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

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của đề tàiHiện nay kỹ thuật truyền dẫn nhiều đầu vào - nhiều đầu raMIMO là những giải pháp đầy triển vọng và hiện tại đã được ứngdụng trong mạng di động

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 ứngdụng trong mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) có thể đáp ứng nhu cầu ngàycàng tăng về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên các kênh vôtuyến pha-đinh mà vẫn đảm bảo độ tin cậy cao và hiệu quả sử dụng phổtần lớn Để khai thác ưu điểm của hệ thống MIMO, các nhà nghiên cứutrên 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 mộttrong những bước tiến quan trọng nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy truyềntin 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 giảntrong 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 trựcgiao (OSTBC) kết hợp với điều chế không gian (SM) nhằm được cácmục tiêu: tăng hiệu suất sử dụng phổ tần; đạt được phân tập phát; táchsóng 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

trình hệ thống, kết hợp và khôi phục tín hiệu ở máy thu cũng như tínhtoán các giới hạn trên của tỷ lệ lỗi bit (BER) Mô phỏng Monte-Carlo sẽđược sử dụng để ước lượng được các tham số đánh giá chất lượng hệthống 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 khốikhông gian thời gian; các hệ thống điều chế không gian; các hệ thốngkết hợp giữa mã khối không gian thời gian (STBC) và điều chế khônggian/khóa dịch không gian (SM/SSK)

Phạm vi nghiên cứu

Các mã khối không gian thời gian, mã khối không gian thời giancấu trúc trực giao, các tiêu chuẩn thiết kế Các phương pháp điều chếkhông gian, điều chế không gian kết hợp mã khối không gian thời 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 buộcphải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần Các hệ thống có nhiều ăng-ten cả ở

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-tentruyền thống

Véc-tơ tín hiệu thu y với kích thước n R ×1 của một hệ thốngMIMO điểm điểm với n ăng-ten phát và T n ăng-ten thu như Hình 1.1 R

được cho bởi biểu thức:

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 n ´ H và n tương ứng là kênh truyền MIMO kích thước T 1

n ´ n và véc-tơ tạp âm kích thước n ´ R 1

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 phântập phát Phân tập phát là kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều ăng-ten ở phíaphát để truyền đi các tín hiệu được tổ chức theo một phương thức nào đónhằm tạo ra các tín hiệu chịu pha-đinh không tương quan ở phía máythu Máy thu có thể kết hợp các tín hiệu thu được để làm giảm các tácđộng của pha-đinh và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống

1.2 Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian

Để tăng độ lợi mã hóa cho một mã có bậc phân tập đầy đủ, mộttiêu chuẩn thiết kế tốt khác là cực đại hóa định thức cực tiểu của các matrận ( i, j)

Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát cho mã Alamouti.

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:

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 STBCtrực 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 hệthống nT ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu thực thoả mãn điều kiện trựcgiao như sau:

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 hệthống nT ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu phức thoả mãn điều kiện trựcgiao như sau:

nhờ vào tính phân tập đầy đủ và các thuật toán giải mã đơn giản củachúng Đây là một phần nền tảng lý thuyết cho phép nghiên cứu sinhthực 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 tượngnhiễu đồng kênh (ICI) làm cho độ phức tạp của bộ giải mã hợp lệ cựcđại (ML) tăng lên theo hàm mũ với số lượng ăng-ten phát Trongchương 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 phápđiều 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 nhưSTBC 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 saotín hiệu không gian (từ mã SC) Khi đó, các ma trận từ mã của hệ thốngHR-STBC-SM sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trận từ mã Alamoutivới các ma trận từ mã SC Để minh họa, nghiên cứu sinh đề xuất hai hệthống HR-STBC-SM cho 4 và 6 ăng-ten phát với số từ mã SC lần lượt là

4

T

n = ăng-ten phát và sử dụng điều chế BPSK, hệ thống SM có thểtruyền đi 3 bit trong mỗi chu kỳ tín hiệu

Hình 2.5: 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:

Bộ tách tối ưu dựa trên nguyên tắc hợp lệ cực đại như sau:

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 n T ăng-ten phát, số tổ hợp chập 2 của n T ăng-ten là 2

n = ê úé ùê 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 ,c i i = L 2, , ,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 n T ăng-ten phát và chưa được sử dụng trong các sách mã đã xây dựng trước đó.

5 Xác định góc quay q i 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 = argmaxdmin( )c

θ

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 trong kênh truyền pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm

Ma trận tín hiệu thu Y , kích thước n ´R 2:

c

r 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:

c

r m

m = m + m £ £ - l c Máy thu quyết định chọn khoảng cách

ML tối thiểu theo biểu thức ˆ argmin

l l

2.4.1 Mô hình hệ thống và khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu

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 n ´R 2Y được cho bởi biểu thức:

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 biếttrước, 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 xuyênsuốt của luận án cho phép nghiên cứu sinh thiết kế được các từ mãtrong các hệ thống SM-MIMO khác nhau

2.4.2 Hệ thống HR-STBC-SM và kỹ thuật khôi phục tín hiệu.

một số nguyên bất kỳ và a là góc pha cần được xác định

Chòm sao tín hiệu không gian WS cho n =T 4 ăng-ten phát bao

gồm Q = 8 từ mã SC như sau:

Tương tự như vậy, chòm sao tín hiệu không gian WS cho n =T 6

ăng-ten phát bao gồm Q = 16 từ mã SC như sau:

H min

min ,

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.

16 1.178 0.948 0.44

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, khôiphục tín hiệu được tóm tắt như sau:

1 Ứng với mỗi ma trận H và mỗi cặp tín hiệu q (x1,m,x2,m) trong chòm sao tín

hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau:

2 Tìm d 1,qmin trong số M giá trị d1,qm và xˆ1q tương ứng với d1,qmin.

3 Tìm d 2,qmin trong số M giá trị d2,qm và xˆ2q tương ứng với d2,qmin.

1

, 1

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 tháikênh truyền được máy thu biết rõ

T , n

R ) = (4, 4), 4-QAM, Simul (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM, Theory (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM, Theory (n

T , n

R ) = (6, 2), 8-QAM, Simul (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM, Simul

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 E N đủ lớn b 0

2.5 Kết luận.

Luận án đưa ra khái niệm mới là các từ mã chòm sao tín hiệukhông gian (từ mã SC) và dựa vào khái niệm này đề xuất mã điều chếkhông 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

T , n

R ) = (4, 4), 8-QAM Basar, (nT, nR) = (6, 2), 8-QAM Basar, (nT, nR) = (6, 4), 8-QAM

Hình 2.5: Các đường BER của mã

HR-STBC-SM đề xuất so với các đường

BER của mã STBC-SM đề xuất bởi

Basar và của mã STBC trực giao.

T , n

R ) = (2, 4), 16-QAM Basar, (nT, nR) = (4, 4), 8-QAM Basar, (n

T , n

R ) = (8, 4), 4-QAM HR-STBC-SM, (nT, nR) = (6, 4), 4-QAM

Hình 2.6: Các đường BER của mã đề

xuất so với các đường BER của mã STBC-SM đề xuất bởi Basar, V-BLAST

của mã STBC của Alamouti.

tương tự như với hệ thống STBC-SM nhưng có hiệu quả sử dụng phổtầncao 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, mãHR-STBC-SM có phẩm chất lỗi bit tốt hơn rất nhiều so với phẩm chấtlỗi 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 mãSM-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 matrận từ mã SC Ma trận tín hiệu thu Y tại máy thu được cho bởi biểuthức: Y = g HC + N = g HSX + N với H và N tương ứngbiểu thị ma trận kênh truyền n ´R 4 và ma trận tạp âm n ´R 4 Từ mãphát đi C được chuẩn hóa sao cho trung bình tập hợp của vết của C CH

bằng 3, tức là E{tr( C CH )} 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(C C m, n) là ma trận hiệu giữa hai từ mã C m và C n xác định

theo biểu thức: D(C C m, 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 đượctóm tắt như sau:

1 Hạng của ma trận CD(C C m, n) =DH(C C m, n) (D C C m, n) bằng 3 xét trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC C4,3 khác nhau.

2 Tích số tối thiểu,

3 min

Dựa vào các mã OSTBC cho 3 ăng-ten phát, nghiên cứu sinh địnhnghĩa các ma trận 4 3´ cơ sở G s1( ), G s2( ), G s3( ) Sử dụng phươngpháp “thử và sai” (trial and error) với sự trợ giúp của máy tính để xácđịnh dmin theo tiêu chí thiết kế trình bày ở trên, nghiên cứu sinh thuđược chòm sao tín hiệu không gian, WS, bao gồm Q =16 từ mã SC

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 H và mỗi ký hiệu k x i m, , i =1, 2, 3, trong chòm sao

tín hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau:

3.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận.

Luận án sử dụng giới hạn trên trong chương 2 (2.35) và mô phỏngMonte-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 thốngMIMO hiện có

SM, (n

T , n

R )=(4,2), 4-QAM VBLAST, (nT, nR)=(4,2), BPSK

C4,3, (nT,nR)=(4,2), 16-QAM

Hình 3.3: Các đường BER của mã

SM-OSTBC C4,3 đề xuất so với các đường

BER của mã SM, V-BLAST, mã Alamouti, Ismail STBC và STBC-SM.

T , n

R )=(4, 4), BPSK STBC-SM, (n

T , n

R ) = (4, 4), 8-QAM Ismail STBC, (n

T , n

R ) = (4, 4), 16-QAM C

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 n n n với nT ăng-ten phát do nghiên cứu sinh đề xuất Từ mã

SM-OSTBC C n n n ( , , )T R T 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

các từ mã SC cho

T

n ăng-ten phát cùng kích hoạt đồng thời được đề

xuất như sau:

1 Gán hai phần tử đầu tiên của véc-tơ 1 ´ n T s bằng 1, tức là q s q,1=s q,2 =1.

2 Gán (n - T 2) phần tử còn lại của sq với các giá trị trong tập {± ± được1, j} 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 n n n ( , , )T R T có được tính chất “định thứckhông triệt tiêu”, và do đó đạt được phân tập phát bậc 2

Hiệu quả sử dụng phổ tần của mã SM-OSTBC C n n n ( , , )T R T là

ìïïïïïïïïíïïïïïïïïî

víi ®iÒu chÕ - QAM víi ®iÒu chÕ BPSK vµ QPSK víi ®iÒu chÕ

M

(3

20)

3.3.3 Khôi phục tín hiệu trong hệ thống SM-OSTBC C n n n ( , , )T R T

Bộ giải mã SO-ML được tóm tắt như sau:

1 Với mỗi ma trận H%q và mỗi cặp tín hiệu

(x m,x m) trong chòm sao tín hiệu Wx, tính hai khoảng cách Euclide:

2 Tìm d 1,qmin trong số M giá trị d1,m q và x ˆ1q tương ứng với d 1,qmin.

3 Tìm d 2,qmin trong số M giá trị d2,m q và x ˆ2q tương ứng với d 2,qmin.

4 Tính d q =d1,minq +d2,minq , với q= L1, ,Q.

5 Tìm q tương ứng với khoảng cách tối thiểu ˆ min

7 Sử dụng Sˆ và (x xˆ ˆ1, 2) để khôi phục lại (2m l+ ) bit dữ liệu.

3.3.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận.

Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để đánh giá BER của mãSM-OSTBC C n n n ( , , )T R T với các cấu hình ăng-ten khác nhau và sosánh với nhiều hệ thống MIMO hiện tại bao gồm V-BLAST, mãAlamouti, QOSTBC, SM, STBC-SM, Srinath STBC, và G-STSK v.v