Mã phân tập

Là kĩ thuật khi bên phát không biết thông tin trạng thái kênh. Không nhƣ kĩ thuật SM, mã phân tập chỉ phát đi một luồng tín hiệu đƣợc mã hoá theo kĩ thuật đƣợc gọi là mã không – thời gian. Các anten phát tín hiệu mã hoá trực giao. Kĩ thuật phân tập khai thác tính độc lập của fading trong hệ nhiều anten để nâng cao sự phân tập của tín hiệu. Vì bên phát không biết kênh nên mã phân tập không tạo búp sóng.

Trong thực tế ngƣời ta có thể kết hợp kĩ thuật hợp kênh không gian với mã trƣớc khi bên phát biết trạng thái kênh, hoặc kết hợp với mã phân tập trong trƣờng hợp ngƣợc lại.

38 | P a g e

3.4.1 Sơ lược Space diversity, time diversity

Giả sử rằng máy thu ƣớc lƣợng chính xác hệ số kênh truyền tại mọi thời điểm. Tín hiệu phát, tính hiệu thu, nhiễu Gauss đầu vào máy thu và giá trị kênh truyền tại thời điểm nT là x(nT), y(nT), b(nT) và h(nT).

Phân tập phát (Tranmission diversity): sử dụng 2 hay nhiều anten để truyền cùng 1 tín hiệu.

Tín hiệu thu đƣợc

y(nT) = x(nT)h₁₁(nT) + x(nT)h₂₁ (nT) + b(nT)

Tín hiệu ƣớc lƣợng của x(nT)

Phân tập thu (Reception diversity): sử dụng 2 hay nhiều anten để nhận 1 tín hiệu phát. Tín hiệu thu đƣợc

y₁(nT) = x(nT)h₁₁(nT) =b₁(nT) y₂(nT) = x(nT)h₁₂(nT) =b₂(nT)

Tín hiệu ƣớc lƣợng MRC (maximum ratio combining ) của x(nT)

Phân tập thời gian (Time diversity): truyền cùng 1 tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau. x(n₁T) = x(n₂T)

Tín hiệu thu đƣợc

y(n₁T) = x(n₁T)h(n₁T) + b(n₁T) y(n₂T) = x(n₂T)h(n₂T) + b(n₂T) Tín hiệu ƣớc lƣợng của x(nT)

3.4.2 Space time block code (STBC)

Kỹ thuật phân tậpđơn giản, hiệu quả sử dụng 2 anten phát đƣợc giới thiệu bởi Alamouti và đƣợc tổng quát hóa cho trƣờng hợp nhiều anten phát bất kỳ bởi Tarork .

39 | P a g e

STBC sử dụng phƣơng pháp sắp xếp trực giao lại thứ tự các tín hiệu tại các anten phát. Ta có matrix tính hiệu phát X ( [X_ij] với i tƣợng trƣng cho anten Tx phát thứ i và j la symbol phát thứ j của anten i):

Alamouti codes 2 anten phát (2 Tx):

Block Matrix tín hiệu có dạng (với s1 và s2 là 2 symbol tín hiệu liên tiếp nhau)

Tín hiệu tại anten thu

Tín hiệu ƣớc lƣợng của s1 và s2 sẽ đƣợc tổng hợp theo không gian-thời gian từ tín hiệu y1 và y2:

Kết luận

Sau khi tổng hợp trực giao không gian-thời gian, năng lƣợng nhiễu không thay đổi nhƣng năng lƣợng tín hiệu tăng (Space-Time diversity gain).

Với Space-Time Block Code Alamouti, tốc độ dữ liệu không bị suy giảm (full rate) nhƣng ta vẫn đạt đƣợc độ lợi phân tập tương đương với trường hợp 2 anten thu

(mục 1: phân cực 2 anten phát < phân cực 2 anten thu).

Với số lƣợng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ đƣợc tổng hợp nhƣ trên, sau đó sẽ đƣợc tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu).

Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ:

Tarokh tổng quát hóa matrix STBC cho số anten phát bất kỳ (Tx = 3,4,5,6,8 ...) cho tín hiệu thực (BPSK, PAM ...) [2]. Tuy nhiên đối với tín hiệu phức (modulation QPSK, M- PSK, M-QAM ...), để đảm bảo full-diversity, Tarokh chứng minh không tồn tại ma trận phát cho trƣờng hợp số anten phát lớn hơn 4 và đối với số aten phát 3 và 4 thì không tồn tại full-rate matrix [2], maximun rate = 3/4. Ma trận tín hiệu trực giao cho 3, 4 anten phát cho tín hiệu thực và phức:

40 | P a g e

Full-rate matrix cho 3 anten phát (3 Tx).

Full-rate matrix cho 4 anten phát (4 Tx).

Rate 3/4 matrix for complex symbol: 3 anten Tx

4 anten Tx

3.4.3 Spacetime trellis codes (STTC)

Trong Space-time Block Codes, tín hiệu phát đƣợc tạo thành bằng cách sắp xếp trực giao các symbols dữ liệu lên các anten phát khác nhau (các symbols đƣợc sắp xếp thành dạng block, nên gọi là block code). Đối với STTC, các tín hiệu phát cho từng anten đƣợc tạo ra nhờ vào các đa thức sinh generation function và có thể biểu diễn dƣới dạng trellis ( giống giống trellis code nhƣ convolution codes hay trellis codes modulation ...) Tại các anten thu, tín hiệu thu tại từng anten sẽ đƣợc sử dụng giải thuật Viterbi để tìm đƣờng đi trong trellis (trellis path) có xác suất lỗi nhỏ nhất (gần giống với kỹ thuật viterbi để tìm trellis path trong giải mã convolution codes, TCM...) và từ đó xác định đƣợc dữ liệu truyền.

Dung lượng kênh truyền

Shannon capacity of Gaussian channel: C = log₂(1 + γ) bps/Hz

41 | P a g e The capacity is expressed by the maximum achievable data rate for an arbitrarily low probability of error

SISO systems :

SIMO Systems:

MISO Systems :

In case :

As CSI knows at TX site, capacity can get:

3.5 Ứng dụng của MIMO

Lợi ích chính của hệ MIMO là tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của kênh truyền. Kĩ thuật hợp kênh không gian đòi hỏi độ phức tạp của bộ thu, do đó nó thƣờng đƣợc kết hợp với kĩ thuật hợp kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), hoặc OFDMA. Chuẩn IEEE 802.16e kết hợp chặt chẽ với kĩ thuật MIMO – OFDMA và chuẩn IEEE 802.11n sử dụng MIMO – OFDM.

Hệ MIMO cũng đƣợc sử dụng trong chuẩn di động 3GPP và 3GPP2 và đang đƣợc phát triển kĩ thuật truyền thông MIMO nâng cao nhƣ là kĩ thuật xuyên lớp, kĩ thuật nhiều ngƣời dùng và ad-hoc trong MIMO.

Xuyên lớp MIMO giải quyết các vấn đề xuyên lớp xảy ra trong hệ thống MIMO, do đó làm tăng hiệu quả sử dụng kênh. Kĩ thuật xuyên lớp này cũng làm tăng hiệu quả sử dụng kênh SISO. Các kĩ thuật xuyên lớp thƣờng gặp là điều chế và mã hoá thích nghi (AMC), liên kết thích nghi.

MIMO nhiều ngƣời dùng có thể khai thác sự giao thoa công suất của nhiều ngƣời sử dụng nhƣ là một tài nguyên không gian cho kĩ thuật xử lý phát tiên tiến, còn trong chế

2 2 2 lo g (1 ^P | | ) ( / / ) C h b s Hz    2 2 2 1

lo g (1 | | ) ( / / )

P

C h i b s Hz



 





|h

| |h

| i j, 1 . . .N

C

C





42 | P a g e độ một ngƣời dùng, hệ MIMO chỉ sử dụng nhiều anten. Ví dụ cho xử lý phát tiên tiến của hệ MIMO nhiều ngƣời dùng là giao thoa liên quan đến mã trƣớc.

Ad – hoc MIMO là một kĩ thuật rất hữu dụng cho mạng tế bào tƣơng lai, nó tập trung vào mạng vô tuyến mắt cáo hay mạng vô tuyến ad – hoc. Trong mạng ad – hoc nhiều nút phát liên lạc với nhiều nút thu. Để có thể tối ƣu dung năng của kênh Ad – hoc, khái niệm và kĩ thuật MIMO đƣợc áp dụng cho các liên kết trong cụm nút thu và phát. Không giống với hệ anten trong hệ MIMO một ngƣời dùng, các nút này đƣợc đặt nhƣ một hạng phân bố. Để đạt đƣợc dung năng trong mạng này cần quản lý sự phân bố tài nguyên sóng vô tuyến hiệu quả nhƣ sự hoạt động đồng thời của các nút và khái niệm mã trang nhiễm bẩn.

Tóm lại, hệ MIMO với những kĩ thuật phân tập, mã trƣớc và nhiều ngƣời dùng làm tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy kênh truyền, đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu phát triển hứa hẹn đêm lại cho chúng ta nhiều lợi ích hơn nữa trong truyền thông vô tuyến.

43 | P a g e

Chương 4 : Mô phỏng

4.1 Tóm tắt lý thuyết

4.1.1 Hệ thống truyền thông

Các hệ thống thông tin không dây có thể đƣợc phân loại thành 4 hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO nhƣ hình 4.1.

Hình 4.1 Các hệ thống thông tin không dây Hệ thống SISO

Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế/giải điều chế. Hệ thống SISO thƣờng đƣợc dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân nhƣ Wifi hay Bluetooth. Dung lƣợng hệ thống phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu đƣợc xác định bởi công thức Shanon

C=log₂ (1+SNR) bit/s/Hz

Hệ thống SIMO

Nhằm cải thiện chất lƣợng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu đƣợc gọi là hệ thống

44 | P a g e SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lƣợng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức sau

C=log₂(1+N.SNR) bit/s/Hz

Hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu đƣợc gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lƣợng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết đƣợc thông tin kênh truyền, dung lƣợng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát và có thể đƣợc xác định gần đúng theo biểu thức sau

C=log₂ (1+N.SNR) bit/s/Hz

Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lƣợng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lƣợng hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian nhƣ V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền đƣợc biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ phân tập cực đại và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lƣợng hệ thống trong trƣờng hợp đạt đƣợc phân tập cực đại có thể xác định theo biểu thức sau

C= log₂ (1+NT.NR.SNR) bit/s/Hz

Dung lƣợng hệ thống trong trƣờng hợp đạt đƣợc độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo biểu thức sau

C= min(NT,NR).log₂(1+SNR) bit/s/Hz

4.2 Mô phỏng MATLAB

4.2.1 Hệ thống SISO-OFDM

Ta sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống SISO-OFDM trên chƣơng trình Matlab.

Code sẽ đƣợc viết bằng mfile đƣợc đính kèm bài báo cáo, kết quả ber thu đƣợc nhƣ hình.

45 | P a g e Nhận xét:

Chất lƣợng hệ thống đạt yêu cầu, khi giá trị của E_b/N₀ bằng 8 thì ber xấp xỉ 10-4. Qua đó, đề ra các giải pháp để năng cao hiệu suất tính toán, giảm độ trễ,vv…

Một giải pháp trong trƣờng hợp này là kết hợp với việc thực hiện kỹ thuật phân tập ở máy thu hay kết hợp với hệ thống MIMO.

4.2.2 ZFE (Zero Forcing Equalizer)

46 | P a g e

4.2.3 MMSE