Tóm tắt:
Một giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu
suất băng thông là việc khai thác chiều không gian bằng cách sử dụng ghép kênh
theo không gian SDM. Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân
tập nhờ sử dụng các anten đa thu phát. Trong bài viết này, một kỹ thuật SDM
mới được gọi là giải mã hợp lệ cực đại MLD được đề cập. Đặc trưng SNR của
MLD được so sánh với các kỹ thuật SDM khác được chứng minh. Để đạt được
một tốc độ bit cao hơn và làm cho hệ thống chống nhiễu xuyên ký tự ISI mạnh
mẽ hơn, sóng mang đơn SDM được áp dụng thành công vào hiệu suất phổ
truyền đa sóng mang kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM
1
I. Giới thiệu
Những mục tiêu chính trong việc phát triển các hệ thống truyền thông
wireless mới là việc tăng dung lượng truyền (hay tốc độ bit) và cải thiện hiệu
suất phổ. Một giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể hiệu suất băng thông và
đặc tính dưới tạp âm là việc khai thác chiều không gian. Nghiên cứu lý thuyết
thông tin gần đây đã khám phá ra rằng kênh wireless đa đường có khả năng cần
thiết cho những dung lượng rất lớn, đã cung cấp rằng phân tập đa đường là
phong phú đầy đủ. Các giải pháp mà khai thác đa đường một cách đúng đắn có
thể được thu thập đưới dạng ghép kênh theo không gian SDM hoặc đa truy cập
phân chia theo không gian SDMA. Một cách cơ bản các kỹ thuật này truyền các
dòng dữ liệu khác nhau trên những anten phát khác nhau cùng một thời điểm,
với mục tiêu tăng dung lượng và hiệu năng của tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SNRKhi dùng các đa anten tốt tại đầu thu các dòng dữ liệu khác nhau mà được
trộn trong không khí có thể được khôi phục nhờ các kỹ thuật SDM như Zero
Forcing ZF hoặc V-BLAST. Với một V-BLAST nguyên mẫu, hiệu suất băng
thông của 20-40 bps/Hz đã được chứng minh trong môi trường trong nhà tại các
tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR và tỷ lệ lỗi. Trong bài viết này thuật toán SDM
khác được giới thiệu và được gọi là giải mã hợp lệ cực đại MLD. Nó chỉ ra cách
để có hiệu quả tốt nhất. Hơn nữa MLD được kết hợp với ghép kênh theo tần số
trực giao OFDM để tránh nhiễu xuyên ký tự ISI và làm cho hệ thống chống lại
hiên tượng fadinh chọn tần
Ghi nhớ rằng sự khác nhau giữa SDM và SDMA là SDMA cho phép những
người dùng khác nhau truyền đồng thời trên mỗi anten đơn, trong khi đó trong
SDM một người dùng đơn truyền đồng thời trên đa anten.
Hiện nay rẩt nhiều nghiên cứu đang tiếp tục phát triển để áp dụng thu phát
phân tập vào các kỹ thuật đa sóng mang như OFDM. Một số các kỹ thuật thu
phát phân tập cho OFDM được đề xuất trong [6.7] và [8-10]. Sự khác nhau với
2
SDM là với SDMA hiệu năng của tỷ số tín hiệu trên tạp âm và tốc độ dữ liệu có
thể được cải thiện
Các kỹ thuật SDM có sự liên quan gần đến các mã không gian-thời gian
[11-12]. Sự khác nhau là cho các mã không gian- thời gian, dữ liệu được mã hóa
trong không gian và thời gian trong các anten khác nhau để tối đa hóa độ lợi mã
hóa và độ lợi phân tập. Do đó một ký tự được mã hóa và tất cả các anten được
dùng để phát ký tự đó. SDM đạt được tốc độ bit cao hơn nhờ phát các ký tự khác
nhau đồng thời trong các anten phát khác nhau. Độ lợi mã hóa đạt được bằng
cách mã hóa dữ liệu với ưu điểm của mã chập
II Liên kết đa anten: Chế độ tín hiệu
Trong phần này, một chế độ tín hiệu cho liên kết đa anten sẽ được chỉ rõ mà
trong đó băng thông kênh truyền thông được giả định đủ hẹp để kênh có thể
được xử lý như mặt phẳng tần số (đó là phadinh phẳng)
Hình: 1
Một hệ
thống
truyền
thông gồm có
Nt anten phát
và Nr anten thu sẽ được xét đến. Hệ thống được giả định để vận hành trong một
môi trường phadinh phẳng Rayleigh và khai thác chiều không gian bằng ghép
kênh theo không gian SDM hình 1. Tại những khoảng thời gian rời rạc, đầu phát
gửi một vector tín hiệu Nt chiều s. Đầu thu ghi một vector tín hiệu Nr chiều x.
Công thức sau mô tả quan hệ giữa s và x:
x=Hs+v
Trong đó H là một ma trận c2 truyền hoàn chỉnh kích thước Nt x Nr
mà không đổi với sự chú ý về thời gian lấy mẫu và được giả thiết rằng được
3
nhận biết ở đầu thu (vd: truyền chuỗi hướng dẫn). Theo giả thiết hệ thống hoạt
động trong môi trường phadinh phẳng Rayleigh, ta có thể nói rằng H phân tán
độc lập và đồng nhất, zero-mean, circularly-symmetric, thực thể Gaussian hoàn
chỉnh với đơn vị khác nhau ( sự khác nhau của mỗi thực thể là =1) [13].
Vecto Nr chiều v biểu diễn zero-mean, tạp âm Gaussian trắng hoàn chỉnh
với ma trận liên hợp:
Trong đó * ký hiệu của ma trân s2 j hoán vị liên hợp. Ma trận I với chỉ số
dưới Nr thay thế cho ma trận đồng nhất với Nr chiều. Vecto s được giả định để
có zero mean, các biến ngẫu nhiên không liên quan tới biến . Tổng công suất
của s đó là ( E[s*s])được gọi là P ( độc lập với số lượng các anten phát ). Do đó
ma trân liên hợp của s tính theo công thức:
Hơn nữa các
vecto s và v được giả thiết la độc lập ( E[s v*]=0). Lúc đó tỷ số tín hiệu trên tạp
âm được kỳ vọng cho mỗi anten thu, đó là tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho mỗi
thành phần của x được xác định bằng công thức:
Trong đó Es là công suất tín hiệu trên mỗi anten thu và N0 là công suất tạp
âm trên mỗi anten thu
III. Dung lượng
4
Cung cấp ma trận kênh H đã biết ở bộ thu, dung lượng Shannon cho một hệ
thống SDM được cho bởi công thức [1]:
(5)
bps/Hz
1
C log 2 det I N 2 HQH *
r
v
log 2 det I N r
HH *
N
t
Trong đó Q là ma trận hiệp phương sai của véc tơ truyền s được cho bởi
đẳng thức (3). Ví dụ, hãy xét dung lượng với N r=Nt=N trong giới hạn N lớn.
Theo định luật các số lớn, khi HH*/N
IN gần như chắc chắn N lấy giá trị lớn
vì vậy dung lượng cho N lớn là tiệm cận với:
C N log 2 (1 )bps / Hz
(6)
Từ đẳng thức này có thể kết luận rằng với SNR cao và N r=Nt=N, việc chia
tỷ lệ dung lượng giống N với số bps/Hz nhiều hơn cho mỗi 3dB SRN cải thiện
được, trong khi với một hệ thống truyền thông không dây thông thường
(Nr=Nt=1) với tổng công suất truyền P tương tự, tỷ lệ chia chỉ là 1 bps/Hz[1].
IV. Giải mã hợp lý cực đại
Kỹ thuật SDM mô tả trong bài 1
jK
này được gọi là giải mã hợp lý cực đại (MLD-Maximum Likelihood Decoding).
Trong MLD, s là sự ước lượng theo nguyên tắc hợp lý cực đại. Ý tưởng tìm ra
véc tơ sj cho mỗi xác suất P(sj|x) được cực đại hóa (với ), trong đó K biểu hiện
tất cả các véc tơ có thể truyền:
K = MN
5
(7)
Với M biểu diễn số lượng các tập hợp điểm theo quy tắc Using Bayes. Xác
suất này có thể được trình bày như sau:
P( s j | x)
p( x / s j ) P( s j )
p ( x)
(8)
ở đó p(x|sj) là hàm mật độ xác suất điều kiện (pdf – probability density
function) của véc tơ được xét, cho rằng s j được truyền đi. P(sj) là xác suất được
truyền của véc tơ thứ j. Nếu các véc tơ K là tương đương có thể được truyền thì
P(sj)=1/K. Hơn nữa mẫu số của đẳng thức (8) phụ thuộc vào s j. Do đó việc tìm
véc tơ P(sj|x) cực đại là tương đương với việc tìm véc tơ p(x|s j) cực đại. pdf điều
kiện p(x/sj) là một tổ hợp phân bố chuẩn nhiều chiều. Đẳng thức chung của một
tổ hợp phân bố chuẩn nhiều chiều x có thể biểu diễn như sau:
p( x) det Q exp x Q 1 x
1
*
(9)
Với một kênh đặc trưng H và cho trước sj dẫn tới:
p ( x H , s j ) det Q e
1
(10)
x Hs j
* Q 1 x Hs j
Với Q bằng:
(11)
Q E x x E x Hs j x Hs j E w* v2 I N r
*
*
Đây là các kết quả trong pdf điều kiện:
6
p ( x H , s j ) det Q e
1
1
v2
x Hs j * x Hs j
(12)
Do đó việc tìm kiếm xác suất điều kiện cực đại P(sj|x) dẫn tới:
^
s arg s j s1 ,..., sK max p ( x | H , s j )
arg s j s1,..., s min || x Hs j ||
K
(13)
Đẳng thức cuối cùng là giải pháp MLD. Chú ý rằng MLD là tối ưu với
công năng hệ thống vì nó tìm ra xác suất điều kiện P(s j|x) lớn nhất dẫn tới xác
suất lỗi ký tự nhỏ nhất.
Chú ý rằng giải pháp MLD N t
N R (3,4)
yêu cầu một sự tìm kiếm mọi khía cạnh thông qua tất cả các véc tơ K có thể
được truyền. Vì vậy độ phức tạp của nó tỷ lệ với K, đây chính là sự bất tiện chủ
yếu của phương pháp này. Với số lượng anten phát nhỏ (N t<5) tuy nhiên độ phức
tạp dường như là hợp lý. Chú ý với ZF và V-BLAST phải giữ như sau: , trong
khi MLD không yêu cầu điều này.
V. Các kết quả mô phỏng
Kỹ thuật SMD MLD được lập trình trong Matlab và một số quá trình mô
phỏng đã được sử dụng để đạt được công năng BER. Trong hình 2, các BER cho
các cấu hình anten khác nhau được mô tả chống lại SRN cho mỗi anten thu. Hơn
nữa một sơ đồ điều chế BPSK được sử dụng và dữ liệu được truyền đi mà không
cần mã hóa.
7
Hình
2.
BER với SNR
trung bình với
mỗi
nhận
anten
cho
MLD, BPSK,
không mã hóa
cho cấu hình
anten (Nt,Nr)
bằng a) (2,1), b) (1,1), c) (3,2), d) (2,2), e) (3,3) và f) (4,4).
Tù hình 2 có thể thấy trình tự đa dạng của một hệ thống dựa trên kỹ thuật
MLD bằng với số lượng các anten thu (Nr) (xem chứng minh trong mục [15]).
Vậy nên các thứ tự của các đường cong a, b, c, d, e và f được sắp xếp theo thứ tự
lần lượt 1, 1, 2, 2, 3 và 4. Ở đường thứ 3 chỉ ra thuật toán ZF đạt được một sự đa
dạng với Nr-Nt+1, theo đó MLD thực hiện tốt hơn đáng kể.
Hầu hết sự chú ý tới MLD là do việc đưa vào một anten thu và anten phát
bổ xung, dung lượng và công năng BER tăng lên. Ngoài ra nó nên thông báo
rằng tính năng BER của một hệ thống MLD không mất đi trình tự đa dạng nếu
số lượng các anten truyền giảm, nhưng tính năng tổng cộng bị suy giảm ( ví dụ
các đường cong trong hình 2 dịch chuyền về bên phải khi có nhiều anten được
bổ xung hơn).
VI. SMD kết hợp với OFDM
Trong tương lai gần, các ứng dụng để điều khiển các tần số sóng mang
trong dẫy vài GHz sẽ được dựa trên các hệ thống đa sóng mang giống như
OFDM, nó trở nên rõ ràng hơn từ phần [5], ví dụ các chuẩn mới cho các mạng
8
LAN không dây (ví dụ chuẩn 802.11a của IEEE). Vì vậy một hệ thống kết hợp
giữa SDM với OFDM được đưa ra trong phần này. Nó được mô tả là kênh phụ
với băng thông rất hẹp đến nỗi kênh truyền thông cho mỗi sóng mang phụ có thể
được xử lý với tần sổ ổn định.
Các thuật toán SDM là các thuật giải sóng mang đơn vậy nên trong thứ tự
kết hợp SDM với OFDM, SDM phải được sử dụng cho mỗi sóng mang. Cho
một hệ thống với cấu hình anten (Nt,Nr), mọi sóng mang phụ mang các luồng dữ
liệu Nt. Tại các đầu thu Nr thông tin sóng mang phụ được được tách ra bằng việc
sử dụng các khối biến đổi Fourier nhanh (FFT). Sau đó các ký tự thông tin N r
của sóng mang phụ i được định hướng tới khối xử lý đa anten (MAPU) thứ i, ở
đó MLD được thực hiện để khôi phục các tín hiệu dữ liệu được truyền N t cho
mỗi sóng mang phụ. Cuối cùng, giải ánh xạ, giải đan xen và giải mã được thực
hiện (hình 3).
Hình 3.
Bộ
thu
đa
anten
sử
dụng
SDM
kết hợp với
OFDM.
Thành phần truyền có thể gồm nhiều người dùng khác nhau ( trong trường
hợp của SDMA) hoặc một bộ thu đa anten ( trường hợp SDM ) hoặc kết hợp cả
hai, điều đó giải thích tại sao các chuỗi truyền nên được tách biệt. Điều này
được biểu diễn phác họa trong hình 4. Chú ý trong trường hợp của SDMA, theo
9
trình tự sử dụng đúng thuật toán MLD, các tín hiệu tại đầu thu cần phải được
đồng bộ. Do đó việc đông bộ hóa các đầu thu là cần thiết.
Hình 4 Bộ truyền phát nhiều anten sử dụng OFDM
VI. Các mô phỏng và kết quả
A. Các thông số mô phỏng
Các hệ thống dự kiến trong hình RMS 3 và 4 đã được mô phỏng trong C++.
Bảng 1 liệt kê các thông số chính của quá trình mô phỏng. Chúng được dựa trên
chuẩn OFDM IEEE 802.11a. Tham số chủ yếu là khoảng thời gian bảo vệ
800ns. Khoảng thời gian này được đưa ra để cung cấp độ chắc chắn cho các
khoảng trể RMS (Root Mean Square) () lên tới vài trăm nano giây. Trong thực tế
điều này có nghĩa hệ thông là đủ chắc chắn để sử dụng trong bất kỳ môi trường
indoor nào bao gồm cả các công trình nhà mày lớn.
Theo chuẩn IEEE 802.11a, 48 sóng mang phụ được sử dụng và việc giải
mã các tốc độ dữ liệu tử 12 tới 72 Mbps có thể đạt được bằng việc sử dụng các
loại điều chế khác nhau tử BPSK tới 64 QAM. Thứ tự hiệu chỉnh các sóng mang
phụ trong sự tắt dần nhanh, chuyển tiếp hiệu chỉnh lỗi qua các sóng mang phụ
được sử dụng với tốc độ mã hóa thay đổi, cho trước tốc độ mã hóa thay đổi từ 6
10
tới 54 Mbps. Mã chập được thực hiện với tốc độ chuẩn công nghệ 1/2, độ dài mã
cưỡng bức 7 với các đa thức sinh (133,171).
11
Bảng I: Các thông số chính của quá trình mô phỏng dựa trên công nghệ
OFDM chuẩn IEEE 802.11a
Điều chế
Tốc độ mã hóa
Số sóng mang phụ
Số sóng mang phụ sử dụng
Thời gian tồn tại một ký hiệu
QPSK
½
64
48
4
OFDM
Khoảng bảo vệ
s
800ns
B.Mô phỏng và các kết quả.
Các mô phỏng được sử dụng cho các cấu hình anten khác nhau và/hoặc các
khoảng trễ khác nhau. Hơn nữa nó giả định rằng mọi kênh thành phần (ví dụ
kênh giữa một anten truyền và nhận riêng) bao gồm các đường suy giảm
Rayleigh với một đường trễ công suất giảm dần theo hàm mũ. Hình 5 chỉ ra tỷ lệ
gói lỗi (PER- Packet Error Rate) với E b/N0 trung bình của mỗi anten nhận cho
các khoảng trễ khác nhau. Các mô phỏng được sử dụng cho hệ thống a(2,2) ( ví
dụ hệ thống a với cấu hình anten (Nt,Nr)=(2,2) và dữ liệu được mã hóa với tốc
độ ½ mã chập và TG=800ns. Tốc độ bit kênh là 48Mbps hoặc sau khi mã hóa là
24Mbps).
Từ hình 5 có thể kết luận rằng công năng của PER đầu tiên tăng khi khoảng
trễ tăng nhưng nếu khoảng trễ vượt quá 267ns, công năng bắt đầu giẩm dần trở
lại. Điều này có thể giải thích như sau. Nếu khoảng trễ tăng, sự suy giảm thay
đổi từ chỗ ổn định tới tần số chọn suy giảm. Như một hệ quả điều đó có thể gây
ra một số thay đổi tương đối lớn giữa các sóng mang phụ trong băng thông tín
hiệu OFDM. Các lợi ích mã hóa từ các sóng mang phụ mạnh hơn tới việc bù
đắp cho các sóng mang phụ bị khuếch tán. Cuối cùng nếu các khoảng trễ trở nên
lớn hơn 267ns, công năng hệ thống giảm dần bởi trong trường hợp này các
đường dẫn với độ trễ lớn không thể được phân tách khỏi các khoảng bảo vệ và
sẽ xuất hiện các nhiễu ký tự(ISI-Inter Symbol Interference).
12
Hình
5.
PER với Eb/N0
trung bình mỗi
anten
nhận
cho các đường
dẫn suy giảm
Rayleigh
với
một đường trễ công suất giảm dần theo hàm mũ, QPSK, các gói 64 byte, tốc độ
mã hóa ½, (Nt,Nr)=(2,2). Khoảng trễ RMS là a) 17, b) 33, c) 67, d) 133, e) 267,
f) 533 ns.
Kết quả ISI tạo ra một lỗi không đưa về dạng ban đầu được, thậm chí nó
mang tới các SNR cao. Theo đó phải chú ý tới mức PER với các khoảng trễ đã
chuẩn hóa cho các cấu hình anten khác nhau. Các kết quả được chỉ ra trong hình
6. Các mô phỏng được thực hiện với giá trị SNR cao khoảng 80 dB. Khi so sánh
các đường cong b, c và d có thể kết luận rằng một hệ thống OFDM trở nên mạnh
hơn để hạn chế các khoảng trễ bằng cách đưa vào các anten nhận bổ xung. Điều
này dựa trên sự việc làm cho một hệ thống SMD trở nên mạnh hơn để chống lại
các nhiễu Gaussian trong trường hợp đưa vào sử dụng các anten bổ xung ( thí dụ
thứ tự gia tăng sự phân tán ). Bề ngoài, các ký hiệu OFDM bị làm trễ có nhiều
hoặc ít các đặc điểm được coi như nhiễu Gaussian.
Nếu một anten truyền bổ xung được đưa vào, tuy nhiên công năng dưới
khoảng trễ giảm dần, điều này có thể được giải thích bởi một “nhiễu” bổ xung
được đưa vào. Từ hình 6, tuy nhiên nó có thể được thông báo rằng hệ thống
a(1,1) (đường cong b) và hệ thống a(2,2) (đường cong e) có thể so sánh được
với nhau về công năng. Vậy nên việc gia tăng dung lượng ( bằng việc đưa vào
13
các anten truyền và nhận bổ xung) không có ảnh hưởng tiêu cực tới công năng
khoảng trễ.
Hình
6. rms
Các tỷ lệ lỗi
gói
bất
khả
quy
với
khoảng
trễ
chuẩn hóa cho
các
byte,
gói
64
QPSK,
tốc độ mã hóa ½(ngoại trừ đường cong a) và cấu hình anten (N,N ): a) (1,1),
không mã hóa, b) (1,1), c) (1,2), d) (1,3), e) (2,2), f) (2,3).
14
/ TG
VIII.Kết luận
Ghép kênh phân chia theo thời gian, nhất là mục đích của thuật toán giải
mã hợp lý cực đại trong bài này là một giải pháp hứa hẹn để đạt được mật độ
phổ truyền dữ liệu trong một môi trường giàu tính phân tán. Bởi SMD lợi dụng
tính phân tán đa đường, công năng hệ thống và BER có thể được cải thiện. Nó
đã được chứng minh rằng MLD có công năng tốt nhất và từ các mô phỏng đã
kết luận nó có sự sắp xếp đa dạng, trong trường hợp suy giảm Rayleigh, bằng
với số lượng anten thu.
MLD đã thực hiện thành công OFDM để đạt được sự chắc chắn cao hơn để
hạn chế suy giảm tần số lựa chọn. Khoảng trễ kênh được mô hình hóa bởi sự suy
giảm Rayleigh theo hàm mũ. Từ các kết quả mô phỏng rút ra kết luận khoảng trễ
cho phép không bị suy giảm bởi việc đưa vào các anten truyền và nhận.
15
MỤC LỤC
Tóm tắt:................................................................................................................1
I. Giới thiệu..........................................................................................................2
II Liên kết đa anten: Chế độ tín hiệu.................................................................3
III. Dung lượng....................................................................................................5
IV. Giải mã hợp lý cực đại..................................................................................6
V. Các kết quả mô phỏng....................................................................................8
VI. SMD kết hợp với OFDM..............................................................................9
VI. Các mô phỏng và kết quả...........................................................................11
VIII.Kết luận......................................................................................................15
16
- Xem thêm -