Ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 trong DVB-NGH

5. Bố cục của luận án

3.5.2.3 Ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 trong DVB-NGH

Trong phần này, luận án mô tả ghép kênh không gian MIMO được chỉ định trong DVB-NGH dưới dạng mã hóa MIMO rate-2. Thuật ngữ “rate-2” về cơ bản là

viết tắt của việc truyền hai luồng độc lập. Mã hóa MIMO rate-2 trong DVB-NGH sử dụng bố trí ăng ten phân cực chéo (ăng-ten có phân cực trực giao) với hai ăng-ten phát và hai ăng-ten thu (hệ thống MIMO 2 × 2).

M UX G iả i m ã M axim um Lik elih oo d - h h V V Ăng-ten # 1 01 A1 r2 r1 y(h) y^(h) S^ Ăng-ten # 2

Hình 3.3.Sơ đồ bộ thu DVB-NGH MIMO rate-2

Sơ đồ máy thu DVB NGH MIMO rate- -2 được minh họa trong hình 3.3 Trong mô hình này, luận án làm rõ hệ số biên độ và hệ số pha . Xem xét phần phân cực ngang của hệ thống ín hiệu nhận được có thể được viết, t là

= + , (3.27)

= + , (3.28)

( ) = + = ( + ) + + , (3.29)

trong đó chỉ số trên h biểu thị ăng-ten phân cực ngang, và đại diện cho tín hiệu thu được ở ăng-ten thu đầu tiên và tín hiệu thu được ở ăng-ten thu thứ hai. , và

tương ứng là tín hiệ đượu c truy n, ề thành phần nhiễu ở ăng-ten thu đầu tiên và ở ăng- ten thu thứ 2. và lần lượt là hệ ố s pha giữa tín hiệu thu đượ ạ ăngc t i -ten thu thứ nh t và th hai và h s ấ ứ ệ ố biên độ.

Khi hệ thống DVB-NGH MIMO sử dụng N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, tín hiệu thu được ở phía máy thu có thể được biểu diễn dưới dạng

= + , (3.30)

và đầu ra c a b ủ ộ định hướng búp sóng tương tự được th hi n là ể ệ

= , (3.31)

trong đó = 1 and = 0. Đố ớ ệ ối v i h th ng DVB NGH MIMO rate- -2, SNRcó th ể được xác định b ng cách tằ ối đa hóa biểu th c sau cho các h s ứ ệ ố biên độ và dA ịch pha

khác nhau như

=  

  =  ( )  , (3.32)

Ngoài ra, can nhiễu trong hệ ố th ng DVB NGH MIMO- rate-2 có thể được biểu th b ng ị ằ = + + , (3.33) = ( + + ), (3.34) ( )= + = ( + ) + + + + , (3.35) trong đó biểu thị cho tín hiệu can nhiễu. Đối với trường hợp hệ thống DVB-NGH MIMO s dử ụng N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, tín hiệu nhận được được biểu diễn dướ ại d ng

= + + . (3.36)

Đầu ra c a b ủ ộ định hướng búp sóng tương tựđược bi u di n là ể ễ

= . (3.37)

T s ỷ ốtín hiệu trên nhi u và tễ ạp âm (SINR) tương ứng với tham số cường độ tín hi u ệ có thể được xác định cho h thệ ống DVB NGH MIMO rate- -2. SINR có thể được xác định b ng cách tằ ối đa hóa biểu th c sau v i h s d ch pha ứ ớ ệ ố ị và biên độ Anhư

=  

    =  

( )   (3.38) trong đó là công su t t p âm. ấ ạ

Khi tín hi u mong mu n có ệ ố = 1, . . . , đa đường có độ ễ tr khác nhau và tín

hiệu nhiễu có 1, … , đa đường có độ tr ễ khác nhau. Sau đó là giải pháp tối đa SINR cho h th ng DVB-NGH MIMO rate-ệ ố 2 trong trường h p này ợ được đưa ra bởi

=  

( )   . (3.39) Công suất trung bình đạt được tương ứng có th ể được vi t l i thành [100] ế ạ

= [ (1 + )]. (3.40)

Để ả gi m độ ph c t p tính toán, nhiứ ạ ều máy thu MIMO dưới m c tứ ối ưu đã được s dử ụng nhưmáy thu cưỡng bức không tuyến tính (ZF) và máy thu sai số bình phương trung bình t i thiố ểu (MMSE) [102]. Máy thu tối ưu, tức là, bộ phát hiện ML tại máy thu đánh giá khoảng cách Euclide bình phương ( , ) và lựa chọn giá trị( , )

thu nh kho ng cách này. Khoỏ ả ảng cách Euclide có th ể được bi u th b ng ể ị ằ

( , ) = = + ,

(3.41) trong đó . là định mức Frobenius và Y là tín hi u nhi u nhệ ễ ận được.

3.6 Kết quảmô phỏng

Trong ph n này n án trình bày ầ luậ hiệu năng BER của hệ thống đượ đềc xu t ấ b ng ằ phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Mô ph- ỏng ước lượng tốc độ d liữ ệu của h th ng ệ ố so với tỷ ệ l tín hiệu trên nhi u ễ và tỷ ệ ỗ l l i bit (BER) so với Eb/No. Hai trường h p nghiên cợ ứu được xem xét để đánh giá ệu năng ủ hi c a h th ng xu t ệ ố đề ấ đưa ra trong bảng 3.3. Trường hợp đầu tiên MIMO rate, -2 cho chế độ FFT 8K/16K được thực hiện bằng cách sử ụ d ng các sơ đ chòm sao điềồ u chế 64-QAM hoặc 256-QAM. Trong trường hợp thứ hai, MIMO rate-2 cho s ố lượng luồng ph là ụ 2 và 4 trong chế độ FFT 16k sử ụ d ng 64-QAM. Trong mỗi trường h p nghiên c u luợ ứ , n án ậ đánh giá các tham số ệ ố h th ng với các cấu hình b tiộ ền mã hóa tương tự khác nhau. Các tham s ốmô phỏng chi tiế đượt c trình bày trong b ng 3.4ả . Các tham số mô phỏng bao gồm mã hóa trong LDPC dài t mã là 16200 bit (16k) và mã hóa ngoài BCH. cóđộ ừ

Bảng 3.3.Các trường hợp nghiên cứu

STT Nghiên cứu

1 BER cho256-QAM chế độ MIMO rate 2, FFT 8K/16K, chòm sao - 64 hoặc 2 Tốc độ dữ liệu cho chế độ64-QAM MIMO rate-2 và Ns = 4, chế độ 16k FFT,

Bảng 3.4.Các tham số mô phỏng [3][26]

Các tham số Giá trị

PLP 2,4

Số lượng luồng phụ trong bộ tách

kênh 2

Số lượng ăng-ten phát 1, 2, 4, 8

Số chuỗi RF 2, 4

Số lượng ăng-ten thu 2, 4

Băng thông 8 MHz

Điều chế 64-QAM và 256-QAM

Chòm sao xoay 2D (b=0.2890 16-QAM, b=0.1495 64-QAM)

Bộ xen kẽ B-C-T-F I (Bit-Cell-Time-Frequency Interleaver) Mã hóa và tỷ lệ mã FEC 16K LDPC tỷ lệ mã 8/15 Khoảng thời gian bảo vệ 1/16

Tỷ lệ lỗi bit (BER) so với Eb/No với các giá trị M khác nhau được biểu thị trong hình 3.4. Luận án đánh giá tất cả các kết hợp của các chòm sao 64-QAM và 256-QAM với kích thước FFT là 8K và 16K. Dựa trên các kết quả mô phỏng nghiên cứu sinh nhận thấy khi tăng tỷ số Eb/No thì tỷ lệ lỗi bit BER giảm, như vậy rõ ràng là hiệu năng ủa hệ thống tăng đáng kể khi công suất tăng. Ngoài ra, các số liệu cũng c cho thấy với cùng điều chế 64-QAM hay 256-QAM và số lượng ăng ten, khi tăng kích - thước FFT từ 8K lên 16K thì tỷ lệ lỗi bit BER giảm, điều đó được thể hiện rõ ràng đặc biệt là ở mức tăng công suất khoảng 10dB với trường hợp M =1 và 2. Đối với trường hợp M =4 và điều chế 64 QAM thì hiệu năng của hệ thống tốt nhất có thể đạt được ở - mức tăng công suất khoảng 7,5dB cho trường hợp MIMO rate-2, kích thước 16K FFT. Theo kết quả minh họa trong hình 3.4b và hình 3.4c cho thấy khi tăng công suất đến một mức độ nhất định (khoảng 8 dB như trong hình .4c) thì việc tăng kích thước FFT 3 lên 16K và 256-QAM có tỷ lệ lỗi bit BER nhỏ hơn 8K và 64 QAM, điều này do xác - suất lỗi bit nó có giới hạn, đến một giá trị SNR ngưỡng mặc dù SNR tăng nhưng xác suất lỗi bit không giảm được và cần một tham số như tăng kích thước FFT để giảm xác suất lỗi bit BER xuống. Vì vậy đối với MIMO rate 2 thì hiệu năng hệ thống sẽ - đượccải thiện đáng kể khi tăng số lượng ăng ten và kích thước FFT- .

(b) BER và Eb/No cho các sơ đồ điều chế khác nhau, ăng ten phát M=2

(c) BER và Eb/No cho các sơ đồ điều chế khác nhau, ăng ten phát M=4

Hình 3.4.Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 bằng cách sử dụng các

sơ đồ điều chế 64-QAM và 256-QAM với kích thước FFT là 8K và 16K cho số lượng

Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO rate-2 được minh họa trong hình 3.5 đánh giá tỷ lệ lỗi BER với Eb / No bằng cách sử dụng điều chế 256-QAM và kích thước FFT là 16K với các ăng-ten truyền khác nhau M = 1, 2, 4, . 8 Tương tự như trên, kết quả mô phỏng cũng chỉ ra rằng tỷ lệ lỗi bit BER giảm khi tăng công suấtEb / No tức hiệu năng hệ thống sẽ được cải thiện khi tăng công suất. Ngoài ra, mô phỏng cũng cho thấy khi tăng số lượng ăng-ten phát (với M=2,4,8) thì tỷ lệ lỗi bit BER giảm (so với M=1), mức tăng công suất xấp xỉ 5dB được nhìn thấy khi tăng số lượng ăng-ten phát từ 1 lên 2, 2 lên 4 và 4 lên 8, tại BER nhỏ hơn 10-3. Kết quả này minh chứng hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO rate-2 sẽ tăng lên đáng kể khi số lượng ăng-ten phát được sử dụng tăng.

Hình 3.5.Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 bằng cách sử dụng sơ đồ

điều chế 256 QAM và kích thước FFT là 16K cho các ăng- -ten phát khác nhau M = 1, 2, 4, 8.

Tiếp theo luận án đánh giá hệ thống DVB NGH sử dụng, - ghép kênh không gian MIMO phân cực kép được đề xuất với cấu trúc eSM-PH.Tốc độ dữ liệu đạt được với các ăng-ten phát M = 1, 2, 4, 8 khác nhau ở chế độ MIMO rate-2 (Ns 2) và = MIMO rate-4 (Ns = 4) với sơ đồ điều chế 64-QAM và mã hóa trong LDPC 8/15 được minh họa trong hình 3.6 và hình 3.7. Mô hình kênh được sử dụng cho trường hợp

nghiên cứu này là pha-đinh Rayleigh không tương quan với hệ số tương quan suy giảm giữa các thành phần ăng ten là 1%. Các kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ dữ liệu của hệ thống DVB NGH trong cả hai trường hợp MIMO rate- -2 và MIMO rate 4 -

đều tăng khi số lượng ăng ten phát tăng Độ lợi định hướng búp sóng đạt được của bộ - . giải mã với mã hóa LDPC có tỷ lệ mã là 8/15 tại BER là 10-4tăng theo số lượng phần tử tại bộ tiền mã hóa tương tự, ví dụ 3dB (M = 2), 6dB (M = 4), 8, 9dB (M = 8).

Hình 3.6.Tốc độ dữ liệu đạt được vớicác ăng-ten phát khác nhau ở chế độ MIMO

rate-2 với sơ đồ điều chế 64-QAM và mã hóa trong LDPC 8/15.

Hình 3.7.Tốc độ dữ liệu đạt được vớicác ăng-ten phát khác nhau ở chế độ MIMO

Cuối cùng, luận án mô phỏng mô hình búp sóng của bộ tạo búp sóng lai được đề xuất với hai chuỗi RF (Ns= 2), số lượng ăng-ten MT = 8, MR = 2 (Hình 3.8a) và bốn chuỗi RF (Ns = 4), số lượng ăng-ten MT = 16, MR= 4 (Hình 3.8b). Có thể thấy từ sơ đồ hệ thống DVB-NGH đề xuất, kết quả mô phỏng minh chứng các bộ tạo búp sóng đã được tối ưu hóa thông qua có các búp sóngchiếm ưu thế. Mô hình búp sóng này có nghĩa là các luồng dữ liệu có thể được truyền thành công thông qua các chùm đó.

(a)

(b)

Hình 3.8. Mô hình búp sóng của sơ đồ tạo chùm tia được đề xuất: (a) MT = 8, MR = 2

cho chế độ MIMO rate-2, (b) MT = 16, MR = 4 cho chế độ MIMO NS = 4.

3.7 Kết luận chương

Trong chương này, luận án đã phát triển một sơ đồ định hướng búp sóng mới dựa trên định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép cho

các hệ thống DVB NGH. Trong phương pháp đề xuất, sơ đồ định hướng búp sóng đã - tối đa hóa dung lượng kênh của các hệ thống DVB NGH dựa trên MIMO. Kết quả mô - phỏng cho thấy rằng định hướng búp sóng lai được đề xuất có hiệu quả để đạt được công suất cao hơn so với ghép kênh không gian MIMO phân cực kép hiện có cho các

hệ thống DVB NGH. Việc đánh giá hiệu năng theo tỷ lệ lỗi bit, dung lượng kênh - ergodic và các mẫu búp sóng cho thấy các sơ đồ định hướng búp sóng lai được đề xuất sử dụng phương pháp định hướng búp sóng số tương tự và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép cho hệ thống DVB NGH được tối ưu hóa- thông qua các búp sóng chiếm ưu thế. Mặc dù một số kết quả đã đạt được, một số vấn đề thách thức vẫn phải giải quyết, ví dụ, giảm kích thước vật lý. Do đó, nghiên cứu tiếp theo có thể được thực hiện tối ưu hóa bộ định hướng búp sóng lai để có thể áp dụng cho máy thu cầm tay trong hệ thống DVB-NGH.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố tại [3] trong danh mục các công trình đã công bố của luận án.

KẾT LUẬN

Tại Việt Nam, truyền h nh số quảng bá mặt đất đã phát triển rộng khắp các tỉnh ì thành trong cả nước và ngà ày c ng có nhiều nh cung cấp dịch vụ truyền h nh số quảng à ì bá với số lượng chương tr nh ngày một tăng. Việc phát triển tiêu chuẩn truyền h nh số ì ì mặt đất thế hệ mới nhằm đáp ứng được yêu cầu thực tế. Đó là sự gia tăng dung lượng băng thông giúp cung cấp cho người xem các dịch vụ truyền h nh mới hỗ trợ cơ hội ì , cho các nhà quảng bá triển khai một chuỗi các dịch vụ HDTV trên môi trường DTT, hỗ trợ các dịch vụ truyền h nh trong tương lai. Các dịch vụ thế hệ kế tiếp như UHTV ì có thể hưởng lợi từ việc gia tăng dung lượng sẵn có trên cơ sở tối ưu hóa truyền dẫn các hệ thống truyền hình mặt đất thế hệ mới.

Với những r ng buộc về giới hạn dung lượng băng tần, môi trường truyền hà ình mặt đất cần tối ưu hệ thống truyền dẫn để đáp ứng các yêu cầu truyền h nh tương lai ì và hỗ trợ triển khai các dịch vụ truyền hình mới.

Với mục đích nghiên cứu các phương thức tối ưu hóa truyền dẫn ứng dụng trong các hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ mới nghiên cứu sinh đã hoàn thành , được các mục tiêu nghiên cứu đề ra. Trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã có một số đóng góp khoa học mới, cụ thể như sau:

(i) Đề xuất mô hình, kiến trúc tối ưu hiệu năng hệ thống DVB NGH bằng định - hướng đa búp sóng sử dụng các ăng-ten mảng hình trụ.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố tại tài liệu tham khảo [2] trong danh mục các công trình đã công bố của luận án. Nội dung đóng góp mới được trình bày trong chương 2 tại mục 2.3. Đề xuất hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH.

(ii) Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố tại tài liệu tham khảo [4] trong danh mục các công trình đã công bố của luận án. Nội dung đóng góp mới được trình bày trong chương 2 tại mục 2.4. Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo.

(iii) Đề xuất mô hình, kiến trúc cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH bằng phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố tại tài liệu tham khảo [3] trong danh mục các công trình đã công bố của luận án. Nội dung đóng góp mới được trình bày trong chương 3. Giải pháp cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH bằng phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép.

Với những đóng góp khoa học nêu trên, luận án sẽ góp phần để nghiên cứu, phát triển cho các hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ mới trong tương lai.

Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp

Hiện nay, các kết quả đạt được của luận án mới là các mô phỏng trên máy tính.