hình 3 cho thấy đối với hệ thống SIMO(4 ì 1) có độ lợi kém hơn so với hệ thống MIMO(4 ì 2) khoảng 5 dB tại vị trí phẩm chất BER = 3 10 , so với hệ thống MIMO(4 ì 3) khoảng 3 dB. Nhng đối với hệ thống MIMO(4 ì 4) phẩm chất Hình 2. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất phát và phẩm chất BER cho các trờng hợp 2 ì 1; 2 ì 2 và 4 ì 1 Hình 3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất phát và phẩm chất BER cho các trờng hợp 4 ì 1; 4 ì 2; 4 ì 3 và 4 ì 4 NGUYễN PHúC NgọC MÔ PHỏNG ĐáNH GIá CHấT LƯợNG Hệ THốNG, TR. 82-86 86 BER nhỏ hơn 3 10 và nếu xét tại vị trí phẩm chất BER= 4 10 thì Hệ thống MIMO(4 ì 3) có độ lợi hệ thống kém hơn hệ thống MIMO(4 ì 4) là 1.5dB. Nh vậy, ta có thể rút ra kết luận là kỹ thuật phân tập anten có thể cải thiện đáng kể xác suất lỗi bit (BER) và độ lợi thu đợc lên đến cỡ dB. Đây là các thông số thể hiện rõ tính u việt của kỹ thuật phân tập anten ứng dụng vào hệ thống truyền thông không dây, đặc biệt là các hệ thống thông tin di động vốn đòi hỏi cao về dung lợng và chất lợng dịch vụ. IV. KếT LUậN Kết quả mô phỏng đánh giá phẩm chất của hệ thống MIMO trên kênh pha- đinh Rayleigh cho thấy khi tăng số lợng anten thì phẩm chất BER và độ lợi của hệ thống đợc cải thiện đáng kể. Tuy nhiên độ gia tăng độ lợi tốt nhất khi tăng từ 1 anten lên 2 anten. Đây là vấn đề cần đợc quan tâm trong việc ứng dụng kỹ thuật phân tập anten vào thực tế, đặc biệt khi triển khai trên máy đầu cuối của mạng di động số anten không nhiều sẽ giúp tiết kiệm chi phí và độ phức tạp thi công, đáp ứng đợc yêu cầu giảm kích thớc máy đầu cuối mà vẫn đảm bảo nâng cao chất lợng dịch vụ. TàI LIệU THAM KHảO [1] Trần Xuân Nam, Mô phỏng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng MATLAB, Bài giảng, Học viện KTQS, 2006. [2] Masoud Elzinati, Space-time Block Coding for Wireless Communications, PhD. thesis, August, 2008. [3] J. Yang, E. Masoud and Y. Sun, Performance of Space-time Block Coding Using Estimated Channel Parameters, London Communications Symposium Conference UCL, 2004. [4] V. Tarokh, H. Jafarkhani, and A. R. Calderbank, Space-time codes for high data rate wireless communications: performance criterion and code construction, IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 44, No. 2, pp. 744-765, 1998. Summary SIMULATIING AND ASESSING THE QUALITY OF MIMO RADIO TRANSMISSION SYSTEMS The paper discusses the improvement of transmission of MIMO radio transmission systems over the Rayleigh fadinh channel. Using Monte-Carlo simulations. The paper also shows that, unlike the case of single antenna, the MIMO systems have significantly improved BER performance over the Rayleigh fadinh channel. The result of simulation proves that in the MIMO radio transmission system, if there are more antenas on both sides of the link, the Beer performance is better, and the power out put is lower. (a) Khoa Điện tử - Viễn thông, Trờng Đại học Vinh. . NGUYễN PHúC NgọC MÔ PHỏNG ĐáNH GIá CHấT LƯợNG Hệ THốNG, TR. 82-86 82 MÔ PHỏNG ĐáNH GIá CHấT LƯợNG Hệ THốNG TRUYềN DẫN VÔ TUYếN Số MIMO NGUYễN PHúC NgọC. đề cải thiện chất lợng hệ thống truyền dẫn vô tuyến số bằng hệ thống truyền dẫn MIMO. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống truyền dẫn MIMO có số anten phía