2. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN
5.2. Mô hình mô phỏng hệ thống STBC-OFDM
5.2.1. Mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng hệ thống STBC – OFDM đƣợc cho ở hình 5-1. Dữ liệu của ngƣời dùng là dãy ngẫu nhiên với các bit 0,1. Dữ liệu nhị phân này đƣợc đƣa qua bộ điều chế (BPSK, QPSK, 16QAM…), tiếp theo dữ liệu sau điều chế đƣợc đƣa đến khối STBC (alamouti 2x2) và sau đó đƣa tới bộ điều chế OFDM. Dữ liệu sau điều chế OFDM đƣợc phát qua kênh vô tuyến đến máy thu. Máy thu sẽ thực hiện ngƣợc các công việc với phía phát. Dữ liệu nhị phân sẽ đƣợc khôi phục và so sánh với dữ liệu ban đầu.
Dữ liệu
Pilot Điều chế AlamoutiMã
IFFT Nối tiếp/
Song song
Nối tiếp/
Song song IFFT
Chèn khoảng bảo vệ Chèn khoảng bảo vệ Song song/ Nối tiêp Song song/ Nối tiếp Giải mã tối ưu Song song/ Nối tiêp Song song/ Nối tiếp Gỡ khoảng bảo vệ Gỡ khoảng bảo vệ FFT FFT Ước lượng kênh Khối kết hợp Giải điều chế
Hình 5.1. Mô hình hệ thống STBC – OFDM (alamouti 2x2)
5.2.2. Giới thiệu chƣơng trình mô phỏng
Chƣơng trình mô phỏng đƣợc thiết kế bằng ngôn ngữ Matlab và đƣợc tổ chức thành từng module.
- Tính module cho phép cải tiến, phát triển và nâng cấp sau này
- Do có tính module nên thuận lợi cho việc kiểm tra, đánh giá, khảo sát mô hình ở dạng rời rạc và liên kết.
Dƣới đây là giao diện bắt đầu chƣơng trình mô phỏng.
Chức năng Giới thiệu: Giới thiệu về chƣơng trình mô phỏng, bao gồm
cách thức sử dụng chƣơng trình, các vấn đề đƣợc đề cập đến trong mô phỏng.
Chức năng STBC - OFDM:
Mục đích: Mô phỏng tuyến truyền dẫn STBC-OFDM
Giao diện: giao diện xuất hiện khi nhấn nút STBC-OFDM trên giao diện chính.
Hình 5.3. giao diện mô phỏng tuyến truyền dẫn STBC - OFDM
- Phía bên phải là các dữ liệu đầu vào và phần điều khiển.
Nút Bắt đầu mô phỏng: thực hiện quá trình mô phỏng, Nút Giao diện chính: cho phép quay lại giao diện chính
Nút Reset về mặc định: cho phép reset các giá trị trở lại giá trị mặc định ban đầu
- Phía trái: vùng hiển thị kết quả mô phỏng, bao gồm đáp ứng kênh truyền, tín hiệu OFDM miền thời gian, phổ OFDM, ngoài ra còn thể hiện giản đồ chòm sao tín hiệu …
Chức năng BER:
Mục đích: Đánh giá về hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM Giao diện: sau khi nhấn vào nút BER sẽ xuất hiện giao diện nhƣ sau.
Hình 5.4. Giao diện mô phỏng BER (STBC – OFDM và OFDM)
Giao diện đƣợc chia làm 4 vùng:
Vùng bên trái và bên phải phía trên hiển thị BER cho trƣờng hợp hệ OFDM có sử dụng mã STBC và không sử dụng mã STBC
Phía dƣới là phần dữ liệu vào và điều khiển.
Chức năng Thoát: đóng chƣơng trình mô phỏng 5.3. Mô phỏng
5.3.1. Thiết lập các thông số hệ thống
- Tốc độ bit là 10 Mbps
- Các mô hình điều chế số băng gốc: BPSK, QPSK, 16QAM - Kỹ thuật MIMO đƣợc sử dụng là Alamouti STBC 2x2
sóng mang con zero padding (băng bảo vệ), các sóng mang con dẫn đƣờng và các sóng mang con dữ liệu.
- Kênh vô tuyến: mô phỏng tạo kênh đa đƣờng Rayleigh pha đinh biến đổi theo thời gian và PDF của kênh có thể đƣợc cấu hình tùy chọn.
- Thuật toán tách sóng tín hiệu: Hệ thống sử dụng thuật toán tách sóng hợp lý nhất MLD (Maximum Likelihood Detection) nhƣ đã đƣợc giới thiệu trong các chƣơng trƣớc.
Giao diện thiết lập các thông số nhƣ sau:
Ngoài các thông số hiện thị sẵn trên màn hình, ngƣời dùng cũng có thể lựa chọn các thông số khác khi mô phỏng, sử dụng nút Reset mặc định để đƣa về thiết lập mặc định ban đầu.
5.3.2. Mô phỏng hệ truyền thông STBC – OFDM (MIMO - OFDM) Xét trƣờng hợp sử dụng QPSK Xét trƣờng hợp sử dụng QPSK
Luồng bit tốc độ 10 Mbps đƣợc điều chế QPSK, hiệu suất phổ là 2, cùng với OFDM 256 sóng mang con trực giao giúp hiệu quả phổ tăng gần gấp 2 lần nữa, nhƣ vậy băng thông chiếm dụng của hệ thống chỉ còn xấp xỉ 2.5 MHz. Nếu đƣợc điều chế băng cơ sở với mức nhiều hơn nữa, cụ thể là 16 QAM, 64 QAM… thì độ rộng băng chiếm dụng sẽ giảm tiếp nhƣng BER tăng.
Hình 5.5. Chuỗi bit truyền và nhận
Hình 5.6. Tín hiệu OFDM miền thời gian
Dạng tín hiệu OFDM đầu ra một anten phát trên miền thời gian sau bộ lọc nội suy bên phát. Hệ số khoảng bảo vệ GI đƣợc chọn bằng 1/8, tức là độ dài tiền tố vòng CP sẽ bằng 1/8 độ dài ký hiệu OFDM để chống lại pha đing chọn lọc tần số gây ra bởi truyền dẫn đa đƣờng (ở đây là kênh vô tuyến 5 tuyến trải trễ với đáp ứng xung tuân theo phân bố Rayleigh). Ngoài ra, trƣớc khi thực hiện IFFT bên phát thì các dữ liệu cũng đƣợc chèn 0 bằng các sóng mang con ZP để hạn chế phổ tín hiệu phát.
Hình 5.7. Phổ tín hiệu OFDM (QPSK)
Hình 5.8. Giản đồ chòm sao phát và thu trƣớc khi giải điều chế
Các đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten thu-phát đƣợc sử dụng thuật toán LS(least squared) và kĩ thuật chèn pilot dạng răng lƣợc.
Hình 5.9. Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten thu-phát
Ngoài ra có thể thay đổi một số trƣờng hợp khi lựa chọn điều chế BPSK hay 16QAM.
Kết quả ứng với trƣờng hợp sử dụng điều chế BPSK
Hình 5.10. Chuỗi bít truyền và nhận(BPSK)
Hình 5.12. Phổ tín hiệu OFDM (BPSK)
Hình 5.14. Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten phat-thu (BPSK) Kết quả ứng với trƣờng hợp điều chế 16-QAM:
Hình 5.15. Tín hiệu OFDM miền thời gian (16QAM)
Hình 5.17. Giản đồ chòm sao phát và thu trƣớc khi giải điều chế (16QAM)
Hình 5.18. Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten phat-thu (16QAM)
5.3.3. Mô phỏng đánh giá hiệu năng STBC – OFDM và OFDM
Để quan sát hiệu năng của mỗi lần thực hiện mô phỏng (hệ OFDM có dùng STBC và không dùng STBC) chƣơng trình mô phỏng đã thiết kế giao diện hiển thị ở 2 bên để tiện so sánh.
Hiệu năng BER của hệ thống thông qua kết quả BER trong mỗi lần phát ký hiệu (giá trị hiển thị trên nhãn “BER” trong phần hiển thị kết quả trên giao diện mô phỏng)
Giao diện hiển thị hiệu năng BER sẽ đƣợc hiển thị khi kết thúc quá trình mô phỏng truyền dữ liệu, để hiển thị kết quả cho trƣờng hợp mới nhất.
Dƣới đây là những kết quả đánh giá hiệu năng BER cho trƣờng hợp mô phỏng hệ thống OFDM có sử dụng STBC và không sử dụng STBC.
Kết quả hiệu năng BER của hệ thống OFDM có sử dụng STBC và không sử dụng STBC
Đối tƣợng so sánh: giữa hệ thống OFDM sử dụng STBC và không sử
dụng STBC
Phƣơng pháp so sánh: so sánh hiệu năng BER của 2 hệ thống trên khi số
trạng thái điều chế sóng mang con là: BPSK, QPSK, 16QAM.
Trƣờng hợp 1: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là BPSK - Kỹ thuật MIMO đƣợc sử dụng là Alamouti STBC 2x2
- Điều chế OFDM với thuật toán IFFT 256 sóng mang con bao gồm các sóng mang con zero padding (băng bảo vệ), các sóng mang con dẫn đƣờng và các sóng mang con dữ liệu.
- Kênh vô tuyến: mô phỏng tạo kênh đa đƣờng Rayleigh pha đinh biến đổi theo thời gian và PDF của kênh có thể đƣợc cấu hình tùy chọn.
Hình 5.19. Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (BPSK)
Trƣờng hợp 2: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là QPSK - Kỹ thuật MIMO đƣợc sử dụng là Alamouti STBC 2x2
- Điều chế OFDM với thuật toán IFFT 256 sóng mang con bao gồm các sóng mang con zero padding (băng bảo vệ), các sóng mang con dẫn đƣờng và các sóng mang con dữ liệu.
- Kênh vô tuyến: mô phỏng tạo kênh đa đƣờng Rayleigh pha đinh biến đổi theo thời gian và PDF của kênh có thể đƣợc cấu hình tùy chọn.
Với điều kiện này ta có kết quả.
Trƣờng hợp 3: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là 16-QAM - Kỹ thuật MIMO đƣợc sử dụng là Alamouti STBC 2x2
- Điều chế OFDM với thuật toán IFFT 256 sóng mang con bao gồm các sóng mang con zero padding (băng bảo vệ), các sóng mang con dẫn đƣờng và các sóng mang con dữ liệu.
- Kênh vô tuyến: mô phỏng tạo kênh đa đƣờng Rayleigh pha đinh biến đổi theo thời gian và PDF của kênh có thể đƣợc cấu hình tùy chọn.
Với điều kiện này ta có kết quả.
Hình 5.21. Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (16-QAM) Phân tích kết quả:
Từ các kết quả chạy mô phỏng về hiệu năng của hệ thống STBC-OFDM (Alamouti 2x2 ) và hệ thống OFDM.
Nhận thấy, độ dốc của hệ thống STBC- OFDM (đặc trƣng cho hệ thống MIMO 2x2) lớn hơn rất nhiều so với độ dốc của hệ thống OFDM. Phẩm chất này có đƣợc là do độ lợi phân tập Gd = 4 (tích số giữa số anten phát(2) và số anten thu (2)) của hệ thống STBC - OFDM (STBC Alamouti 2x2) so với hệ thống OFDM (SISO) truyền thống. Với tính chất của mã Alamouti là phân tập toàn phần, xác suất lỗi bit của hệ thống MIMO Alamouti 2x2 sẽ giảm tỉ lệ với hàm mũ của hệ số phân tập.
Cụ thể hơn ta có nhận xét: Về mặt lỗi bit.
BER Có dùng STBC 3.10
-3.5
2.10-2.5 1.10-1.3 Không dùng STBC 1.10-1.8 1.10-1.5 1.10-0.7 Tại SNR=14dB, từ các đồ thị 5-19, 5-20, 5-21
Loại điều chế BPSK QPSK 16QAM
BER Có dùng STBC 4.10
-4.8
3.10-3.8 1.10-1.8 Không dùng STBC 2.10-2.2 1.10-1.8 1.10-0.8
Về mặt năng lƣợng.
Với lỗi bit 10-2, từ các đồ thị 5-19, 5-20, 5-21.
Loại điều chế BPSK QPSK 16QAM
SNR Có dùng STBC 5.5 9 15
Không dùng STBC 14 20
5.4. Kết luận chƣơng
Chƣơng này đã giới thiệu tính năng của chƣơng trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn STBC – OFDM. Phân tích phƣơng pháp mô phỏng STBC - OFDM, phân tích các thông số hệ thống truyền dẫn STBC - OFDM. So sánh hiệu quả của hệ thống OFDM sử dụng mã STBC và không sử dụng mã STBC, tiêu chí so sánh đƣợc thể hiện thông qua đánh giá tỷ số bit lỗi qua 2 hệ thống này. Chính kết quả rất quan trọng này giúp đánh giá hiệu năng BER của hệ thống có sử dụng STBC đối với mọi loại điều chế đều tốt hơn hệ thống không dùng STBC.
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Qua quá trình thực hiện đồ án, em đã tìm hiểu và thu nạp thêm nhiều kiến thức về công nghệ mạng di động cũng nhƣ những kỹ thuật tiên tiến nhƣ MIMO và OFDM. Đồ án cũng đã thực hiện mô phỏng thành công hệ thống OFDM có sử dụng mã khối không thời gian qua đó đánh giá đƣợc hiệu năng của hệ thống OFDM có sử dụng mã khối không thời gian so với trƣờng hợp không sử dụng mã. Đồ án đã thực hiện đƣợc các công việc sau:
- Tổng quan về hệ thông tin vô tuyến nhiều anten, mô hình hệ thống MIMO.
- Đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật phân tập anten, đây là kỹ thuật rất quan trọng trong hệ MIMO để nâng cao ổn định trong quá trình truyền dữ liệu.
- Tìm hiểu nguyên lý Alamouti, mã khối không thời gian. Mã hóa không thời gian là một kỹ thuật nhằm nâng cao dung lƣợng truyền dữ liệu, giải quyết nhu cầu ngày càng cao của ngƣời dùng về tốc độ đƣờng truyền.
Tuy vậy, đồ án mới chỉ dừng ở mức mô phỏng mã khối Alamouti 2x2. Mã không thời gian Alamouti trong kỹ thuật MIMO hiện đang là kỹ thuật đƣợc kỳ vọng trong hệ thống truyền thông vô tuyến hiện đại. Nó có ứng dụng vào cuộc sống thực tế là rất rộng rãi. Kết hợp MIMO vào công nghệ khác nhƣ MIMO - OFDM, hay ứng dụng vào công nghệ WIMAX- một công nghệ băng rộng không dây đang phát triển rất mạnh hiện nay. Khóa luận tuy chỉ đề cập tới khía cạnh nhỏ và còn nhiều thiếu sót nhƣng nó gợi lên khả năng phát triển mới- công nghệ MIMO - OFDM.
Trong thời gian tới, mục đích phát triển của đồ án sẽ là thực hiện mô phỏng toàn bộ thuật toán băng gốc. Các thuật toán nâng cao hiệu năng của hệ thống nhƣ ghép xen, mã hóa kênh, xóa trộn…Các lựa chọn khác về MIMO nhƣ ghép kênh theo không gian SM hay mã lƣới không gian thời gian STTC cũng có thể đƣợc lựa chọn thay cho mã STBC Alamouti. Các cấu hình MIMO mới nhƣ 4x4, 8x8 phức tạp hơn cũng sẽ đƣợc đề cập đến.
Tiếng Việt
1. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2002), Thông tin di động thế hệ thứ 3, Nhà
xuất bản bƣu điện.
2. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Lý thuyết trải phổ và ứng dụng, Nhà
xuất bản bƣu điện.
3. PGS.TS Nguyễn Quốc Bình (2011), Kĩ thuật truyền dẫn số, Nhà xuất bản
Quân đội nhân dân.
4. PGS.TS Nguyễn Quốc Trung (2006), Xử lý tín hiệu và lọc số, Nhà xuất bản
khoa học và kĩ thuật.
Tiếng Anh
5. Branka Vucetic and Jinhong Yuan (2003), Space time coding, John Wiley & Sons Ltd, England.
6. Marvin K. Simon and Mohamed-Slim Alouini (2005), Digital Communication over Fading Channels, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION
7. Theodore S.Rappaport (1996), Wireless Communication, Prentice Hall .
8. Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung G. Kang (2010), MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd .
9. Hui Liu, Guoqing Li (2005), OFDM- Based Broadband Wireless Networks, Wiley Interscience.
10. Luis Miguel Cort´ es-Pe˜ na (2009), MIMO Space-Time Block Coding (STBC): Simulations and Results, CORTES-PENA; ECE6604: PERSONAL & MOBILE COMMUNICATIONS; PRESENTED TO DR. GORDON ST ¨ UBER