Tài liệu PHÂN TẬP KHÔNG GIAN ẢO TRONG MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

PHÂN TẬP KHÔNG GIAN ẢO TRONG MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN KS. Nguyễn Trung Hiếu, KS. Vũ Đức Hiệu I- Giới thiệu Phân tập không gian là một trong những phương thức được sử dụng nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn trên thực tế hiện nay (trong hệ thống 3G như WCDMA, cdma2000). Tuy nhiên, để phương thức phân tập không gian thực sự hiệu quả, các ănten phát phải đặt cách nhau một khoảng cách nhất định (5-10 lần bước sóng tại trạm gốc, 1/2-1 lần bước sóng tại đầu cuối di động). Đối với trạm thu phát gốc (BTS) yêu cầu về khoảng cách đặt ănten không gặp phải bất cứ trở ngại nào. Tuy nhiên đứng trên hai phương diện: kích thước và thời gian sử dụng pin của máy di động, việc triển khai phân tập không gian là không khả thi tại đầu cuối máy di động đối với kênh truyền dẫn hướng lên trong mạng di động tế bào. Với lý do đó, các nhà nghiên cứu [1-5] trong lĩnh vực truyền dẫn vô tuyến đã đưa ra giải pháp để thực hiện phân tập không gian đối với kênh truyền dẫn hướng lên (hướng truyền dẫn từ máy di động đến trạm thu phát gốc BTS) trong mạng thông tin di động tế bào trong khi vẫn dùng máy đầu cuối di động chỉ có một ănten. Phương thức phân tập không gian dùng máy đầu cuối di động chỉ có một ănten được gọi là hệ thống phân tập không gian ảo. II- Mô hình hệ thống Phương thức phân tập không gian ảo là phương thức mà ở đó các máy đầu cuối di động cùng liên lạc với một trạm BTS kết hợp với nhau để truyền thông tin cho nhau đến trạm gốc. Nghĩa là các máy đầu cuối trong hệ thống này không chỉ truyền tín hiệu cho riêng mình mà còn truyền tín hiệu cho các máy đầu cuối khác kết hợp với mình đến trạm BTS. Để việc mô tả hệ thống được đơn giản, hình 1 dưới đây minh hoạ hệ thống truyền dẫn sử dụng phân tập không gian ảo mà các máy đầu cuối kết hợp với nhau thành từng cặp để truyền dẫn thông tin cho nhau đến trạm BTS. Ký hiệu kênh 1 là tuyến truyền dẫn từ máy di động đầu cuối MS 1 đến trạm BTS, kênh 2 là kênh truyền dẫn từ MS2 đến BTS. Hình 2 thể hiện việc sắp xếp truyền dẫn thông tin trong hệ thống CDMA. Quá trình truyền dẫn trong hệ thống phân tập không gian ảo được thực hiện trong chu kỳ gồm hai khe thời gian như sau: 1 Khe thời gian 1: Trong hình 2, khe thời gian này mỗi máy di động MS1 và MS2 sẽ truyền thông tin của mình trực tiếp đến trạm BTS trên kênh 1 và kênh 2 một cách tương ứng (hình 1). Ngoài ra, các máy đầu cuối di động cũng thu tín hiệu phát của nhau. Cụ thể MS1 thu tín hiệu của MS2 và ngược lại. Chúng ta giả sử thêm rằng, các máy di động đầu cuối sử dụng các mã trải phổ hoàn toàn trực giao với nhau. Nghĩa là đảm bảo sẽ không có nhiễu giữa các tín hiệu phát trên cùng một khe thời gian, cùng băng tần tại đầu vào máy thu. Khe thời gian thứ 2: Sau khi nhận được tín hiệu phát của đối tác ở khe thời gian thứ nhất, các máy di động đầu cuối sẽ hoặc giải mã thông tin nhận được trước khi chuyển đến trạm gốc hoặc khuếch đại tín hiệu nhận được của đối tác rồi phát đến trạm BTS. Đối với phương pháp thứ nhất chúng ta có phương pháp phân tập không gian ảo giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward). Đối với phương pháp thứ 2 chúng ta có phương thức phân tập không gian ảo khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward). Hình 2 thể hiện phương pháp giải mã và chuyển tiếp. Cụ thể máy MS1 sẽ giải mã và phát tín hiệu giải mã đó của MS2 tới trạm BTS ở khe thời gian thứ 2. Hoàn toàn tương tự, MS2 sẽ giải mã và phát tín hiệu của MS1 đến trạm BTS. Và quá trình lại lặp lại với các cặp khe thời gian còn lại. Chúng ta nhận thấy rằng, hệ thống dùng phân tập không gian ảo chỉ truyền được 1 ký hiệu trong 2 khe thời gian. Trong khi đó đối với hệ thống không dùng phân tập không gian, 1 ký hiệu được truyền đi trong một khe thời gian. Như vậy, nếu phương pháp điều chế tín hiệu giữa hai hệ thống giống nhau, thì hệ thống dùng phân tập không gian ảo có thông lượng truyền bằng 1/2 thông lượng truyền dẫn của hệ thống không phân tập. Do đó để có một sự so sánh hợp lý giữa hai hệ thống, hệ thống phân tập phải dùng phương pháp điều chế mật độ cao hơn 2 lần so với phương pháp điều chế ở hệ thống không phân tập. Ví dụ, nếu hệ thống không phân tập truyền 1 bit trên một khe thời gian (điều chế khoá dịch pha nhị phân BPSK), thì hệ thống dùng phân tập không gian ảo phải truyền 2 bit trên một khe thời gian (dùng phương pháp điều chế QPSK). Như đã biết, trong lý 2 thuyết truyền dẫn thông tin số với cùng một mức công suất phát trung bình, chùm tín hiệu điều chế với mật độ cao hơn sẽ có tỷ lệ lỗi bít cao hơn (sai lỗi nhiều hơn). Tuy nhiên, sự suy giảm chất lượng truyền dẫn do dùng phương pháp điều chế bậc cao sẽ được bù đắp thông qua độ lợi phân tập. Qua mô hình hệ thống đã mô tả ở trên. Chúng ta thấy rằng thông tin của mỗi máy đầu cuối di động tham gia vào quá trình truyền dẫn phân tập không gian ảo được truyền đến trạm gốc bằng hai đường truyền dẫn độc lập với nhau. Do vậy, cứ sau chu kỳ 2 khe thời gian trạm BTS nhận được hai phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu phát. Dựa trên hai tín hiệu thu được đó, trạm BTS sẽ thực hiện việc khôi phục lại thông tin ban đầu của từng máy di động đầu cuối. Phương pháp khôi phục tín hiệu gốc dựa trên nhiều phiên bản tín hiệu thu khác nhau hoàn toàn có thể dùng các phương pháp như đã dùng với máy thu phân tập thông thường [8]. Đó là: EGC (Equal Gain Combining), SC (Selection Combining), MRC (Maximum Ratio Combining). Trong số ba phương pháp kể trên, MRC là phương pháp tốt nhất xét trên tiêu chí tỷ số lỗi bit (BER) của hệ thống. Do đó, MRC sẽ được dùng để mô phỏng hệ thống trong phần tiếp theo của bài báo này. Rõ ràng, bằng sự kết hợp giữa các máy di động với nhau trong quá trình truyền dẫn đã tạo ra một hệ thống phân tập không gian mà các máy đầu cuối chỉ dùng duy nhất một ănten. Đó là lý do mà người ta gọi phương thức phân tập này là phân tập không gian ảo “Virtual Space Diversity”. Do tín hiệu được truyền trên hai đường độc lập với nhau nên xác suất để cả hai kênh truyền cùng ở trạng thái fading sâu là rất thấp. Chính vì lý do đó mà chất lượng truyền dẫn của hệ thống có sử dụng phân tập không gian ảo sẽ được cải thiện đáng kể so với hệ thống không sử dụng phân tập. III- Phân tích hiệu năng của hệ thống có sử dụng phân tập không gian ảo Giả sử rằng X là một ký hiệu thuộc chùm tín hiệu M-PSK của máy MS1 cần phát đến trạm BTS. Như đã trình bày trong phần trên về phương thức phân tập không gian ảo. Ký hiệu X sẽ được 3 phát đến trạm gốc bằng hai đường khác nhau do đó chúng ta có hai phiên bản của cùng một ký hiệu phát như sau: Y1 = α1 X + N1 (1) Y2 = α 2 X + N 2 (2) Trong đó Y1 , Y2 ký hiệu là tín hiệu thu được (Tín hiệu rời rạc ở băng tần cơ sở), α1 , α 2 là hệ số fading trên kênh truyền dẫn từ máy MS1 và MS2 đến trạm BTS một cách tương ứng. N1 , N 2 là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN) trên đầu vào máy phát, có phân bố Gauss với trung bình thống kê bằng không và mật độ phổ công suất N0 . 2 Việc kết hợp nhiều phiên bản tín hiệu thu của cùng một ký hiệu phát có thể thực hiện bằng một trong ba phương pháp đã đề cập trong phần trên. Giả sử phương pháp MRC được sử dụng trong hệ thống phân tập không gian ảo. Khi đó xác suất lỗi bit đối với tín hiệu điều chế M-PSK là [Chapter 9, 8]: Pb ( Trong đó g PSK = sin 2 ( π M 1 1 1 ) Ps ( E ) ( ) log 2 ( M ) log 2 ( M ) π α1 E s N0 L 0 i =1 ∫ ∏ 1 dθ (3) g PSK γ i 1+ sin 2 θ ) , L là số tín hiệu thu khác nhau của cùng một ký hiệu (Trong trường hợp 2 đang xét L=2), γ 1 = ( M −1)π M 2 , γ2 = α 2 Es N0 , Es là năng lượng ký hiệu trung bình. Chúng ta xem xét hai trường hợp cụ thể: a. Hệ thống không dùng phân tập không gian dùng phương pháp điều chế BPSK. Khi đó, π M=2, L=1 (tín hiệu đến máy thu bằng một đường duy nhất), g BPSK = sin 2 ( ) = 1 . Khi đó 2 (3) trở thành: π Pb − khongphantap = 1 2 π∫ 0 1 1+ γ1 dθ (4) sin 2 θ b. Hệ thống có sử dụng phân tập không gian ảo. Trong trường hợp các máy di động kết hợp theo cặp L=2. Như đã nói ở phần đầu, để đảm bảo hiệu quả sử dụng phổ tần của hai hệ thống như nhau, hệ thống có sử dụng phân tập phải sử dụng phương thức điều chế có mật 4 độ cao hơn gấp hai lần phương pháp điều chế ở hệ thống không sử dụng phân tập. Do đó, phương pháp điều chế trong hệ thống có thể là QPSK (M=4) tương ứng với nó ta có π 1 gQPSK = sin 2 ( ) = . Phương trình (3) trở thành: 4 2 Pb − phantap 1 2π 3π 4 ∫( 0 1+ 1 γ1 2sin 2 θ )( 1+ 1 γ2 )dθ (5) 2sin 2 θ Nhận xét: Từ (4) và (5) chúng ta có thể nhận thấy rằng. Tỷ lệ lỗi bit đối với hệ thống không phân tập tỷ lệ với 1 γ1 (nghĩa là 1/SNR). Trong khi đó hệ thống có sử dụng phân tập không gian ảo, tỷ lệ lỗi bit tỷ lể với 1 γ 1γ 2 (1/SNR2 ), nghĩa là hàm lỗi bit suy giảm với luỹ thừa bậc 2 của tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR). Rõ rằng từ công thức toán chúng ta thấy rằng hệ thống có sử dụng phân tập có chất lượng truyền dẫn được cải thiện đáng kể. Điều này sẽ được khẳng định một lần nữa thông qua kết quả mô phỏng hệ thống sẽ được trình bày trong phần sau. Độ lợi phân tập có được do sử dụng phân tập không gian có thể dùng để thực hiện các mục đích trong hệ thống thực tế như sau: a. Nếu giữ nguyên mức công suất máy phát của các máy di động so với hệ thống không sử dụng phân tập. Hệ thống sử dụng phân tập cho chất lượng truyền dẫn tốt hơn (BER thấp hơn). b. Nếu duy trì ở một mức BER cố định, hệ thống có sử dụng phân tập không gian cần phát với công suất nhỏ hơn. Như vậy thời gian sử dụng pin được kéo dài. Điều này rất quan trọng đối với máy đầu cuối di động dùng pin làm nguồn cung cấp. c. Độ lợi phân tập giúp cho thuê bao có thể vẫn giữ được liên lạc khi di chuyển ra xa khỏi trạm thu phát gốc. Nghĩa là mở rộng vùng phủ sóng của trạm BTS. V- Kết luận Bài báo đã trình bày một các tóm lược những vấn đề cơ bản của phương thức phân tập không gian ảo. Ưu điểm của phương thức phân tập không gian ảo là có thể nâng cao chất lượng truyền dẫn mà không cần phải sử dụng nhiều anten tại các đầu cuối di động. Hơn thế nữa độ lợi phân tập do phương thức mang lại có thể sử dụng vào một trong 3 mục đích như kéo dài gian sử dụng pin máy di động, mở rộng hơn vùng phủ sóng của các trạm BTS, tăng chất lượng dịch vụ. Tài liệu tham khảo [1]. A. SENDONARIS and E. ERKIP, B. AAZHANG, User Cooperation Diversity-Part I: System Discription, IEEE Transactions on Communications, vol.51, pp.1927-1938, Nov 2003 . 5 [2]. A. Sendonaris and E. Erkip, B. Aazhang, User Cooperation Diversity-Part II: Implementation Aspects and Performanace analysis, IEEE Transactions on Communications, vol.51, pp.1927-1938, Nov 2003. [3]- S. NAGARAJ and M. BELL, A Coded Modulation Technique for Cooperation Diversity in Wireless Networks, ICSSP 2005 [4]. G. LARSSON and R. VOJCIC, Cooperation Transmit Diversity Based on Superposition Modulation, IEEE Communication Letters, vol.9, pp. 778-780, September 2005 [5]-T. E. HUNTER and A. NOSRATINIA, Coded Cooperation through Coding, in Pro. IEEE ISIT, 2002 [6]- Book “Designing cdma2000 systems”, John Wiley and Sons, 2004 [7]- Book “Principle of Communication Systems Simulation with Wireless Applications”, Printice Hall, 2004 [8]-Book “Digital Communication over Fading Channel: A Unified Approach to Performance Analysis”, John Wiley and Sons, 2000. 6