MƠ HÌNH HỆ THỐNG

9. Ố CỤC CỦ AB LUẬN ÁN

4.2. MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Hình 4.1. Mơ hình hệ thống MIMO

Hệ thống gồm có sau:

Nt anten phát và Nr anten thu được biểu diễn theo mơ hình rời rạc như

 y  h11h12 ............ h1N   x  n  1

   t  1     y2  .  h21h22........h2 Nt .  x2  .   n2   .            (4.1) .  . . .  .  .   ..   yN  h       h .... h   xN  nN   r   Nr 1 Nr 2 Nr Nt   t   t 

Mơ hình được biểu diễn dưới dạng:

y  h.x  n0

(4.2)

Với y

CNr là tín hiệu nhận được

từ

Nr chiều từ Nr anten thu.

n CNr

kí hiệu nhiễu Gausse trắng N(0, 2 ).

h CNR

Nt

là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thước NR×NT, hij có biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát j đến anten thu i.

4.3. Các kỹ thuật phân tập

Trong môi trường vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền [86] mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng thông cần thiết. Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao tín hiệu tại nơi thu, tất cả cùng mang một thơng tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong mơi trường fading. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền.

Có nhiều cách để thu được phân tập như phân tập thời gian, phân tập tần số. Trong một kênh với nhiều anten phát hoặc thu ta có phân tập khơng gian [86]. Do vậy, phân tập là một kỹ thuật quan trọng, trong một hệ thống vơ tuyến có thể sử dụng vài loại phân tập.

4.3.1. Phân tập thời gian

1

Phân tập qua thời gian [87] có thể thu được khi thực hiện mã hóa và ghép xen thơng tin được mã hóa và các ký hiệu mã hóa được phân tán theo thời gian trong các chu

Từ mã x3 x2 Từ mã x1 Từ mã x0 Từ mã

kỳ kết hợp khác nhau để các các phần khác nhau của từ mã có thể độc lập khi xảy ra hiện tượng fading.

Giả sử ta phát một từ mã x [x1,x2,....xL ] chiều dài ký hiệu L và tín hiệu thu là:

yl  hl xl  wl ,l  1; 2;...;

L

(4.3)

Giả sử ghép xen lý tưởng để các ký tự liên tiếp xl được phát đủ xa theo thời gian,

ta có thể giả thiết rằng hl là độc lập. | hl | l Ghép khơng xen Ghép xen

Hình 4.2. Từ mã được phát có xen và khơng xen

Trong Hình 4.2, các từ mã được truyền các các ký hiệu liên tiếp nhau và được ghép xen, từ mã

x2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ ghép xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh

thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể khơi phục lại từ ba ký tự không bị ảnh hưởng bởi fading [88].

4.3.2. Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một lượng thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một

cách độc lập [87]. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông kết hợp để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan. Kỹ thuật trải phổ

rất hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ [89]. Tuy nhiên, khi băng thông kết hợp của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là khơng hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần.

4.3.3. Phân tập không gian

Để khai thác phân tập thời gian cần phải ghép xen và mã hóa qua các chu kỳ thời gian kết hợp. Khi có các ràng buộc về độ trễ, thì phân tập này có thể khơng sử dụng được. Lúc này có thể sử dụng một loại phân tập khác gọi là phân tập anten hay phân tập khơng gian [86-88]. Phân tập khơng gian có thể thu được bằng cách đặt nhiều anten tại đầu phát hoặc đầu thu. Nếu các anten đặt với khoảng cách đủ xa, độ lợi kênh giữa các anten độc lập nhau. Khoảng cách giữa các anten phụ thuộc vào môi trường tán xạ cũng như tần số sóng mang [88].

Những loại phân tập khơng gian phổ biến hiện nay:

SIMO MISO MIMO

Hình 4.3. Các loại phân tập không gian

-Phân tập SIMO sử dụng một anten phát và nhiều anten thu. Tín hiệu thu được có thể thay đổi lớn qua một vài chiều dài bước sóng trong mơi trường nhiều tín hiệu đa đường.

Xác suất lỗi bit ( Pe ) của QPSK trong các kênh fading Rayleigh là xấu. Nếu bộ thu thu

được vài kênh fading độc lập, mỗi sóng mang cùng tín hiệu, nó có thể kết hợp thơng tin

mỗi đường dẫn để giảm Pe tại máy thu. Ngoài ra, các kỹ thuật phân tập thu có độ phức

tạp thấp hơn như phân tập chuyển mạch tức là lựa chọn thay đổi anten nếu cường độ tín hiệu anten thu hiện tại bị rơi xuống dưới một ngưỡng xác định.

-Phân tập MISO sử dụng nhiều anten phát và một anten thu. Phân tập thu khó để thực hiện tại máy thu di động do thiếu khơng gian, cơng suất, chi phí tăng và phụ thuộc vào loại hình dạng. Phân tập phát có u cầu phần cứng và độ phức tạp xử lý tín hiệu đáng kể đối với hệ thống.

-Phân tập MIMO sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để tăng tốc độ truyền dẫn và cải thiện chất lượng của tín hiệu.

4.4. Dung lượng hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO kết hợp sử dụng đa anten ở cả phía phát và phía thu [86,87]. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, phân tập thu nhờ đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Dung lượng hệ thống này còn được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hóa khơng gian – thời gian VBLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể được xác định theo cơng thức:

C  log2 (1 NT .NR

.SNR) (4.4)

Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo công thức sau:

C  min(NT , NR ).log2 (1

SNR) (4.5)

Ưu điểm hệ thống MIMO

Tăng độ lợi mảng: làm tăng tỉ số tính hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng

cách truyền dẫn mà khơng cần tăng công suất phát.

Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiệu ứng fading thông qua việc sử dụng hệ

thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống.

Tăng hiệu quả phổ: Bằng cách sử dụng ghép kênh không gian, thời gian. Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông.

Nhược điểm hệ thống MIMO

Tăng độ phức tạp trong xử lý tín hiệu phát và thu.

Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu cùng với một băng

tần.

4.5. Đề xuất phương pháp phân tập không gian thời gian cho truyền thông dướinước chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO) nước chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO)

4.5.. Đặt vấn đề

Hệ thống nhiều anten thu phát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông hay tăng tốc độ truyền và chất lượng tín hiệu thu. Việc sử dụng nhiều anten thu phát có được nhờ vào đặc tính phân tập về khơng gian và thời gian của tín hiệu sóng vơ tuyến. Kỹ thuật phân tập khơng gian được hiểu như là sự thay đổi vị trí giữa các cặp anten thu phát nhờ đó làm thay đổi trạng thái kênh truyền [87-88]. Kỹ thuật phân tập thời gian thì dựa trên đặc tính phụ thuộc thời gian của kênh vơ tuyến nên một tín hiệu có thể được truyền đi ở nhiều thời điểm khác nhau. Kết hợp với việc phân tập khơng gian thời gian cho tín hiệu thì có rất nhiều kỹ thuật mã hóa đã được áp dụng như STBC, SFBC, Alamouiti…

Trong mơi trường truyền thơng dưới nước, băng thơng tín hiệu rất hạn hẹp chỉ có vài chục Khz thêm vào đó tốc độ truyền lan của sóng âm là rất thấp nếu so sánh với tốc độ truyền lan của sóng điện từ nên mọi sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu sẽ gây ra sự dịch tần Doppler rất lớn với tín hiệu thu [26-29]. Vì vậy trong các hệ thống truyền thơng dưới nước để nâng cao chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng băng thơng thì việc sử dụng nhiều transducer thu phát để truyền thông tin dưới nước cũng nhằm tận dụng các ưu điểm của sự phân tập khơng gian và thời gian của tín hiệu là rất cần thiết. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp với hệ thống có quá nhiều transducer sẽ trở nên cồng kềnh tiêu tốn nhiều năng lượng và cản trở sự chuyển động của thiết bị. Trong nội dung chính của chương 4, đề xuất áp dụng kỹ thuật phân tập không gian - thời gian cho hệ thống truyền thông dưới nước nhưng chỉ sử dụng một cặp transducer thu phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối với trường hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu được nghĩa là có sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu.

Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp transducer thu phát, tín hiệu truyền đi được lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lượng kênh truyền. Các tín hiệu được truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian [86-88]. Do có sự chuyển động tương đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ

được thực hiện ở hai vị trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong khơng gian tín hiệu.

Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu được phát lặp N lần4.5.2.Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian 4.5.2.Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian

a. Kỹ thuật MRC giải mã tín hiệu thu phân tập

Kỹ thuật MRC (Maximal Ratio Combining) được sử dụng cho trường hợp hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu như hình dưới đây:

Hình 4.5: Hệ thống anten phát nhiều anten thu (SIMO)

Trong đó X là tín hiệu phát, H là kênh truyền và Y là tín hiệu thu từ N anten.

Y  H.X  N0 (4.6)

Kỹ thuật giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC áp dụng cho hệ thống một anten phát nhiều thu được thực hiện như sau:

H HY X 

H H H (4.7)

với: H H là chuyển vị và liên hợp phức của H

Kỹ thuật nhiều Transducer thu một phát dựa trên đặc tính phân tập khơng gian của tín hiệu thu được độ chính xác của tín hiệu thu được tăng lên khi số lượng transducer thu

tăng. Tuy nhiên số lượng transducer thu khơng thể tăng q lớn vì khi đó hệ thống sẽ trở nên phức tạp.

b. Đề xuất phương pháp giải mã tối ưu cho N tín hiệu thu có phân tập khơng gian- thời gian

Đối với tín hiệu thủy âm, tín hiệu nhận được là N khung. Khi đó việc sử dụng N khung để giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC không phải là lựa chọn tối ưu bởi vì thực tế có sự khác biệt lớn về chất lượng tín hiệu giữa các khung truyền. Vì vậy nếu áp dụng kỹ thuật MRC cho N khung thì chưa phải là giải pháp tối ưu nhất. Còn nếu áp dụng phương pháp giải mã tối ưu, nghĩa là kết hợp tất cả các trường có có thể xảy ra với N khung thì sẽ có tất cả Q khả năng:

N

i (4.8)

i

Với giá trị N lớn (ví dụ với N=5 thì sẽ có 55 khả năng). Điều này sẽ không phù hợp với một ứng dụng truyền thông tin thời gian thực hoặc sẽ ảnh hưởng tới tốc độ truyền tin. Để lựa chọn phương án tốt nhất, luận án đề xuất thuật toán giải mã tối ưu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận được. Thuật tốn giải mã được mô tả như lưu đồ dưới đây:

Q 

C

Sai Đúng

Sai Đúng

Hình 4.6. Lưu đồ thuật tốn giải mã N khung tín hiệu

Để áp dụng sơ đồ thuật tốn trong Hình 4.6, cần ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự khi giải mã tín hiệu thu. Để ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự SER ta phải sử dụng thuật tốn ước lượng kích thước các ngơi sao trong chịm sao tín hiệu M-QAM bằng cách tính kích thước vịng trịn có bán kính r (vịng trong màu đỏ trong hình 4.7) xung quanh mỗi điểm tín hiệu chuẩn trong chòm sao M-QAM. Với giá trị r càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi tín hiệu SER sẽ càng bé.

Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chịm sao M-QAM

Thuật tốn sử dụng để tính tốn kích thước trung bình các ngơi sao trong chịm sao tín hiệu X thu được từ q trình giải mã các khung tín hiệu OFDM cơng thức (4.8) được thực hiện như sau:

B1: Giải điều chế tín hiệu X thu được Xr B2: Tái điều chế tín hiệu Xr được tín hiệu Xq B3: Tính khoảng cách giữa hai tín hiệu X và Xq:

d  mean X  Xq (4.9)

Khoảng cách trung bình này càng nhỏ nghĩa là vịng trịn có bán kích r trên Hình 4.7 càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi SER của tín hiệu càng thấp.

Trong sơ đồ thuật tốn Hình 4.6 có thể được chia thành hai bước:

+ Bước : Khi nhận được N khung dữ liệu, trước tiên hệ thống sẽ ước lượng tỷ lệ SER

của tất cả các khung tín hiệu dựa trên thuật tốn ước lượng SER ở trên. Tiếp đó sẽ sắp xếp lại thứ tự các khung theo trình tự SER của các khung từ bé đến lớn. Đặt giá trị

SER_min bằng SER của khung đầu tiên.

+ Bước 2: Kết hợp nhiều khung để giải mã theo phương pháp MRC. Gọi Ci là tập hợp

các khung từ 1 đến i, trước tiên cho i=2, như vậy tập đầu tiên C2 sẽ gồm hai khung số 1 và 2, giải mã MRC được áp dụng cho khung i khung liên tiếp. Tỷ lệ lỗi SER_Ci sẽ được tính lại cho i khung. Nếu tỷ lệ lỗi này thấp hơn tỷ lệ lỗi của lần tính trước đó thì tiếp tục tăng i=i+1 cho khung tiếp theo. Còn nếu tỷ lệ SER lớn hơn so với SER_min thì quá trình sẽ dừng lại.

4.5.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả:

Luận án sẽ thực hiện bằng 2 cách mô phỏng và thực nghiệm.

Trước tiên là thực hiện mô phỏng trong trường hợp điều chế 16-QAM. Tín hiệu nhận được là 10 khung (N=10). Các khung này có giá trị SNR giảm dần so với tín hiệu SNR của khung đầu tiên SNR_max=5 (dB) theo bảng sau:

Bảng 5. SNR của các khung truyền dữ liệu

Khung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

SNR 1 1.4142 2.2361 3.1623 3.8730 4.4721 5 5.4772 5.9161 6.3246

Hình 4.8. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần

Từ Hình 4.8 ta nhận xét là việc sử dụng 3 khung tốt nhất trong số 10 khung tín hiệu nhận được là có hiệu quả. Việc sử dụng thêm các khung có chất lượng tín hiệu kém khơng làm tăng hiệu quả giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC. Tuy nhiên đây chỉ là kết quả mô phỏng với giá trị SNR ở trong Bảng 5.

Trong Hình 4.9 trục SNR là giá trị SNR nhỏ nhất các khung cịn lại có giá trị SNR tăng dần với bước tăng 2dB. Kết quả cho thấy việc sử dụng kỹ thuật MRC để kết hợp giải mã N khung tín hiệu là khơng hiệu quả. Phương pháp đề xuất có hiệu quả xấp xỉ với phương