Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Thiết kế mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao kết hợp điều chế không gian

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài tiến hành nghiên cứu Kỹ thuật mã hóa mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) kết hợp với điều chế không gian (SM) nhằm được các mục tiêu: Tăng hiệu suất sử dụng phổ tần; đạt được phân tập phát; tách sóng ML đơn giản.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Thiết kế mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao kết hợp điều chế không gian

1 GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay kỹ thuật truyền dẫn nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) là những giải pháp đầy triển vọng và hiện tại đã được ứng dụng trong mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên các kênh vô tuyến pha-đinh mà vẫn đảm bảo độ tin cậy cao và hiệu quả sử dụng phổ tần lớn. Để khai thác ưu điểm của hệ thống MIMO, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đề xuất các giải pháp để cải thiện chất lượng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống, kỹ thuật điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) bằng cách kết hợp SM với mã Alamouti (làm mã STBC hạt nhân) của Basar và các cộng sự là một trong những bước tiến quan trọng nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy truyền tin. Tiếp tục phát triển các nghiên cứu của nhiều công trình trước đây, tác giả tập trung nghiên cứu khai thác tính đơn giản trong tách sóng của mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao (OSTBC) và kết hợp với điều chế không gian nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng chất lượng của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo tính đơn giản trong tách sóng khôi phục tín hiệu ở máy thu. Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu Kỹ thuật mã hóa mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) kết hợp với điều chế không gian (SM) nhằm được các mục tiêu: tăng hiệu suất sử dụng phổ tần; đạt được phân tập phát; tách sóng ML đơn giản. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa mô hình hóa, giải tích với mô phỏng Monte-Carlo. Phương pháp mô hình hóa, giải tích được sử dụng để thiết lập phương
2 trình hệ thống, kết hợp và khôi phục tín hiệu ở máy thu cũng như tính toán các giới hạn trên của tỷ lệ lỗi bit (BER). Mô phỏng Monte-Carlo sẽ được sử dụng để ước lượng được các tham số đánh giá chất lượng hệ thống như BER và sai số bình phương trung bình (MSE). Đối tượng nghiên cứu Kênh vô tuyến; các hệ thống phân tập; các hệ thống mã hóa khối không gian thời gian; các hệ thống điều chế không gian; các hệ thống kết hợp giữa mã khối không gian thời gian (STBC) và điều chế không gian/khóa dịch không gian (SM/SSK). Phạm vi nghiên cứu Các mã khối không gian thời gian, mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao, các tiêu chuẩn thiết kế. Các phương pháp điều chế không gian, điều chế không gian kết hợp mã khối không gian thời gian. Bố cục luận án Luận án được trình bày 97 trang ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án chia thành 3 chương. Chương 1: Tổng quan về kênh MIMO và mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao. Chương 2: Điều chế không gian và điều chế không gian mã khối không gian thời gian. Chương 3: Mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH MIMO VÀ MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN CẤU TRÚC TRỰC GIAO 1.1. Hệ thống MIMO và kỹ thuật phân tập không gian. 1.1.1. Hệ thống MIMO. Để tăng dung lượng các hệ thống thông tin không dây ta bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Các hệ thống có nhiều ăng-ten cả ở
3 máy phát và máy thu (gọi là hệ thống MIMO) có thể giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên gấp nhiều lần so với các hệ thống đơn ăng-ten truyền thống. Véc-tơ tín hiệu thu y với kích thước nR ×1 của một hệ thống MIMO điểm điểm với nT ăng-ten phát và nR ăng-ten thu như Hình 1.1 được cho bởi biểu thức: y = Hx + n (1.5) Trong đó giả thiết kênh truyền MIMO là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm, x là tín hiệu phát trong mỗi chu kỳ ký hiệu có kích thước nT ´ 1. H và n tương ứng là kênh truyền MIMO kích thước nR ´ nT và véc-tơ tạp âm kích thước nR ´ 1. Kênh n R  nT MIMO 1 h11 1 y1 x1 h 21 2 h12 2 n1 Bộ mã hóa x2 h 22 y2 Bộ giải mã không gian hn R 2 h 2nT không gian thời gian n2 thời gian nT h1nT hn R 1 nR x nT ynR hn R nT n nR Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO. 1.1.2. Kỹ thuật phân tập không gian. Phân tập không gian được chia thành 2 loại: phân tập thu và phân tập phát. Phân tập phát là kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều ăng-ten ở phía phát để truyền đi các tín hiệu được tổ chức theo một phương thức nào đó nhằm tạo ra các tín hiệu chịu pha-đinh không tương quan ở phía máy thu. Máy thu có thể kết hợp các tín hiệu thu được để làm giảm các tác động của pha-đinh và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống.
4 1.2. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian - Mã Alamouti. 1.2.1. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian. A. Tiêu chuẩn hạng và định thức. Mã có bậc phân tập đầy đủ nT nR CD(X1,X2) có khi ma trận hạng đầy đủ. Khoảng độ lợi mã (CGD) giữa hai từ mã X1 và X2 là CGD(X 1,X 2) =det(CD(X1,X2)), nên độ lợi mã hóa liên quan tới định thức của ma trận CD(X1,X 2). Vì vậy, một tiêu chuẩn thiết kế tốt đảm bảo bậc phân tập đầy đủ là với các giá trị từ mã có thể Xi và X j , i ¹ j , ma trận CD(Xi ,X j ) có hạng đầy đủ - Tiêu chuẩn hạng. Để tăng độ lợi mã hóa cho một mã có bậc phân tập đầy đủ, một tiêu chuẩn thiết kế tốt khác là cực đại hóa định thức cực tiểu của các ma trận CD(Xi ,X j ) với tất cả các giá trị i ¹ j - Tiêu chuẩn định thức. B. Tiêu chuẩn vết. Xác suất lỗi cặp liên quan tới metric|| D(X1,X2)||F. Tiêu chuẩn vết nói rằng cần phải cực đại hóa khoảng cách cực tiểu || D(Xi ,X j )||F trong tất cả i ¹ j . Tiêu chuẩn này gọi là tiêu chuẩn vết vì || D(X1,X2)||2F= tr[CD(X1,X2)]. 1.2.2. Mã Alamouti. Mã Alamouti là mã khối không gian thời gian đầu tiên dùng cho các hệ thống có hai antenna phát. Đặc tính cơ bản của mã Alamouti là đạt được bậc phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã hợp lý cực đại đơn giản.
5 Ăng-ten 1 Ăng-ten 2 2b bit x1, x 2 Thời gian 1 x 1 x2 Tính toán ký tự Các anten phát Thời gian 2 x * 2 x 1* Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát cho mã Alamouti. æ ö X = ççç * *÷÷÷÷ ç x1 x2 Từ mã truyền là: (1.18) çè-x2 x1 ÷ ø y1,j , y2,j xk Chọn ký tự xˆk Tính x 1 , x 2 gần nhất nR x 1   [y 1, j h1,* j +y 2,* j h 2, j ] j 1 nR x 2   [y 1, j h 2,* j - y 2,* j h1, j ] j 1 Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ thu cho mã Alamouti với MRC. 1.3. Các cấu trúc trực giao. Để thu được bậc phân tập đầy đủ nT do nT ăng-ten phát cung cấp, ma trận mã truyền X được thiết kế trên cơ sở trực giao sao cho: N X.X = kå | xi |2 InT H (1.28) i=1 trong đó N là số lượng phần tử của tập hợp ký hiệu phát phức mà bộ mã hóa STBC ánh xạ sang ma trận phát X , k là một hằng số. Loại mã này được gọi là mã STBC trực giao (OSTBC). Với mã STBC trực giao, các véc-tơ phát từ các ăng-ten trực giao với nhau. Tốc độ truyền dẫn tối đa của các mã STBC trực giao có bậc phân tập đầy đủ là 1, tức là, R£ 1, trong đó mã Alamouti là bộ mã cho tín hiệu phức duy nhất cho phép đạt được đồng thời cả bậc phân tập đầy đủ và tốc độ đầy đủ.
6 x1 1 1 Mã hóa Giải mã {x i } không gian n1 {xˆ } không gian i thời gian X x n thời gian T nT nR n nR Hình 1.4: Sơ đồ bộ mã hóa cho mã khối không gian thời gian trực giao. Tuỳ theo chòm sao tín hiệu, có thể thiết kế được các bộ mã STBC trực giao khác nhau dành cho tập tín hiệu thực và tập tín hiệu phức. 1.3.1. Mã OSTBC cho tập tín hiệu thực. Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ thống nT ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu thực thoả mãn điều kiện trực giao như sau: N XnT X = kå | xi |2 InT T nT (1.30) i=1 1.3.2. Mã OSTBC cho tập tín hiệu phức. Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ thống nT ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu phức thoả mãn điều kiện trực giao như sau: N XnT X = kå | xi |2 InT H nT (1.31) i=1 1.4. Kết luận. Chương 1 trình bày về hệ thống MIMO, mô hình hệ thống và các giả thiết về kênh truyền, về tạp âm. Giới thiệu sơ lược phân tập ăng-ten, mã không gian thời gian và các tiêu chuẩn thiết kế. Mã khối không gian thời gian trực giao là các lớp mã hấp dẫn đối với việc thực hiện phân tập
7 nhờ vào tính phân tập đầy đủ và các thuật toán giải mã đơn giản của chúng. Đây là một phần nền tảng lý thuyết cho phép nghiên cứu sinh thực hiện các nghiên cứu ở các chương tiếp theo. Chương 2: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 2.1. Giới thiệu. Kỹ thuật ghép kênh theo không gian V-BLAST gây ra hiện tượng nhiễu đồng kênh (ICI) làm cho độ phức tạp của bộ giải mã hợp lệ cực đại (ML) tăng lên theo hàm mũ với số lượng ăng-ten phát. Trong chương này, luận án giới thiệu về kỹ thuật điều chế không gian (SM), đây là phương pháp hiệu quả để loại bỏ ICI. Trình bày phương pháp điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) do Basar và các cộng sự đề xuất nhằm phát huy những lợi thế của SM cũng như STBC. Luận án đề xuất mã STBC-SM tốc độ cao, gọi là mã HR-STBC- SM. Trong đó giới thiệu khái niệm mới về các ma trận từ mã chòm sao tín hiệu không gian (từ mã SC). Khi đó, các ma trận từ mã của hệ thống HR-STBC-SM sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trận từ mã Alamouti với các ma trận từ mã SC. Để minh họa, nghiên cứu sinh đề xuất hai hệ thống HR-STBC-SM cho 4 và 6 ăng-ten phát với số từ mã SC lần lượt là 8 và 16. 2.2. Kỹ thuật điều chế không gian. 2.2.1. Mô hình hệ thống. Hình 2.1 trình bày nguyên lý hoạt động của kỹ thuật điều chế không gian (SM). Trong mỗi chu kỳ tín hiệu, một ăng-ten được kích hoạt và phát đi một ký hiệu trong chòm sao QAM hoặc PSK. Với nT = 4 ăng-ten phát và sử dụng điều chế BPSK, hệ thống SM có thể truyền đi 3 bit trong mỗi chu kỳ tín hiệu.
8 Tx1 Rx1 Tx2 H (n) Rx2 Bộ điều chế + Bộ giải điều SM chế SM x(n) s(n) Tx3 AWGN Rx3 y(n) x(n ) Tx4 Rx4 Nhóm bit Chỉ số Ký tự anten 000 1 -1 001 1 +1 0 1 . 010 2 -1 0 0 . 011 2 +1 -1 0 ... 1 0 1 0 1 0 1 0 ... . 100 3 -1 0 +1 0 1 q(k) 101 3 +1 0 0 110 4 -1 x(n) 111 4 +1 s(n) Hình 2.1: Mô hình hệ thống mã hóa không gian và bảng ánh xạ tới chỉ số ăng-ten và các từ mã BPSK. 2.2.2. Các thuật toán khôi phục tín hiệu cho kỹ thuật điều chế không gian. Thuật toán khôi phục tín hiệu gần tối ưu: Thuật toán này gọi là thuật toán i-MRC và được mô tả như sau: gj = hjHy, víi j = 1: nT (2.4) é ùT g = êëg1 g2 L gnT úû (2.5) k%= argmax| j g| (2.6) æ ç ö ÷ s% k = q g ÷ çè (j=k%)ø ÷ (2.7) %dựa vào Khôi phục x k%và s% k , trong đó q(.) biểu thị toán tử quyết định hay lượng tử hóa. Thuật toán khôi phục tín hiệu tối ưu:
9 Bộ tách tối ưu dựa trên nguyên tắc hợp lệ cực đại như sau: éjˆ,qˆù= argmin p y | s ,H ( ) êë ú û j,q Y jq 2 (2.8) = argmin j,q r gjq - 2Â{y gjq} H với gjq = hjsq,1£ j £ nT ,1£ q £ M. Ta có thể thấy rằng phương pháp tách tối ưu khôi phục đồng thời cả chỉ số ăng-ten và ký hiệu phát. 2.3. Kỹ thuật điều chế không gian mã khối không gian thời gian. 2.3.1. Thiết kế và tối ưu hệ thống STBC-SM. Thuật toán thiết kế mã STBC-SM được tóm tắt như sau: 1. Với nT ăng-ten phát, số tổ hợp chập 2 của nT ăng-ten là c = êêæçççççènT2 ÷÷÷÷÷øöúúp , trong êë úû2 đó p là một số nguyên dương. 2. Số từ mã trong mỗi sách mã ci ,i = 1,2,L , n - 1, a = ê n ú êëT 2 úûvà tổng số sách mã n = é ù êca ú. Số lượng từ mã trong sách mã cuối cùng là a' = c - a(n - 1). 3. Khởi đầu xây dựng sách mã c1 với a từ mã không can nhiễu lẫn nhau. 4. Tương tự, xây dựng ci , i = 2,L , n, dựa trên các điều kiện: mỗi sách mã phải bao gồm các từ mã không can nhiễu lẫn nhau được chọn từ các tổ hợp chập 2 của nT ăng-ten phát và chưa được sử dụng trong các sách mã đã xây dựng trước đó. 5. Xác định góc quay qi cho mỗi ci , 2 £ i £ n , sao cho dmin (c) đạt giá trị cực đại ứng với một chòm sao tín hiệu và một cấu hình ăng-ten cho trước: tức là, opt = argmax dmin (c ).  2.3.2. Bộ giải mã tối ưu cho hệ thống STBC-SM. Xét một hệ thống MIMO gồm nT ăng-ten phát và nR ăng-ten thu
10 trong kênh truyền pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm. Ma trận tín hiệu thu Y , kích thước nR ´ 2: Y = r HXc + N (2.16) m Giả thiết mã STBC-SM bao gồm c từ mã. Bộ giải mã hợp lệ cực đại (ML) lựa chọn ra ma trận tối thiểu hóa phương trình sau: 2 Xˆ c = argmin Y - r HX (2.17) Xc Î c m c r éx1ù Nhờ tính trực giao, (2.16) trở thành: y = Hc êêx úú+ n (2.18) m êë 2úû Máy thu ước lượng tối ưu của các ký hiệu x1 và x2 như sau: 2 2 xˆ1,l = argmin y - r h x ;xˆ = argmin y - r h x (2.20) x1Î g m l,1 1 2,l x2Î g m l,2 2 Các khoảng cách ML m1,l và m2,l tương ứng với x1 và x2 là 2 2 r r m1,l = min xÎg y- h x ;m2,l = min m l,1 1 x Îg y- hx m l,2 2 (2.21) 1 2 Khoảng cách ML tổng ứng với một phiên bản của kênh truyền là ml = m1,l + m2,l,0£ l £ c - 1. Máy thu quyết định chọn khoảng cách ML tối thiểu theo biểu thức lˆ = argminml và từ đó quyết định các ký l ˆ1,xˆ2) = (xˆ1,lˆ,xˆ2,lˆ ). Tổng số phép tính trong (2.17) giảm từ hiệu phát là (x cM2 xuống 2cM. 2.4. Đề xuất điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao.
11 2.4.1. Mô hình hệ thống và khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu không gian. A. Mô hình hệ thống. Xét một hệ thống nhiều ăng-ten với nT ăng-ten phát và nR ăng- ten thu, được gọi là hệ thống (nT ,nR), hoạt động trong một kênh truyền MIMO pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm. Luận án sử dụng các từ mã Alamouti 2´ 2 X Î WX làm từ mã hạt nhân, với các phần tử trong từ mã được lấy từ chòm sao tín hiệu M-QAM hoặc M-PSK. Khi đó, ma trận tín hiệu thu nR ´ 2 Y được cho bởi biểu thức: Y = gHC + N = gHSX + N (2.22) B. Đề xuất khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu không gian. Đặt H %= HS là ma trận kênh tương đương. Ta gọi S là các từ mã chòm sao tín hiệu không gian (hay từ mã SC). Do X đã được biết trước, bài toán thiết kế các từ mã STBC-SM tốc độ cao C quy về bài toán thiết kế các từ mã SC đơn giản hơn. Đây chính là ý tưởng xuyên suốt của luận án cho phép nghiên cứu sinh thiết kế được các từ mã trong các hệ thống SM-MIMO khác nhau. 2.4.2. Hệ thống HR-STBC-SM và kỹ thuật khôi phục tín hiệu. A. Thiết kế các từ mã SC. æ çe jqa ö ÷ æ ç 0 ö ÷ çç 0 ÷ Đặt các sq và s có dạng: sq = ç ÷; sq = ç ÷trong đó q là - jqa ÷ * * ÷ ç çè- e ÷ è ÷ ÷ q ø ø a là góc pha cần được xác định. một số nguyên bất kỳ và Chòm sao tín hiệu không gian W S cho nT = 4 ăng-ten phát bao gồm Q= 8 từ mã SC như sau:
12 T T ( ) S1 = s0 s*0 0 0 ;S2 = 0 0 s0 s*0 T ( ) ( T ) ( S3 = 0 s1 s1* 0 ;S4 = s1 0 0 s1* ;S5:8 = ejqS1:4 ) Tương tự như vậy, chòm sao tín hiệu không gian WS cho nT =6 ăng-ten phát bao gồm Q= 16 từ mã SC như sau: T T ( ) ( S1 = s0 s*0 0 0 0 0 ;S2 = 0 0 s0 s*0 0 0 T T ) ( ) ( S3 = 0 0 0 0 s0 s*0 ;S4 = 0 s1 s1* 0 0 0 T T ) ( ) ( S5 = 0 0 0 s1 s1* 0 ;S6 = s1 0 0 0 0 s1* T ) T S = (s 7 2 0 s2* 0 0 0) ;S = (0 8 s2 0 s2* 0 0) ;S 9:16 = ejqS1:8 Dựa trên các tiêu chí về hạng ma trận và định thức ma trận và sử dụng tìm kiếm triệt để bằng máy tính, nghiên cứu sinh tìm được các giá trị tối ưu aopt và qopt dựa trên công thức (2.25) và trình bày như trên Bảng 2.2. dmin (a, q)= Cmindet k ¹ Cl ((C k - Cl )H (Ck - Cl )) (2.25) (aopt,qopt )= max a,q min d (a, q) trong đó Ck và Cl là hai từ mã HR-STBC-SM khác nhau. Bảng 2.2: Các giá trị góc pha tối ưu của các từ mã SC ứng với các chòm sao tín hiệu QAM khác nhau. nT M aopt qopt dmin (aopt , qopt ) 2 1.323 0.844 1.4 4 0.963 1.318 3.99 4 8 0.963 1.318 3.99 16 0.75 1.318 3.97 2 0.785 1.178 1.21 4 1.178 1.408 1.68 6 8 1.178 1.36 1.04 16 1.178 0.948 0.44
13 B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống HR-STBC-SM. Giả sử máy thu biết chính xác kênh truyền. Quá trình giải mã, khôi phục tín hiệu được tóm tắt như sau: 1. Ứng với mỗi ma trận Hq và mỗi cặp tín hiệu (x1,m,x2,m ) trong chòm sao tín hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau: 2 m a. d1,q = y - gh1,qx1,m với m = 1,L ,M . 2 m b. d2,q = y - gh2,qx2,m với m = 1,L ,M . min 2. Tìm d1,q m trong số M giá trị d1,q và xˆ1q tương ứng với d1,q min . min trong số M giá trị dm và x 3. Tìm d2,q 2,q ˆ2q tương ứng với d2,q min . 4. Tính dq = d1min min ,q + d2,q với q = 1,L ,Q. 5. Tìm chỉ số qˆ tương ứng với khoảng cách tối thiểu dqmin trong tổng số Q giá trị khoảng cách dq . 6. Ma trận SC và các ký hiệu phát được xác định bởi Sˆ = Sqˆ và (xˆ ,xˆ )= (xˆ ,x ). 1 2 qˆ 1 qˆ 2 2.4.3. Phân tích phẩm chất hệ thống HR-STBC-SM. Phân tích phẩm chất lỗi bit của hệ thống HR-STBC-SM đề xuất bằng cách đánh giá xác suất lỗi cặp ký hiệu (PEP) và xây dựng một giới hạn trên cho xác suất lỗi bit của hệ thống. N- 1 N Pb £ å å P(Ci ® Cj )wi,j 2 (2.35) bN i=1 j=i 2.4.4 . Kết quả mô phỏng và thảo luận. Sử dụng mô phỏng Monte Carlo để đánh giá BER của mã đề xuất và so sánh với các hệ thống hiện có với giả thiết thông tin về trạng thái kênh truyền được máy thu biết rõ.
14 0 10 (nT, nR) = (4, 2), 4-QAM, Theory (nT, nR) = (4, 4), 4-QAM, Theory -1 (nT, nR) = (4, 2), 4-QAM, Simul 10 (nT, nR) = (4, 4), 4-QAM, Simul (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM, Theory -2 (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM, Theory 10 (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM, Simul (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM, Simul BER -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 0 3 6 9 12 15 18 21 Eb/N0 (dB) Hình 2.4: Các đường giới hạn trên theo lý thuyết và kết quả mô phỏng phẩm chất lỗi bit của hệ thống HR-STBC-SM đề xuất ứng. Qua mô phỏng thấy rằng có thể sử dụng biểu thức (2.35) làm công cụ đánh giá BER của các hệ thống HR-STBC-SM khi Eb N0 đủ lớn. 2.5. Kết luận. Luận án đưa ra khái niệm mới là các từ mã chòm sao tín hiệu không gian (từ mã SC) và dựa vào khái niệm này đề xuất mã điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao (HR-STBC-SM). Kết quả cho thấy, hệ thống HR-STBC-SM đạt được phân tập phát bậc 2 0 0 10 10 OSTBC, (nT, nR) = (4, 2), 64-QAM V-BLAST, (nT, nR) = (4, 4), BPSK OSTBC, (nT, nR) = (4, 4), 64-QAM Alamouti, (nT, nR) = (2, 4), 16-QAM -1 HR-STBC-SM, (nT, nR) = (4, 2), 8-QAM -1 Basar, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM 10 10 HR-STBC-SM, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM Basar, (nT, nR) = (8, 4), 4-QAM Basar, (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM HR-STBC-SM, (nT, nR) = (6, 4), 4-QAM -2 Basar, (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM -2 10 10 BER BER -3 -3 10 10 -4 -4 10 10 -5 -5 10 10 -6 -6 10 10 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 Eb/N0 (dB) Eb/N0 (dB) Hình 2.5: Các đường BER của mã HR- Hình 2.6: Các đường BER của mã đề STBC-SM đề xuất so với các đường xuất so với các đường BER của mã BER của mã STBC-SM đề xuất bởi STBC-SM đề xuất bởi Basar, V-BLAST Basar và của mã STBC trực giao. của mã STBC của Alamouti.
15 tương tự như với hệ thống STBC-SM nhưng có hiệu quả sử dụng phổtần cao hơn 0,5 bpcu khi có cùng số ăng-ten phát. Nhờ đó, mã HR-STBC- SM cho phép tiết kiệm được một số ăng-ten phát khi có cùng hiệu quả sử dụng phổ tần mà phẩm chất lỗi bit vẫn đạt xấp xỉ so với mã STBC- SM. Kết quả mô phỏng còn cho thấy, trong hầu hết các trường hợp, mã HR-STBC-SM có phẩm chất lỗi bit tốt hơn rất nhiều so với phẩm chất lỗi bit của các mã Alamouti, OSTBC tốc độ 3/4 và V-BLAST. Chương 3: MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRỰC GIAO KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN 3.1. Giới thiệu. Trong chương này, luận án đề xuất hai loại mã khối không gian thời gian mới gọi là mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian (SM-OSTBC). Đối với các mã SM-OSTBC do nghiên cứu sinh đề xuất, các ma trận từ mã phát đi (hay còn gọi là các từ mã SM-OSTBC) được tạo ra bằng cách nhân các ma trận từ mã SC với các ma trận OSTBC. 3.2. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian cho 4 ăng-ten phát (SM-OSTBC C4,3 ). 3.2.1. Mô hình hệ thống. Máy phát SM-OSTBC tạo ra ma trận từ mã SM-OSTBC 4´ 4, C , như sau: C = SX , trong đó X là mã OSTBC tốc độ 3/4; S là một ma trận từ mã SC. Ma trận tín hiệu thu Y tại máy thu được cho bởi biểu thức: Y = gHC + N = gHSX + N với H và N tương ứng biểu thị ma trận kênh truyền nR ´ 4 và ma trận tạp âm nR ´ 4. Từ mã phát đi C được chuẩn hóa sao cho trung bình tập hợp của vết của C HC
16 bằng 3, tức là E{tr(C HC)}= 3. g là tỷ số SNR trung bình tại mỗi ăng-ten thu. 3.2.2. Các từ mã SM đề xuất và thuật toán khôi phục tín hiệu. A. Thiết kế các ma trận từ mã SC. Gọi D(Cm,Cn ) là ma trận hiệu giữa hai từ mã Cm và Cn xác định theo biểu thức: D(Cm,Cn ) = Cm - Cn . Dựa trên các tiêu chí về hạng ma trận và định thức ma trận, tiêu chí thiết kế cho các từ mã SC được tóm tắt như sau: 1. Hạng của ma trận CD(Cm,Cn ) = DH(Cm,Cn )D(Cm,C n) bằng 3 xét trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC C4,3 khác nhau. 3 2. Tích số tối thiểu, dmin = Õl i , của ma trận CD(Cm,Cn ) được cực đại i=1 hóa trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC khác nhau, trong đó l i là các trị riêng khác không của CD(Cm,Cn ) . Dựa vào các mã OSTBC cho 3 ăng-ten phát, nghiên cứu sinh định nghĩa các ma trận 4´ 3 cơ sở G1(s), G2(s), G3(s). Sử dụng phương pháp “thử và sai” (trial and error) với sự trợ giúp của máy tính để xác định dmin theo tiêu chí thiết kế trình bày ở trên, nghiên cứu sinh thu được chòm sao tín hiệu không gian, WS , bao gồm Q= 16 từ mã SC như sau: S1 = G1 éêë1 0 0ù ( ú û ;S ) 2 = G 1 é1 1 0ù;S = G é1 êë (ú û 3 1 ê) ë ( 1 1ù ) ú û S4 = G1 éêë1 j 0ù ( ú û ;S ) 5 = G 2 é1 1 0ù;S = G é1 êë ( ú û 6 ) 2 ê ë ( 1 1ù ) ú û S7 = G2 éêë1 1 - 1ù ( ú û ;S 8 ) = G 2 é1 - 1 1ù;S = G êë ( ú û 9 2 ) é1 ( êë - 1 - 1ù ) ú û
17 S10 = G3 (éêë1 1 0ùúû);S = G (éêë1 j 0ùúû);S = G (éêë1 - j 1ùúû) 11 3 12 3 S13 = G3 (éêë- 1 - j 1ùúû);S = G (éêëj - 1 - 1ùúû) 14 3 S15 = G3 (éêëj 1 1ùúû);S = G (éêë1 0 1ùúû) 16 3 Ở đây, các từ mã SC tạo ra bởi các ma trận sinh G1, G2 hoặc G3 sẽ không được sử dụng nếu chúng không thỏa mãn tiêu chí thiết kế. B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống SM-OSTBC C4,3. Quá trình giải mã, khôi phục tín hiệu được tóm tắt như sau: 1. Ứng với mỗi ma trận Hk và mỗi ký hiệu xi,m, i = 1, 2, 3, trong chòm sao tín hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau: 2 m d = y- ghi,qxi,m i,q với m = 1,L ,M . 2. Tìm dimin ,q trong số M giá trị dim,q và xˆiq tương ứng với dimin ,q . 3 3. Tính dq = å dimin ,q với q = 1,L ,Q. i=1 4. Tìm chỉ số qˆ tương ứng với khoảng cách tối thiểu dqmin trong tổng số Q giá trị khoảng cách dq . 5. Ma trận SC và các ký hiệu phát được xác định bởi: Sˆ = Sqˆ , xˆi = xˆiqˆ, i = 1, 2, 3. 3.2.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận. Luận án sử dụng giới hạn trên trong chương 2 (2.35) và mô phỏng Monte-Carlo để đánh giá phẩm chất lỗi bit (BER) của hệ thống SM- OSTBC C4,3 đề xuất và so sánh với phẩm chất lỗi bit của các hệ thống MIMO hiện có.
18 0 0 10 10 OSTBC 3/4, (nT, nR) = (4, 2), 8-QAM, 2,25 bpcu OSTBC 1/2, (nT, nR) = (4, 2), 32-QAM, 2,5 bpcu -1 HR-STBC-SM, (nT, nR) = (4, 2), BPSK, 2,5 bpcu -1 10 10 C4, 3, (nT, nR) = (4, 2), 4-QAM, 2,5 bpcu -2 -2 10 10 BER BER -3 -3 10 10 -4 -4 10 10 Alamouti STBC, (nT, nR)=(2,2), 16-QAM STBC-SM, (nT, nR)=(4, 2), 8-QAM Ismail STBC, (nT, nR)=(4,2), 16-QAM -5 -5 10 10 SM, (nT, nR)=(4,2), 4-QAM VBLAST, (nT, nR)=(4,2), BPSK C4,3, (nT,nR)=(4,2), 16-QAM -6 -6 10 10 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 Eb/N0 Eb/N0 (dB) Hình 3.2: Các đường BER của mã SM- Hình 3.3: Các đường BER của mã SM- OSTBC C4,3 đề xuất so với các đường OSTBC C4,3 đề xuất so với các đường BER của mã HR-STBC-SM, mã BER của mã SM, V-BLAST, mã OSTBC ½ và mã OSTBC 3/4. Alamouti, Ismail STBC và STBC-SM. 0 10 SM, (nT,nR)=(4,4), 4-QAM VBLAST, (nT, nR)=(4, 4), BPSK -1 STBC-SM, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM 10 Ismail STBC, (nT, nR) = (4, 4), 16-QAM C4,3, (nT,nR)=(4,4), 16-QAM -2 10 BER -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 Eb/N0 (dB) Hình 3.4: Các đường BER của mã SM-OSTBC C4,3 đề xuất so với các đường BER của mã SM, V-BLAST, Ismail STBC và STBC-SM trong hệ thống (4, 4).
19 3.3. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian với định thức không triệt tiêu (SM-OSTBC C(nT ,nR,nT )). 3.3.1. Mô hình hệ thống. Hình 3.5 trình bày kiến trúc máy phát của hệ thống SM-OSTBC C(nT ,nR,nT ) với nT ăng-ten phát do nghiên cứu sinh đề xuất. Từ mã SM-OSTBC C(nT ,nR,nT )C được tạo ra bằng cách nhân S với X , tức là C = SX , sau đó được truyền đi qua nT ăng-ten phát trong 2 chu kỳ tín hiệu. Ma trận tín hiệu thu nR ´ 2 Y được xác định theo công thức: Y = gHC + N = gHSX + N (3.18) l Bộ ánh xạ từ mã SC S 1 ,S 2 ,...,S Q S Bộ ánh xạ 1 C Dữ liệu không gian nT phát S/P Bộ ánh xạ STBC X thời gian x1 (2m+ l) m Alamouti M-QAM/PSK x x 2*  x2 X  1  m x 1*  M-QAM/PSK x2 Hình 3.5: Sơ đồ khối của máy phát SM-OSTBC. 3.3.2. Thiết kế các từ mã SC. Trước hết, luận án định nghĩa ma trận sinh nT ´ 2 G(s)như (3.19). Dựa trên ma trận sinh G(s), thủ tục tổng quát dùng để thiết kế các từ mã SC cho nT ăng-ten phát cùng kích hoạt đồng thời được đề xuất như sau:
20 é s1 s2 ùú ê ê- s* s* ú ê 2 1 ú G(s) = ê M Múú 1 ê (3.19) Gês ú ênT - 1 snT ú ê * * ú êë- snT snT - 1úû 1. Gán hai phần tử đầu tiên của véc-tơ 1´ nT sq bằng 1, tức là sq,1 = sq,2 = 1. 2. Gán (nT - 2) phần tử còn lại của sq với các giá trị trong tập {±1, ± j} được lựa chọn một cách ngẫu nhiên. 3. Tạo các từ mã SC tương ứng Sq = G(sq ), (q = 1,2,L ,Q). Việc gán hai phần tử đầu của các véc-tơ sq bằng 1 là nhằm đảm bảo rằng mã SM-OSTBC C(nT ,nR,nT ) có được tính chất “định thức không triệt tiêu”, và do đó đạt được phân tập phát bậc 2. Hiệu quả sử dụng phổ tần của mã SM-OSTBC C(nT ,nR,nT ) là e = 21(l + 2m) = (nT - 2+ log2M) bpcu. Tính chất phân tập của mã SM-OSTBC C(nT ,nR,nT ) được mô tả bởi định lý sau: Định lý: Mã SM-OSTBC C(nT ,nR,nT ) đạt phân tập phát bậc 2 và có định thức tối thiểu được cho bởi công thức: ìïï 64 ïï víi ®iÒuchÕ M -QAM ïï G4 dmin = ïíï 164 víi ®iÒuchÕ BPSKvµQPSK (3.20) ïï G ïï 16sin4 p víi ®iÒuchÕ M -PSK, M ³ 8 ïï M ïî