Tài liệu Thiết kế mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao kết hợp điều chế không gian

tailieuonthi 24 1 dụng hệ thống MIMO ít máy phát hơn số ăng-ten, cấu trúc hệ thống đơn giản, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN - Mã SM-OSTBC C 4,3 có bậc phân tập phát cao và có phẩm chất lỗi bit tốt hơn một số loại mã không gian thời gian hiện có như VBLAST, SM, Alamouti, Ismail STBC... Bên cạnh đó, mã SM-OSTBC C 4,3 còn cho phép tách sóng ML đơn giản. Vì vậy, mã SM-OSTBC C 4,3 có thể là ứng viên để thay thế các mã hiện có như VBLAST hay Ismail STBC trong hệ thống MIMO với 4 ăng ten phát. - Mã SM-OSTBCC (nT , n R , nT ) có thể được ứng dụng trong các trường hợp yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao, phẩm chất tốt, sử dụng được với mọi loại điều chế và không yêu cầu giới hạn về số lượng máy thu phát RF, tức là số lượng máy thu phát RF có thể bằng với số lượng ăngten phát. B. Hướng phát triển của luận án. Các hướng phát triển tiếp theo của luận án có thể được xác định như sau: - Xây dựng các mã mới dựa trên các mã OSTBC có bậc phân tập phát cao hơn. - Nghiên cứu, nâng cao hơn nữa số lượng từ mã SC của mã HR- 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. STBC-SM bằng cách sử dụng các giá trị q lớn hơn hoặc đề xuất Mục đích nghiên cứu của đề tài các véc-tơ gốc sq và sq* mới. 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. - Xây dựng các mã mới dựa trên các mã khối không gian thời gian hiện có như mã Golden Code, V-BLAST, v.v… - Xây dựng các bộ mã khối không gian thời gian sai phân (differential STBC). - Áp dụng mã SM-OSTBC vào thông tin chuyển tiếp. 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 tailieuonthi 2 23 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). 2. Đề xuất mã điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao, HR-STBC-SM, cho 4 và 6 ăng-ten phát dựa trên mã khối không gian thời gian trực giao Alamouti. Mã HR-STBC-SM đạt bậc phân tập Đối tượng nghiên cứu tần cao hơn từ 1,5 đến 2 bpcu. Bên cạnh đó, để đạt được cùng một hiệu quả sử dụng phổ tần mà phẩm chất lỗi bit vẫn đạt xấp xỉ mã HR-STBCSM dùng ít ăng-ten phát hơn mã STBC-SM. 3. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế 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). 2n R . So với mã Alamouti, mã HR-STBC-SM có hiệu quả sử dụng phổ không gian cho 4 ăng-ten phát, SM-OSTBC C 4,3 , dựa trên trên mã Phạm vi nghiên cứu OSTBC tốc độ mã 3/4 đã được xây dựng cho 3 ăng-ten phát. Mã này đạt 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. được bậc phân tập là 3n R và có hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn 1 bpcu 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 Mà 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 so với mã OSTBC tốc độ mã 3/4 đã được đề xuất cho 3 ăng-ten phát là 1 bpcu. 4. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian cho số lượng ăng-ten phát là một số chẵn bất kỳ, lớn hơn hoặc bằng 4, dựa trên mã Alamouti, SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) . Mã có tính chất “định thức không triệt tiêu”, đạt bậc phân tập 2n R và hiệu quả sử dụng phổ tần rất cao so với hiệu quả sử dụng phổ tần của mã STBCSM đề xuất bởi Basar với cùng nT . Mã SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) được chứng minh là có phẩm chất lỗi bit tốt hơn nhiều hệ thống MIMO hiện có. 5. Xây dựng các bộ giải mã ML đơn luồng có độ phức tạp thấp nhờ tính chất trực giao của mã Alamouti và mã OSTBC tốc độ 3/4. Ba mã được đề xuất trong luận án có những đặc điểm khác nhau, vì vậy chúng có những phạm vi ứng dụng khác nhau: - Mặc dù mã HR-STBC-SM được thiết kế cho 4 và 6 ăng-ten phát, nó chỉ yêu cầu sử dụng 02 máy thu phát RF. Vì vậy, nó có thể được sử tailieuonthi 22 3 10 C(4, 4, 4), 16-QAM STBC-SM, (n , n )=(4, 4), 32-QAM C(4, 2, 4), 4-QAM QO-STBC, (n , n )=(4, 2), 16-QAM T T R Ismail STBC, (nT, nR)=(4,2), 16-QAM Srinath STBC, (nT, nR)=(4,2), 4-QAM -1 10 T -2 T T T R R Ismail STBC, (n , n )=(4, 4), 64-QAM R T -2 10 R BER T R Srinath STBC, (n , n )=(4, 4), 16-QAM SM, (n , n )=(4, 4), 16-QAM STBC-SM, (n , n )=(4, 2), 8-QAM 10 R Alamouti, (n , n )=(2, 4), 64-QAM -1 10 G-STSK(4,2,2,4,2), 8-PSK Alamouti STBC, (n , n )=(2,2), 16-QAM BER 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. 0 0 10 -3 10 R QO-STBC, (4, 4) system, 64-QAM Véc-tơ tín hiệu thu y với kích thước n R × 1 của một hệ thống -3 10 MIMO điểm điểm với nT ăng-ten phát và n R ăng-ten thu như Hình 1.1 -4 -4 10 -5 10 10 -5 được cho bởi biểu thức: 10 -6 10 -6 10 -6 -3 0 3 6 9 Eb/N0 (dB) 12 15 18 -6 21 Hình 3.6: Các đường BER của SMOSTBC C (4, 2, 4) , G-STSK(4,2,2,4,2), STBC-SM, QOSTBC, Ismail STBC và Srinath STBC và mã Alamouti. -3 0 3 6 9 E /N (dB) b 12 15 18 Hình 3.7: Các đường BER của hệ thống SM-OSTBC C (4, 4, 4) , STBC-SM, QOSTBC, và Ismail STBC, Srinath STBC, SM và mã Alamout. 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 n R ´ nT và véc-tơ tạp âm kích thước n R ´ 1 . Họ mã SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) với định thức không triệt tiêu có phẩm chất lỗi bit tốt hơn nhiều so với nhiều mã khối không gian thời gian hiện có khi có cùng hiệu quả sử dụng phổ tần và cấu hình ăng-ten. Vì vậy, cùng với ưu điểm là có bộ giải mã ML đơn giản, mã SM- n R  nT h11 x1 x nT y1 h 21 h12 x2 OSTBC C (nT , n R , nT ) có thể là một mã tiềm năng cho ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới. (1.5) y = Hx + n 21 0  hn R 2 nT n1 h 22 y2 h 2nT h1nT hn R nT hn R 1 nR  n2 ynR n nR KẾT LUẬN Luận án đã đề xuất và xây dựng được các hệ thống truyền dẫn MIMO vô tuyến có hiệu quả sử dụng phổ tần và phẩm chất lỗi bit cao bằng cách kết hợp giữa kỹ thuật điều chế không gian với kỹ thuật mã khối không gian thời gian trực giao. A. Các kết quả của luận án. 1. Đề xuất khái niệm mới từ mã chòm sao tín hiệu không gian để làm nền tảng xây dựng các hệ thống truyền dẫn MIMO có hiệu quả sử dụng phổ tần và phẩm chất lỗi bit cao. 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. tailieuonthi 4 21 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. 3.3.3. Khôi phục tín hiệu trong hệ thống SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) . Bộ giải mã SO-ML được tóm tắt như sau: 1. Với mỗi ma trận H%q và mỗi cặp tín hiệu (x 1,m , x 2,m ) trong chòm sao tín hiệu A. Tiêu chuẩn hạng và định thức. Wx , tính hai khoảng cách Euclide: d1,mq = dq (x 1,m ) với m = 1, L , M Mã có bậc phân tập đầy đủ nT n R khi ma trận C D (X 1 , X 2 ) có hạng đầy đủ. Khoảng độ lợi mã (CGD) giữa hai từ mã X 1 và X 2 CGD(X 1 , X 2 ) = det(C D (X 1 , X 2 )) , nên độ lợi mã hóa liên quan tới định thức của ma trận C D (X 1 , X 2 ) . Vì vậy, một tiêu chuẩn thiết kế tốt đảm bảo bậc phân tập đầy đủ là i j i d2,mq = dq (x 2,m ) với m = 1, L , M là j với các giá trị từ mã có thể X và X , i ¹ j , ma trận C D (X , X ) 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 C D (X i , X j ) với tất cả các giá trị i ¹ j - Tiêu chuẩn định thức. min min 2. Tìm d1,q trong số M giá trị d1,mq và xˆ 1q tương ứng với d1,q . min min 3. Tìm d2,q trong số M giá trị d2,mq và xˆ 2q tương ứng với d2,q . min + d 4. Tính dq = d1,min , với q = 1, L , Q . q 2,q 5. Tìm q̂ tương ứng với khoảng cách tối thiểu dqmin trong số Q giá trị dq . ( ) ˆ ˆ 6. Các ký hiệu và từ mã SC thu được như sau: Sˆ = S qˆ , (xˆ 1, xˆ 2 ) = xˆ 1q , xˆ 2q . 7. Sử dụng Ŝ và (xˆ 1, xˆ 2 ) để khôi phục lại (2m + l ) bit dữ liệu. 3.3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận. B. Tiêu chuẩn vết. Xác suất lỗi cặp liên quan tới metric || D (X 1 , X 2 ) ||F . Tiêu chuẩn i j vết nói rằng cần phải cực đại hóa khoảng cách cực tiểu || D (X , X ) ||F trong tất cả i ¹ j . Tiêu chuẩn này gọi là tiêu chuẩn vết vì || D (X 1 , X 2 ) ||F2 = t r[C D (X 1 , X 2 )]. 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. Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để đánh giá BER của mã SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) với các cấu hình ăng-ten khác nhau và so sánh với nhiều hệ thống MIMO hiện tại bao gồm V-BLAST, mã Alamouti, QOSTBC, SM, STBC-SM, Srinath STBC, và G-STSK v.v... 3.4. Kết luận. Trong chương này, nghiên cứu sinh đã đề xuất và phát triển mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian cho 4 ăng-ten phát và mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian với định thức không triệt tiêu, xây dựng các bộ giải mã tối ưu ML với độ phức tạp tính toán thấp. tailieuonthi 20 és s2 ùú ê 1 ê- s * s1* úú ê 2 1ê M úú G (s ) = ê M Gê ú êsnT - 1 snT ú ê * ú ê- sn sn* - 1 ú T ë T û 5 x1, x 2 (3.19) 1. Gán hai phần tử đầu tiên của véc-tơ 1 ´ nT sq bằng 1, tức là sq,1 = sq,2 = 1 . x1 x2 x 2* x 1* Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát cho mã Alamouti. X Từ mã truyền là: æx ö çç 1 x 2 ÷ = ç * * ÷÷÷ çç-x 2 x 1 ÷ è ø (1.18) 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 S q = G (s q ) , (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 , n R , 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 , n R , nT ) là e= 1 (l 2 + 2m ) = (nT - 2 + log2M ) bpcu. Tính chất phân tập của mã SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) được mô tả bởi định lý sau: Định lý: Mã SM-OSTBC C ( n T , n R , n T ) đạt phân tập phát bậc 2 và có định thức tối thiểu được cho bởi công thức: xˆk xk x1 , x 2 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 H = k å | x i |2 I n i= 1 dmin ìï 64 ïï ïï G4 ïï 16 = í ïï G4 ïï p ïï 16sin 4 M ïïî víi ®iÒu chÕ M - QAM víi ®iÒu chÕ BPSK vµ QPSK (3.20) víi ®iÒu chÕ M - PSK, M ³ 8 (1.28) T 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. tailieuonthi 6 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 x1 {x i }   x nT nT {xˆi } n1 nR C (n T , n R , n T ) ). 3.3.1. Mô hình hệ thống. n nR Hình 3.5 trình bày kiến trúc máy phát của hệ thống SM-OSTBC Hình 1.4: Sơ đồ bộ mã hóa cho mã khối không gian thời gian trực giao. C (nT , n R , nT ) với nT ăng-ten phát do nghiên cứu sinh đề xuất. Từ mã 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. SM-OSTBC C (nT , n R , nT ) C được tạo ra bằng cách nhân S với X , tức 1.3.1. Mã OSTBC cho tập tín hiệu thực. tín hiệu. Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ là C = SX , sau đó được truyền đi qua nT ăng-ten phát trong 2 chu kỳ Ma trận tín hiệu thu n R ´ 2 Y được xác định theo công thức: thống nT ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu thực thoả mãn điều kiện trực Y = gH C + N = g H SX + N (3.18) giao như sau: N Xn X T T nT = k å | x i |2 I n (1.30) T i= 1 S 1 ,S 2 ,...,S Q 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 x1 thống nT ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu phức thoả mãn điều kiện trực x2 giao như sau: N Xn X T H nT = k å | x i |2 I n i= 1  nT x X  1 x2 x 2*   x 1*  Hình 3.5: Sơ đồ khối của máy phát SM-OSTBC. (1.31) T 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 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: tailieuonthi 18 7 0 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. 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 HR-STBC-SM, (nT, nR) = (4, 2), BPSK, 2,5 bpcu -1 10 -1 10 C4, 3, (nT, nR) = (4, 2), 4-QAM, 2,5 bpcu -2 -2 10 BER BER 10 -3 10 -4 -4 10 10 Chương 2: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN Mà KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN -3 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 SM, (nT, nR)=(4,2), 4-QAM 10 10 2.1. Giới thiệu. VBLAST, (nT, nR)=(4,2), BPSK C4,3, (nT,nR)=(4,2), 16-QAM -6 -6 10 10 -6 -3 0 3 6 Eb/N0 9 12 15 18 -6 -3 0 3 6 9 12 E b/N0 (dB) 15 18 21 24 27 Hình 3.2: Các đường BER của mã SM- Hình 3.3: Các đường BER của mã SM- OSTBC C 4,3 đề xuất so với các đường OSTBC C 4,3 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 STBC-SM, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM -1 10 Ismail STBC, (nT, nR) = (4, 4), 16-QAM C4,3, (nT,nR)=(4,4), 16-QAM -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -6 -3 0 3 6 9 Eb/N0 (dB) 12 15 18 21 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-STBCSM. 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 3.4: Các đường BER của mã SM-OSTBC C 4,3 đề xuất so với các đường BER của mã SM, V-BLAST, Ismail STBC và STBC-SM trong hệ thống (4, 4). 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. tailieuonthi 8 17  n) x( ( ( ( ) S 10 = G 3 éê1 1 0ùú ; S 11 = G 3 ë û S 13 = G 3 éê- 1 - j 1ùú ; S 14 = ë û S 15 = G 3 éêj 1 1ùú ; S 16 = G 3 ë û ) ) (éêë1 ) 0ùú ; S 12 û G 3 éêj - 1 ë é1 0 1ù êë úû j ( ( ( ) = G 3 éê1 - j 1ùú ë û 1ùú û ) ) Ở đây, các từ mã SC tạo ra bởi các ma trận sinh G 1 , G 2 hoặc G 3 sẽ Nhóm bit 000 001 010 011 100 101 110 111 Chỉ số anten 1 1 2 2 3 3 4 4 Ký tự không được sử dụng nếu chúng không thỏa mãn tiêu chí thiết kế. -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống SM-OSTBC C 4,3 . Quá trình giải mã, khôi phục tín hiệu được tóm tắt như sau: 1. Ứng với mỗi ma trận H k và mỗi ký hiệu x i ,m , i = 1, 2, 3 , trong chòm sao tín hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau: 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 này gọi là thuật toán i-MRC và được mô tả như sau: H j g j = h y , víi j = 1 : nT j æ ö s%k = q ççg j = k% ÷ ÷ è ( )÷ ø (2.4) g hi ,q x i ,m với m = 1, L , M . 2. Tìm dimin trong số M giá trị dim,q và xˆ iq tương ứng với dimin . ,q ,q 3 3. Tính dq = å với q = 1, L , Q . dimin ,q 4. Tìm chỉ số q̂ tương ứng với khoảng cách tối thiểu dqmin trong tổng số Q giá trị khoảng cách dq . (2.5) (2.6) 3.2.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận. (2.7) 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- Khôi phục x% dựa vào k%và s% , trong đó q(.) biểu thị toán tử quyết k Thuật toán khôi phục tín hiệu tối ưu: = y- 5. Ma trận SC và các ký Sˆ = S qˆ , xˆ i = xˆ iqˆ , i = 1, 2, 3 . T gn ùú T û k%= arg max | g | định hay lượng tử hóa. 2 i= 1 Thuật toán khôi phục tín hiệu gần tối ưu: g = éêg1 g2 L ë d m i ,q hiệu phát được xác định bởi: OSTBC C 4,3 đề xuất và so sánh với phẩm chất lỗi bit của các hệ thống MIMO hiện có. tailieuonthi 16 9 bằng 3, tức là E{t r(C HC )} = 3 . g là tỷ số SNR trung bình tại mỗi Bộ tách tối ưu dựa trên nguyên tắc hợp lệ cực đại như sau: éˆj , qˆ ù= arg min p y | s , H Y jq êë úû j ,q ( ăng-ten thu. ) 2 = arg min r g jq - 2 {y g jq } 3.2.2. Các từ mã SM đề xuất và thuật toán khôi phục tín hiệu. H (2.8) j ,q A. Thiết kế các ma trận từ mã SC. với g jq = h j sq ,1 £ j £ nT ,1 £ q £ M . Gọi D (C m ,C n ) là ma trận hiệu giữa hai từ mã C m và C n xác định Ta có thể thấy rằng phương pháp tách tối ưu khôi phục đồng thời cả chỉ số ăng-ten và ký hiệu phát. theo biểu thức: D (C m ,C n ) = C m - C n . 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: H 1. Hạng của ma trận C D (C m ,C n ) = D (C m ,C n )D (C m ,C n ) bằng 3 xét trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC C 4,3 khác nhau. 3 2. Tích số tối thiểu, dmin = l i , của ma trận C D (C m ,C n ) Õ i= 1 được cực đại 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: êæ öú 1. Với nT ăng-ten phát, số tổ hợp chập 2 của nT ăng-ten là c = êççççnT2 ÷÷÷÷÷ú , trong ëêçè ÷øûú2p đó p là một số nguyên dương. hóa trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC khác nhau, trong đó l i là các trị riêng khác không của C D (C m ,C n ) . Dựa vào các mã OSTBC cho 3 ăng-ten phát, nghiên cứu sinh định nghĩa các ma trận 4 ´ 3 cơ sở G 1(s ) , G 2 (s ) , G 3 (s ) . Sử dụng phương 2. Số từ mã trong mỗi sách mã c i , i = 1, 2, L , n - 1 , a = êênT 2 úú và tổng số sách ë û mã n = éêc a ùú. Số lượng từ mã trong sách mã cuối cùng là a ' = c - a(n - 1) . ê ú 3. Khởi đầu xây dựng sách mã c 1 với a từ mã không can nhiễu lẫn nhau. pháp “thử và sai” (trial and error) với sự trợ giúp của máy tính để xác 4. Tương tự, xây dựng c i , i = 2, L , n , dựa trên các điều kiện: mỗi sách mã phải định dmin theo tiêu chí thiết kế trình bày ở trên, nghiên cứu sinh thu bao gồm các từ mã không can nhiễu lẫn nhau được chọn từ các tổ hợp chập 2 được chòm sao tín hiệu không gian, WS , bao gồm Q = 16 từ mã SC như sau: ( ( ( ) ) ( ( ) ) ( ( S 1 = G 1 éê1 0 0ùú ; S 2 = G 1 éê1 1 0ù ; S 3 = G 1 éê1 ú ë û ë û ë S 4 = G 1 éê1 j 0ù ; S 5 = G 2 éê1 1 0ù ; S 6 = G 2 éê1 ú ú ë û ë û ë S 7 = G 2 éê1 1 - 1ù ; S 8 = G 2 éê1 - 1 1ù ;S = G 2 ú ú ë û ë û 9 ) ( ) 1 1 (éêë1 ) ) 1ù ú û 1ù ú û - 1 - 1ùú û ) 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 c i , 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 = arg max 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 n R ăng-ten thu tailieuonthi 10 15 trong kênh truyền pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm. Ma trận tín hiệu thu Y , kích thước n R ´ 2 : r HX c + N m Y = (2.16) 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: 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-STBCSM 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 STBCSM. 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. 2 r HX c m Xˆ c = arg min Y XcÎ c Nhờ tính trực giao, (2.16) trở thành: y = (2.17) r H m c éx ù ê 1 ú+ n êx ú êë 2 úû (2.18) Máy thu ước lượng tối ưu của các ký hiệu x 1 và x 2 như sau: 2 xˆ 1,l = arg min y x 1Î g 2 r h x ; xˆ 2,l = arg min y x2Î g m l ,1 1 r h x (2.20) m l ,2 2 Các khoảng cách ML m 1,l và m 2,l tương ứng với x 1 và x 2 là 2 m 1,l = min y x 1Î g r m l ,1 1 h x 3.2. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều 2 ; m 2,l = min y x2Î g r m l ,2 2 h x Chương 3: Mà 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. (2.21) Khoảng cách ML tổng ứng với một phiên bản của kênh truyền là m l = m 1,l + m 2,l , 0 £ l £ c - 1 . Máy thu quyết định chọn khoảng cách ML tối thiểu theo biểu thức lˆ = arg min m l và từ đó quyết định các ký l hiệu phát là (xˆ 1, xˆ 2 ) = (xˆ 1,lˆ , xˆ 2,lˆ ) . Tổng số phép tính trong (2.17) giảm từ cM 2 xuống 2cM . 2.4. Đề xuất điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao. chế không gian cho 4 ăng-ten phát (SM-OSTBC C 4,3 ). 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 = gH C + N = g H SX + N với H và N tương ứng biểu thị ma trận kênh truyền n R ´ 4 và ma trận tạp âm n R ´ 4 . Từ mã phát đi C được chuẩn hóa sao cho trung bình tập hợp của vết của C HC tailieuonthi 14 11 2.4.1. Mô hình hệ thống và khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu không gian. 0 10 (nT, nR) = (4, 2), 4-QAM, Theory (nT, nR) = (4, 4), 4-QAM, Theory (nT, nR) = (4, 2), 4-QAM, Simul -1 10 (nT, nR) = (4, 4), 4-QAM, Simul (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM, Theory A. Mô hình hệ thống. (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM, Theory -2 10 (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM, Simul BER (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM, Simul Xét một hệ thống nhiều ăng-ten với nT ăng-ten phát và n R ăng- -3 10 -4 10 ten thu, được gọi là hệ thống (nT , n R ) , hoạt động trong một kênh truyền -5 10 MIMO pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm. Luận án sử dụng các từ -6 10 0 3 6 9 12 15 18 21 mã Alamouti 2 ´ 2 X Î WX làm từ mã hạt nhân, với các phần tử trong 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. từ mã được lấy từ chòm sao tín hiệu M -QAM hoặc M -PSK. Khi đó, ma trận tín hiệu thu n R ´ 2 Y được cho bởi biểu thức: Qua mô phỏng thấy rằng có thể sử dụng biểu thức (2.35) làm công Y = cụ đánh giá BER của các hệ thống HR-STBC-SM khi E b N 0 đủ lớn. gH C + N = gH S X + N (2.22) B. Đề xuất khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu không gian. 2.5. Kết luận. Đặt H% = H S 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. 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 10 10 0 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 HR-STBC-SM, (nT, nR) = (4, 2), 8-QAM -1 10 10 Basar, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM -1 HR-STBC-SM, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM Basar, (nT, nR) = (8, 4), 4-QAM HR-STBC-SM, (nT, nR) = (6, 4), 4-QAM Basar, (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM Basar, (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM -2 10 BER BER 10 -3 10 -4 10 10 -5 10 10 -6 10 -6 10 -3 0 3 6 9 12 Eb/N0 (dB) 15 18 21 24 27 10 2.4.2. Hệ thống HR-STBC-SM và kỹ thuật khôi phục tín hiệu. -2 A. Thiết kế các từ mã SC. -3 æe jqa ÷ ö æ 0 ÷ ö çç ç * Đặt các sq và s có dạng: sq = ç ÷ ; sq = çç - jqa ÷ trong đó q là ÷ ÷ ÷ ÷ e ÷ çè 0 ÷ ç ø è ø -4 * q -5 -6 -6 -3 0 3 6 9 E b/N0 (dB) 12 15 18 21 Hình 2.5: Các đường BER của mã HRHình 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. một số nguyên bất kỳ và a là góc pha cần được xác định. Chòm sao tín hiệu không gian WS cho nT = 4 ăng-ten phát bao gồm Q = 8 từ mã SC như sau: tailieuonthi 12 ( = (0 S3 T s*0 S 1 = s0 s1 ) 0) ; S ( = (s 13 0 0 ; S 2 = 0 0 s0 s1* T 4 1 0 0 * 1 B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống HR-STBC-SM. T ) s ) ;S s*0 T 5:8 Giả sử máy thu biết chính xác kênh truyền. Quá trình giải mã, khôi phục tín hiệu được tóm tắt như sau: = e j qS 1:4 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: ( = (0 = (0 = (s T S 1 = s0 s*0 S3 0 0 0 s0 S5 S7 2 ) s ) ;S 0) ; S 0) ; S ( = (0 = (s = (0 0 0 0 0 ; S 2 = 0 0 s0 0 0 s1 s1* * 0 T 4 T 6 T 0 s2* 0 0 8 1 s1 s1* 0 0 s2 0 hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau: T ) 0 0 0) 0 0 s) s 0 0) ; S s*0 1. Ứng với mỗi ma trận H q và mỗi cặp tín hiệu (x 1,m , x 2,m ) trong chòm sao tín 0 0 m = ya. d1,q T * 1 T b. d T * 2 9:16 = e j qS 1:8 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 a opt và qopt dựa trên công thức (2.25) và trình bày như trên Bảng 2.2. m 2,q 2 g h1,q x 1,m với m = 1, L , M . 2 = y- gh 2,q x 2,m với m = 1, L , M . min m min 2. Tìm d1,q trong số M giá trị d1,q và xˆ 1q tương ứng với d1,q . min m min 3. Tìm d2,q trong số M giá trị d2,q và xˆ 2q tương ứng với d2,q . + d2,min 4. Tính dq = d1,min với q = 1, L , Q . q q 5. Tìm chỉ số q̂ tương ứng với khoảng cách tối thiểu dqmin trong tổng số Q giá trị khoảng cách dq . dmin (a , q) = min det ((C k - C l )H (C k - C l )) Ck ¹ Cl (a opt , qopt ) = max dmin (a , q) (2.25) (xˆ , xˆ ) = (xˆ a ,q 1 trong đó C k và C l 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 4 6 M 2 4 8 16 2 4 8 16 6. Ma trận SC và các ký hiệu phát được xác định bởi Sˆ = S qˆ và a opt qopt dmin (a opt , qopt ) 1.323 0.963 0.963 0.75 0.785 1.178 1.178 1.178 0.844 1.318 1.318 1.318 1.178 1.408 1.36 0.948 1.4 3.99 3.99 3.97 1.21 1.68 1.04 0.44 2 qˆ 1 ) , x 2qˆ . 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. 2 Pb £ bN N- 1 N åi = 1 åj = i P (C i ® C j )wi , j (2.35) 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.