Mã khối không thời gian trong hệ thông tin băng rộng

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá DFT Discrete Fourier Transfor

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

- -

NGUYỄN THẾ ĐÀN

MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

HÀ NỘI - 2011

MỤC LỤC 3

CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 1

1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

2 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN 1

Chương 1 3

KÊNH PHA ĐINH TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN 3

1.1 Giới thiệu chương [6] 3

1.2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến [2] 3

1.1.1 Miền không gian 4

1.1.2 Miền tần số 5

1.1.2.1 Thay đổi tần số: 5

1.1.2.2 Chọn lọc tần số 5

1.1.3 Miền thời gian 6

1.1.3.1 Trải trễ trung bình quân phương, RDS 6

1.1.3.2 Trễ trội cực đại 7

1.1.3.3 Thời gian kết hợp 7

1.1.4 Quan hệ giữa các miền khác nhau 7

1.1.4.1 Băng thông kết hợp và trải trễ trung bình quân phương 7

1.1.4.2 Thời gian kết hợp và trải Doppler 8

1.2 Vấn đề pha đinh trong môi trường vô tuyến [6] 8

1.2.1 Pha đinh là gì? 8

1.2.2 Nguyên nhân gây nên pha đinh 8

1.2.3 Phân loại pha đinh 9

1.2.3.1 Pha đinh đa đường 9

1.2.3.2 Pha đinh phẳng và pha đinh chọn lọc tần số 12

1.2.3.3 Pha đinh chậm và pha đinh nhanh 12

1.2.4 Mô hình pha đinh theo quan điểm thống kê 13

1.2.4.1 Pha đinh Rayleigh 13

1.2.4.2 Pha đinh Rice 13

1.2.5 Tổng kết về pha đinh 14

1.3 Kết luận chương 14

Chương 2 16

MÃ KHÔNG THỜI GIAN 16

2.1 Giới thiệu chương 16

2.2.2 Phân tập thu - phát 18

2.3 Hệ thống mã không gian thời gian [5] 20

2.3.1 Xét về mặt hiệu năng 22

2.3.2 Xét về mặt cấu trúc [5] 23

2.4 Mã Alamouti 23

2.4.1 Mã hóa không thời gian Alamouti .24

2.4.2 Ma trận kênh ảo tương đương của mã Alamouti 26

2.4.3 Tổ hợp và giải mã hợp lý nhất 26

2.4.4 Nguyên lý Alamouti với nhiều anten thu 27

2.4.5 Mã khối không gian thời gian với các chuỗi tín hiệu thực [5] 28

2.4.6 Mã khối không thời gian với các chuỗi tín hiệu phức[5] 29

2.5 Kết luận chương 30

Chương 3 31

Hệ OFDM 31

3.1 Giới thiệu chương[9] 31

3.2 Tính trực giao 31

3.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 32

3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM 32

3.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 34

3.3.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 35

3.3.2.2 Tầng điều chế sóng mang con 36

3.3.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 36

3.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF 37

3.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 39

3.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 39

3.4.2 Các thông số trong miền thời gian TD 40

3.4.3 Các thông số trong miền tần số FD 41

3.4.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số .41

3.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 42

3.5 Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống OFDM và cách khắc phục 43

3.5.1 Ảnh hưởng của ISI 43

3.5.2 Ảnh hưởng của ICI 43

3.6 Kết luận 44

Chương 4 45

STBC – OFDM 45

4.1 Giới thiệu chương 45

4.2 Hiệu năng của STBC trên kênh pha đinh lựa chọn tần số 45

4.2.1 Kênh pha đinh lựa chọn tần số 45

4.2.2 Phân tích hiệu năng 47

4.3 STBC trong hệ thông tin OFDM băng rộng 49

4.4 Phân tích hiệu năng của hệ thống STBC-OFDM[5] 52

5.1 Giới thiệu chương 56

5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống STBC - OFDM 56

5.2.1 Mô hình mô phỏng 56

5.2.2 Giới thiệu chương trình mô phỏng 57

5.3 Mô phỏng 59

5.3.1 Thiết lập các thông số hệ thống 59

5.3.2 Mô phỏng hệ truyền thông STBC – OFDM (MIMO - OFDM) 60

5.3.3 Mô phỏng đánh giá hiệu năng STBC – OFDM và OFDM 66

5.4 Kết luận chương 70

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá

DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Furrier rời rạc

ECVM Equivalent Virtual Channel

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng thuận

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FSR Fourier fast Transformation and

Symbol time Ratio

Tỷ số giữa thời gian FFT và thời gian ký hiệu

HDTV High-Definition Televison Truyền hình độ phân giải cao ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang

IFFT Inverse Fast Fourier

Transformation Biến đổi Furrier ngược nhanh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng hợp lẽ tối đa

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương

tối thiểu

MIMO Multi-Input and Multi-Output Hệ thống đa đường vào đa

đường ra

OFDM Orthogonal Frequency Division

QAM Quadrature Amplitude

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SM Spatial Multiplexing Ghép kênh theo không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm STC Space-Time Coding Mã hóa không gian-thời gian

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba

Hình 1.1 Tính chất kênh trong miền không gian, 3

miền tần số và miền thời gian 3

Hình 1.2 Khái niệm về đa đường 9

Hình 1.3 Truyền tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu 10

Hình 1.4 Hàm phân bố mật độ đường bao Rayleigh và 12

phân bố công suất hàm mũ 12

Hình 1.5 Tổng quan về sự suy hao và pha đinh 14

Hình 2.1 Chất lượng BER của BPSK trên các kênh fading Rayleigh 19

sử dụng phân tập phát 19

Hình 2.2 Mô hình băng cơ sở 20

Hình 2.3 Sơ đồ khối của bộ phát dùng mã hóa không thời gian Alamouti 24

Hình 2.4 Bộ thu theo sơ đồ Alamouti 25

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 35

Hình 3.2 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR=18dB 36

Hình 3.3 Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM 36

Hình 3.4 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng cơ sở phức 37

sử dụng kỹ thuật tương tự 37

Hình 3.5 Điều chế cao tần tin hiệu OFDM băng tần cơ sở phức 37

sử dụng kỹ thuật số 37

Hình 3.6 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian 38

Hình 3.7 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tâm 39

Hình 3.8 Cấu trúc tin hiệu OFDM 39

Hình 3.9 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 41

Hình 5.2 Giao diện chính 57

Hình 5.3 giao diện mô phỏng tuyến truyền dẫn STBC - OFDM 58

Hình 5.4 Giao diện mô phỏng BER (STBC – OFDM và OFDM) 59

Hình 5.5 Chuỗi bit truyền và nhận 61

Hình 5.6 Tín hiệu OFDM miền thời gian 61

Hình 5.7 Phổ tín hiệu OFDM (QPSK) 62

Hình 5.8 Giản đồ chòm sao phát và thu trước khi giải điều chế 62

Hình 5.9 Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten thu-phát 63

Hình 5.10 Chuỗi bít truyền và nhận(BPSK) 63

Hình 5.11 Tín hiệu OFDM miền thời gian (BPSK) 63

Hình 5.12 Phổ tín hiệu OFDM (BPSK) 64

Hình 5.13 Giản đồ chòm sao phát và thu trước khi giải điều chế (BPSK) 64

Hình 5.14 Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten phat-thu (BPSK) 65

Hình 5.15 Tín hiệu OFDM miền thời gian (16QAM) 65

Hình 5.16 Phổ tín hiệu OFDM(16QAM) 65

Hình 5.17 Giản đồ chòm sao phát và thu trước khi giải điều chế (16QAM) 66

Hình 5.18 Đáp ứng kênh truyền giữa các cặp anten phat-thu (16QAM) 66

Hình 5.19 Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (BPSK) 68

Hình 5.20 Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (QPSK) 68

Hình 5.21 Hiệu năng hệ thống STBC-OFDM và OFDM (16-QAM) 69

MỞ ĐẦU

1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng gia tăng và đã có những bước tiến vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của các loại hình dịch vụ như Video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện ngày càng một phát triển Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: Pha đinh, giới hạn về băng thông, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu Vì vậy vấn đề khám phá tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên nhưng vẫn đảm bảo chất lượng truyền luôn là những chủ đề được quan tâm nghiên cứu, triển khai

Hai kỹ thuật OFDM và MIMO được coi là kỹ thuật chủ đạo cho các hệ thống vô tuyến thế hệ sau như WIMAX và 4G: Từ quan điểm lập luận này, vấn

đề có tính chất then chốt là xây dựng các giải thuật để khai thác và xử lý triệt để đặc tính của kênh truyền vô tuyến Hệ thống MIMO ra đời là một giải pháp hiệu quả để cải thiện dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Hệ MIMO có ưu điểm là hiệu suất sử dụng phổ và độ phân tập cao Một cách tăng phẩm chất, giảm (BER) của MIMO là thực hiện mã hóa không thời gian, một kỹ thuật mã hóa được thiết kế với nhiều anten phát, thu Việc sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này dẫn đến cấu trúc của hệ thống thu phát có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này Vì vậy, em đã chọn đề

tài “Mã khối không thời gian trong hệ thông tin băng rộng” Trong đề tài

này em đi sâu vào tìm hiểu một số kỹ thuật về mã hóa, đặc biệt là mã khối trực giao và ảnh hưởng của nó đối với kỹ thuật OFDM Với cơ sở lý thuyết này, em

đã mô phỏng trực quan chứng minh sự ảnh hưởng của mã khối đối với hệ thống truyền thông OFDM

2 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung của luận văn gồm các chương sau:

Chương 2: Mã không gian thời gian

Chương 1 KÊNH PHA ĐINH TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương [6]

Truyền thông qua các kênh vô tuyến nhất là đối với kênh vô tuyến di động

là một hiện tượng hết sức phức tạp, được đặc trưng bởi các hiệu ứng khác nhau như hiệu ứng đa đường , hiệu ứng đám mây Việc tính toán một cách chính xác

để mô tả về các hiện tượng này hoặc là chưa biết hoặc là quá khó để phân tích đối với hệ thống truyền thông Tuy nhiên, qua những nỗ lực đáng kể cho đến nay đã đưa ra được các mô hình trong đó có mô hình thống kê nhằm mô tả được các đặc điểm của các hiệu ứng khác nhau này Kết quả là một loạt các mô hình thống kê tương đối đơn giản và chính xác cho các kênh pha đinh phụ thuộc vào các môi trường truyền thông cụ thể và dưới các kịch bản truyền thông khác nhau

đã ra đời

Mục đích chính của chương này là nhằm xem xét các đặc tính của kênh truyền

vô tuyến cũng như các mô hình của kênh pha đinh đối với môi trường vô tuyến

1.2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến [2]

Trong thông tin vô tuyến di động, các yếu tố chính hạn chế bắt nguồn từ môi trường vô tuyến về cơ bản có thể kể đến là: Suy hao, che phủ, pha đinh đa đường, phân tán theo thời gian và nhiễu

Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi

từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn đối với các vị trí khác nhau Do đó, xem xét các đặc tính của kênh truyền vô tuyến ta phải xem xét chúng ở một số đặc tính như không gian, tần số, thời gian

Hình 1.1 Tính chất kênh trong miền không gian,

miền tần số và miền thời gian

trong các miền không gian, thời gian và tần số

1.1.1 Miền không gian

Đối với các mô hình truyền sóng truyền thống việc đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng thì kênh thể hiện các đặc tính ngẫu nhiên rất rõ rệt Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian

Tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền mô tả sự suy hao tín hiệu giữa anten phát

và anten thu và được coi như là một hàm phụ thuộc và khoảng cách và các thông

số khác Một số mô hình xét chi tiết về địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số mô hình chỉ xét đến tần số và khoảng cách Chiều cao của anten là một thông số quan trọng Khi đó tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ

Trong đó n là số mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trường trong nhà, n>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát

Từ lý thuyết và các kết qủa đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố loga chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách) Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta

có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau:

Trong đó là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cách thu phát d, là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với độ lệch chuẩn σ (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chiếu chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là số mũ tổn hao đường truyền

Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối với

một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí khác nhau Nói một cách khác, pha đinh chỉ đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian)

Trong đó ν là tốc độ cuả MS, λ là bước sóng,  là góc giữa phương chuyển động cuả MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang Từ phương trình trên ta có thể thấy rằng nếu MS di chuyển về phía sóng tới thì dịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi ν và (hoặc)  thay đổi thì dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler

1.1.2.2 Chọn lọc tần số

Trong khuôn khổ nội dung của luận văn này sẽ phân tích vấn đề chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số đó là băng thông kết hợp Băng thông kết hợp (coherence bandwidth) là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh pha đinh được coi là kênh pha đinh "phẳng" (là kênh trong đó tất

cả các thành phần phổ đựơc truyền qua với độ khuyếch đại như nhau và tuyến tính về pha) Băng thông kết hợp cho ta dải tần trong đó các thành phần tần số

có biên độ tương quan Băng thông kết hợp xác định kiểu pha đinh xẩy ra trong kênh và vì thế nó đóng vai trò cơ sở trong viêc thích ứng các thông số điều chế

và băng thông kết hợp tỷ lệ nghịch với trải trễ

Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian Ta có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,τ) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường thay đổi theo thời gian, thì

ta có thể biểu diễn tín hiệu thu như là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau

Trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị

t cố định

Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng tán thời hay trải trễ Phân tán thời gian hay trải trễ xẩy ra khi một tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài khác nhau Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ (tán xạ) khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau Tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của phân tán theo thời gian này sẽ bị méo dạng Trong khi thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến

số để truyền dữ liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ này

1.1.3.1 Trải trễ trung bình quân phương, RDS

Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình căn quân phương (RDS: Root Mean Squared Delay Spread) RDS là một số đo thích hợp cho trải đa đường của kênh Ta có thể sử dụng nó để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu (giao thoa) giữa các ký hiệu (ISI: Inter-Symbol Interference)

1.1.4 Quan hệ giữa các miền khác nhau

Ở các phần trước ta đã chỉ ra các đặc tính kênh và các thông số của nó trong các miền không gian, tần số và thời gian Các đặc tính này không tồn tại một cách độc lập với nhau mà có quan hệ mật thiết tương ứng giữa các miền Một số thông số trong miền này ảnh hưởng lên các đặc tính của miền khác, sau đây ta sẽ xem xét mối quan hệ giữa các thông số này

1.1.4.1 Băng thông kết hợp và trải trễ trung bình quân phương

Ta đã biết rằng hồ sơ về trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến di động quan hệ với nhau qua biến đổi Fourrier Vì thế, ta có thể trình bầy kênh trong miền tần số bằng cách sử dụng các đặc tính đáp ứng tần số của nó

thông kết hợp cho đặc trưng kênh trong miền tần số Tuy trải trễ trung bình căn quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông kết hợp và ngược lại, song quan hệ chính xác cuả chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc đa đường Nếu ký hiệu băng thông kết hợp là Bc và trải trễ trung bình căn quân phương là  thì hàm tương quan đường bao lớn hơn 90% Băng thông kết hợp và trải trễ trung bình căn quân phương có mối liên hệ như sau

Trong đó στ theo (1.5)

Như thế hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, vì thế trong quá trình thiết kế hệ thống ta chỉ cần xét một trong hai thông số đó

1.1.4.2 Thời gian kết hợp và trải Doppler

Thời gian kết hợp chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, nó là thông

số kênh trong miền thời gian đối ngẫu với trải Doppler Trải Doppler và thời gian kết hợp là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau và được cho bởi công thức

Trong đó BDmax theo (1.3)

Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thông số nói trên là đủ

1.2 Vấn đề pha đinh trong môi trường vô tuyến [6]

1.2.1 Pha đinh là gì?

Khi tín hiệu được truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu nó bị phản xạ, tán

xạ, khúc xạ và nhiễu xạ bởi những cấu trúc khác nhau trên kênh truyền Kết quả là tín hiệu tại ăng ten thu là tổng hợp của các tín hiệu này, nếu may mắn thì các tín hiệu này đồng pha và cường độ tín hiệu được tăng cường Nhưng nếu các tín hiệu này triệt tiêu lẫn nhau làm cường độ tín hiệu tại ăng ten thu giảm nghiêm trọng (ngang mức nhiễu) - đó chính là hiện tượng pha đinh

1.2.2 Nguyên nhân gây nên pha đinh

Như đã đề cập ở phần trên, đặc tuyến truyền dẫn không chỉ xác định bởi suy hao Sự mất mát hay suy hao quan sát được cũng có thể dao động phụ thuộc vào không gian và thời gian và điều này được gọi là pha đinh

Chúng ta cũng có thể quan sát và thấy rằng sự suy hao do truyền dẫn dao

động xung quanh giá trị trung bình hoặc trung điểm, ở đó tín hiệu thu trở thành tín hiệu ngẫu nhiên theo không gian và thời gian, được mô tả là pha đinh Nói cách khác pha đinh là quá trình mô tả sự dao động của tín hiệu thu khi tín hiệu đến được anten thu Pha đinh có thể được miêu tả do những nguyên nhân cơ bản

là đa đường hoặc Doppler, sự phân bố của đường bao tín hiệu thu được Chúng

ta sẽ nhìn nhận sự khác biệt này của pha đinh để hiểu được nguồn gốc của chúng

và những kết quả của chúng Chúng ta cũng sẽ nhìn vào những hình thức khác nhau của pha đinh để thiết lập mối quan hệ giữa chúng với nhau

1.2.3 Phân loại pha đinh

Về cơ bản có thể phân pha đinh thành các loại sau:

- Pha đinh đa đường

- Pha đinh phẳng

- Pha đinh chọn lọc tần số

- Pha đinh nhanh

- Pha đinh chậm

1.2.3.1 Pha đinh đa đường

Pha đinh đa đường xảy ra do sự tồn tại của nhiều đường tín hiệu từ máy phát tới máy thu Khi một tín hiệu rời máy phát nó có thể theo một số đường để đến máy thu như ở Hình 1.2

Hình 1.2 Khái niệm về đa đường

Đơn vị di đông (MU: Mobile Unit) nhận được những thành phần tín hiệu

mà đã bị tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ bởi những tòa nhà, bởi những cấu trúc nhân tạo cũng như tự nhiên, tạo ra các đường đi khác nhau

Giả sử rằng những thành phần tín hiệu bị tán xạ bởi những cấu trúc khác

nhau này đến được máy thu và độc lập với nhau như trình bày ở Hình 1.3 Dưới

Với là sóng mang: thành phần tín hiệu thứ i có biên độ là và thành phần pha là Phương trình (1.11) có thể viết lại theo thành phần cùng pha và vuông pha

Hình 1.3 – Truyền tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu

Với thành phần tổng ban đầu được định nghĩa là cùng pha và thành phần sau được định nghĩa là vuông pha

Giả sử rằng pha có phân bố từ 0 - Với điều kiện là N lớn thì biên độ của tín hiệu thu có thể biểu diễn là

Với

X và Y là độc lập và là biến ngẫu nhiên phân bố gauss Dưới những điều kiện này đường bao của tín hiệu thu được cho bởi có phân bố Rayleigh Đường bao có thể được phục hồi thông qua giải điều chế Hàm phân

bố xác suất được cho bởi

Với thông số là phương sai của biến ngẫu nhiên X,Y, U(.) là hàm nhảy bậc đơn vị Nếu đường bao của tín hiệu là phân bố Rayleigh thì công suất sẽ phân bố theo hàm mũ và được cho bởi công thức

Hàm phân bố xác suất theo Rayleigh và hàm mũ được biểu diễn ở hình 1.4 Đường bao của phân bố Rayleigh có giá trị trung bình cho bởi

Và phương sai được cho bởi

Chú ý: phân bố Rayleigh là duy nhất theo tỉ lệ của trung bình so với độ lệch chuẩn

Hình 1.4 Hàm phân bố mật độ đường bao Rayleigh và

phân bố công suất hàm mũ

1.2.3.2 Pha đinh phẳng và pha đinh chọn lọc tần số

Chọn lọc tần số cũng là một đặc tính quan trọng của kênh pha đinh Nếu tất cả các thành phần phổ của tín hiệu truyền bị ảnh hưởng một cách như nhau, pha đinh được gọi là không lựa chọn tần số hoặc pha đinh phẳng Đây là trường hợp cho các hệ thống băng hẹp, trong đó băng thông truyền tín hiệu là nhỏ hơn nhiều so với băng thông kết hợp Bc của kênh Ngoài ra, băng thông có liên quan chặt chẽ đến trải trễ tối đa τmax được cho bởi

Mặt khác, nếu các thành phần phổ của tín hiệu truyền bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của biên độ và pha, thì pha đinh được gọi là pha đinh chọn lọc tần số Điều này áp dụng cho các hệ thống băng rộng, trong đó băng thông truyền là băng thông lớn hơn băng thông kết hợp của kênh

1.2.3.3 Pha đinh chậm và pha đinh nhanh

Sự khác biệt giữa pha đinh chậm và pha đinh nhanh là rất quan trọng đối với các mô hình toán học của các kênh pha đinh và để đánh giá hiệu năng làm việc của hệ thống qua các kênh này Khái niệm này có liên quan đến thời gian kết hợp Tc của kênh, nó đánh giá mức độ biến đổi của kênh, thời gian kết hợp là khoảng thời gian tối thiểu mà biên độ tín hiệu không tương quan với giá trị tại thời điểm trước đó Thời gian kết hợp cũng liên quan đến trải trễ của kênh, hoặc trải Doppler (fd) và được cho bởi công thức

Cũng như trên, pha đinh được cho là chậm nếu độ kéo dài của ký hiệu Ts

nhỏ hơn thời gian kết hợp Tc của kênh, ngược lại được coi là nhanh Trong pha đinh chậm mức pha đinh cụ thể sẽ ảnh hưởng đến nhiều ký hiệu kế tiếp dẫn đến lỗi cụm, trong khi đó đối với pha đinh nhanh không có sự rằng buộc về pha đinh giữa các ký hiệu với nhau

1.2.4 Mô hình pha đinh theo quan điểm thống kê

1.2.4.1 Pha đinh Rayleigh

Như trên đã nói, có thể coi phân bố pha đinh Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu phân bố Gauss vuông góc Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bố pha đinh Rayleigh được biểu diễn như sau:

Trong đó r là biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu,  là độ lệch khỏi giá trị trung bình của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, 2

là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, trung bình bằng 0

Giá trị trung bình rtb theo phân bố Rayleigh trở thành

Phương sai 2

r

 theo phân bố Rayleigh, được xác định như sau

1.2.4.2 Pha đinh Rice

Pha đinh Rice không chỉ là hệ quả của hiện tượng đa đường đó là thêm vào một số đường ngẫu nhiên của tín hiệu, nó còn thể hiện sự truyền sóng LOS giữa máy phát và máy thu Tín hiệu LOS tạo thêm một thành phần biết trước trong tín hiệu đa đường

Thành phần biết trước gây ra biến ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình khác không và có đường bao phân bố Rice Hàm mật độ xác suất của biên độ đương bao phân bố theo công thức sau

Với l0(.) là một hàm Bessel loại 1, bậc không cải biên và A0 là thành phần tăng lên do tín hiệu LOS Do đó chúng ta nói rằng pha đinh Rayleigh là kết quả của thành phần tán xạ và pha đinh Rice là kết quả của thành phần đứng yên so với thành phần tán xạ

Hàm phân bố xác suất Rice có đặc điểm phụ thuộc vào tỉ số của năng lượng thành phần trực tiếp với năng lượng thành phần tán xạ K (dB)

Khi K = ∞ chúng ta không có đường trực tiếp và phân bố Rice trở thành phân bố Rayleigh Với giá trị cao hơn của K thì phân bố Rice trở thành phân bố Gauss, trung bình khác 0

1.2.5 Tổng kết về pha đinh

Các kỹ thuật pha đinh khác nhau và suy hao đã được miêu tả có thể tổng quát theo biểu đồ trình bày ở hình dưới đây

Hình 1.5 Tổng quan về sự suy hao và pha đinh

Chú ý rằng mô hình pha đinh Rice và pha đinh Rayleigh tạo ra do hiệu ứng đa đường Đối với hầu hết trường hợp các phân tích dựa trên pha đinh Rayleigh hoặc Rice là đủ để hiểu được bản chất tự nhiên của kênh truyền

1.3 Kết luận chương

Chương này đã xem xét các đặc tính của kênh truyền vô tuyến Theo truyền thống, các kênh được phân loại thành các kênh pha đinh phạm vi rộng và các kênh pha đinh phạm vi hẹp Pha đinh phạm vi rộng chủ yếu được biểu thị

bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảng cách xa (vài km) Pha đinh phạm vi hẹp biểu thị ảnh hưởng truyền dẫn đa đường Vì vậy, khi xây dựng thuật toán cho điều chế thích nghi, cần xét các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian

Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng thông kết hợp Các thông số kênh miền thời gian là thời gian kết hợp và trải trễ trung bình căn quân phương

Như thế, môi trường vô tuyến trong trường hợp bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng đa đường, tán xạ, khúc xạ, phản xa…thay vì tìm cách chống lại các hiện tượng trên người ta tìm cách lợi dụng chúng để nâng cao hiệu năng kênh truyền,

đó chính là mã hóa không gian thời gian Với một chuỗi ký hiệu vào, bộ mã

hóa không thời gian sẽ chọn các điểm tương ứng trên giản đồ chòm sao để truyền đồng thời trên tất cả các anten qua đó tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập Trong chương tiếp theo sẽ trình bày về hệ thống mã không thời gian thông qua việc phân tích hiệu năng của hệ thống này

MÃ KHÔNG THỜI GIAN

2.1 Giới thiệu chương

Mã không thời gian (Space-Time Codes) được biết đến là một kỹ thuật

mã hóa sử dụng với nhiều anten phát Việc mã hóa được thực hiện trong cả miền thời gian và miền không gian để đưa ra sự tương quan giữa các tín hiệu phát từ các anten khác nhau tại các chu kỳ khác nhau Nó có thể đạt được độ lợi phân tập phát cũng như hệ số công suất so với các hệ thống không mã hóa không gian

mà không cần tốn băng thông

Mục đích của mã không thời gian là đạt được sự phân tập cực đại, hệ số

mã cực đại và dung lượng cao nhất có thể được Tuy nhiên, độ phức tạp của bộ giải mã là điều rất quan trọng Trong hệ truyền thông không dây, máy thu phát

di động bị giới hạn bởi Pin và kích thước nhỏ Để cải thiện tuổi thọ của Pin chủ yếu là làm giảm độ phức tạp của quá trình mã hóa và giải mã Mặt khác, các trạm cơ sở không bị giới hạn bởi công suất và kích thước Trong thực tế, để có được một hệ thống với độ phức tạp thấp khi sử dụng nhiều anten phát là điều mong muốn nhất của truyền thông

Nhìn chung, việc thiết kế STC là nhằm tìm ra ma trận phát đáp ứng được các tiêu chuẩn tối ưu nhất định Xây dựng STC, nhà nghiên cứu phải đánh đổi giữa ba mục tiêu: giải mã đơn giản, giảm thiểu xác xuất lỗi, và tối đa hóa tốc độ thông tin Các câu hỏi thiết yếu là: Làm thế nào để có thể tối đa hóa tốc độ truyền bằng cách sử dụng mã đơn giản, thuật toán giải mã đơn giản cũng như là

xác suất lỗi bit được giảm thiểu? Mã khối không thời gian là một nguyên lý đáp ứng được các yêu cầu này, và đây cũng là nội dung sẽ được đề cập chủ

yếu trong chương này

2.2 Phân tập [2]

Phân tập là kỹ thuật thu thông tin mạnh, cho phép giảm ảnh hưởng của pha đinh và cải thiện độ tin cậy của thông tin mà không cần tăng công suất phát hoặc độ rộng băng tần Phân tập khai thác bản chất ngẫu nhiên của sự truyền sóng vô tuyến bằng cách tìm đường tín hiệu có lợi cho truyền thông Trong thực

tế, kỹ thuật phân tập thường được ứng dụng tại bộ thu Kỹ thuật phân tập có thể giải thích đơn giản: nếu một đường truyền tín hiệu vô tuyến bị ảnh hưởng của

pha đinh sâu làm yếu đi, một đường truyền độc lập khác có thể có tín hiệu mạnh hơn Do có nhiều hơn một đường để lựa chọn nên tỉ số SNR ở bộ thu có thể được cải thiện từ 20 đến 30 dB

2.2.1 Các kỹ thuật phân tập

Có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách: thời gian, tần số, không gian, tạo chùm và phân cực Để đạt được hiệu quả của phân tập, việc tổ hợp phải thực hiện ở phía thu Các bộ tổ hợp phải được thiết kế sao cho sau khi đã hiệu chỉnh trễ và pha cho các đường truyền khác nhau, các mức tín hiệu phải được cộng theo vectơ còn tạp cộng ngẫu nhiên Như vậy khi lấy trung bình tỷ số SNR đầu

ra sẽ lớn hơn đầu vào ở một máy thu

Phân tập thời gian:

Nếu cùng một tín hiệu được phát đi tại các khe thời gian khác nhau, thì các tín hiệu thu được sẽ là các tín hiệu không tương quan Do đó phân tập theo thời gian truyền lặp lại thông tin sau khoảng thời gian lớn hơn thời gian kết hợp của kênh sao cho sự lặp lại nhiều lần của tín hiệu có thể thu được trong các điều kiện pha đinh độc lập Phân tập thời gian đạt được bằng cách kết hợp với mã hóa kênh, đan xen và phát lặp

Phân tập tần số:

Phân tập tần số truyền một tín hiệu trên nhiều tần số sóng mang khác nhau Cơ sở của kỹ thuật này là các tần số sóng mang được chia ra từ dải thông kết hợp của kênh sẽ bị ảnh hưởng của pha đinh khác nhau Theo lý thuyết, nếu các kênh này là không tương quan, xác suất của pha đinh tức thời độc lập, và ta

có thể chọn được kênh ít bị pha đinh Phân tập tần số thường được sử dụng trong các đường truyền sóng ngắn có tầm nhìn thẳng trong đó việc tạo kênh theo kiểu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Kỹ thuật này có nhược điểm là phải có độ rộng băng tần dư và máy thu có số kênh bằng số kênh dùng trong phân tập tần số

Phân tập không gian:

Phân tập không gian, còn gọi là phân tập anten là một trong các loại phân tập phổ biến dùng trong hệ thống không dây Các hệ thống vô tuyến tổ ong truyền thống gồm một anten trạm gốc nâng cao và một anten di động gần mặt đất Nếu chỉ có duy nhất một đường truyền giữa trạm thu và phát sẽ dễ gây đến

sự mất mát thông tin và suy giảm tín hiệu do các vật tán xạ gây ra hiện tượng fading Do đó, nên thu được nhiều tín hiệu từ các đường truyền khác nhau sao

di động, có các hình bao phủ chủ yếu không tương quan khi các anten cách nhau một nửa bước sóng hoặc lớn hơn Khái niệm về phân tập không gian thường được sử dụng trong thiết kế trạm gốc Tại mỗi ô tổ ong, anten thu trạm gốc nhiều nhánh được dùng để thu phân tập Tuy nhiên vì các vật tán xạ quan trọng thường trên mặt đất gần vật di động nên anten trạm gốc phải được đặt khá xa nhau để không tương quan Việc đặt cách nhau cỡ vài chục bước sóng là cần thiết tại trạm gốc Về nguyên tắc, phân tập không gian có thể được dùng tại thiết

bị di động hoặc tại trạm gốc hoặc cả hai

2.2.2 Phân tập thu - phát

Trong các hệ thống thông tin di động tổ ong hiện nay, nhiều anten thu được sử dụng cho các trạm thu phát cơ sở với mục đích là khử nhiễu đồng kênh

và giảm thiểu ảnh hưởng của pha đinh, ví dụ, trong GSM, nhiều anten được sử

dụng tại trạm thu phát cơ sở để tạo ra phân tập thu đường lên (từ các trạm di

động lên BTS) để bù đắp cho công suất phát tương đối thấp từ các trạm di động Điều này cải thiện chất lượng và độ rộng của đường lên Nhưng đối với đường xuống (từ trạm thu phát cơ sở đến các trạm di động) thì rất khó khăn để thực hiện việc phân tập thu tại các trạm đầu cuối di động Thứ nhất là rất khó khăn để thiết kế lớn hơn hai anten trên một máy di động cầm tay có kích thước nhỏ, thứ hai là nhiều anten thu có nghĩa là sẽ có nhiều bộ biến đổi tần số - RF và như vậy

có nghĩa là sẽ có nhiều nguồn xử lý, những nguồn này hạn chế trong các đầu

cuối di động Đối với đường xuống, sẽ là thực tế nếu như xem xét cân nhắc tới

phân tập phát Sẽ dễ dàng lắp đặt nhiều anten phát trên trạm BTS và cũng dễ

dàng sử dụng các nguồn ngoài cho nhiều anten phát Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý của các bộ thu và kết quả là các cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp hơn và chi phí thấp hơn Hơn thế nữa, phân tập phát có thể kết hợp với phân tập thu để tăng chất lượng của hệ thống

Ngược lại với phân tập thu mà chúng ta đang sử dụng rộng rãi trong các

hệ thống di động tổ ong, phân tập phát vẫn còn nhận được rất ít sự chú ý do việc thực hiện phân tập antenphát là khác rất nhiều so với phân tập anten thu và việc khai thác phân tập phát cũng có những khó khăn:

- Thứ nhất, vì các tín hiệu phát từ nhiều anten sẽ được trộn với nhau về mặt không gian trước khi tới được các bộ thu, hệ thống yêu cầu bổ sung thêm

một số bộ xử lý tín hiệu ở cả phía thu và phía phát để tách được các tín hiệu thu

và lợi dụng được phân tập

- Thứ hai, Phía thu thường ước lượng được các kênh pha đinh còn phía phát thì không giống như ở phía thu, không có được các thông tin tức thời về kênh nếu như không có thông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát

Tuy nhiên, phân tập phát có khả năng làm tăng đáng kể dung lượng và

chất lượng của kênh [2] Trong hình 2-1 biểu diễn tỷ lệ lỗi bít theo Eb/N0 với số lượng anten phát nT khác nhau Đường trên cùng tương ứng với trường hợp khi chưa có phân tập, đường nằm phía dưới cùng với kênh AWGN, các đường nằm giữa tương ứng với các hệ thống lần lượt có 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20 và 40 anten phát theo thứ tự từ trên xuống Từ hình này, chúng ta có thể thấy rằng tại BER là 10-4 thì Eb/N0 được cải thiện khoảng 14,5 dB, 4 dB và 2 dB khi số anten phát lần lượt bằng từ 1 tới 2, 2 tới 3 và 3 tới 4 Tuy nhiên, đường cong chất lượng chỉ ra rằng, nếu như ta tăng hơn nữa trong việc phân tập phát có thể chỉ cải thiện chất lượng nhỏ hơn 1dB Với một số lượng lớn các anten phát thì kênh pha đinh sẽ hội tụ tới một kênh AWGN, các đường cong BER với giá trị nT lớn thì đều xấp xỉ đến một kênh AWGN

Hình 2.1 Chất lượng BER của BPSK trên các kênh fading Rayleigh

sử dụng phân tập phát

Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã hóa không thời gian trên băng gốc với nT anten phát và nR anten thu như hình 2.2 Các dữ liệu phát đi

được mã hóa bởi bộ mã hóa không thời gian

Hình 2.2 Mô hình băng cơ sở

Tại mỗi thời điểm t, một khối gồm m (ký hiệu) thông tin nhị phân được biểu diễn bởi:

được đưa vào bộ mã hóa không thời gian Bộ mã hóa không thời gian sẽ ánh xạ khối m dữ liệu nhị phân đã điều chế từ một tập tín hiệu của M = 2m

điểm thành nT ký hiệu đã mã hóa Dữ liệu được mã hóa sẽ được đưa tới bộ biến đổi nối tiếp/song song (S/P) sinh ra một chuỗi nTký hiệu song song, được sắp xếp vào vectơ nT x 1 cột

Trong đó T biểu thị sự chuyển vị của ma trận, các đầu ra song song nT đồng thời được phát bởi nT anten khác nhau, ở đây ký hiệu xti , 1 ≤ i ≤ nT được phát đi bởi anten thứ i và tất cả các ký hiệu được phát trong cùng một khoảng thời gian T(s) Vectơ của các ký hiệu được điều chế, mã hóa từ các anten khác nhau theo (2.2) gọi là ký hiệu không thời gian Hiệu suất phổ của hệ thống được biểu diễn bởi

Trong đó rb là tốc độ dữ liệu và B là băng thông của kênh Hiệu suất phổ bằng với hiệu suất phổ của hệ thống không mã với một anten phát

Giải bài toán trong trường hợp này, phải dùng đến bài toán hệ MIMO xác định bằng ma trận kênh H, tại thời điểm t có dạng

Trong đó phần tử thứ ji, ký hiệu là hệ số tổn hao do pha đinh khi đi từ anten phát i tới anten thu thứ j Các hệ số này coi là các biến số ngẫu nhiên Gauss phức, có giá trị trung bình và phương sai ½

ở phía thu, mỗi anten thu sẽ thu được nhiễu cùng với chồng chất của tín hiệu phát ra từ nT anten phát Do vậy, ở thời điểm t tín hiệu thu ở anten thứ j (j=1,2…nR), là sẽ là

Trong đó là thành phần nhiễu tại anten j, thời điểm t coi là các mẫu độc lập của biến số ngẫu nhiên Gauss phức, có mật độ phổ công suất 1 phía là N0

Trình bày dưới dạng vector ta có

Trong đó

Bộ giải mã tại máy thu, dùng thuật toán ML để ước đoán chuỗi thông tin phát, với điều kiện tại máy thu biết thông tin đầy đủ về kênh MIMO Còn máy phát không biết thông tin về kênh

Số đo quyết định là bit 1 hay 0 dựa trên bình phương khoảng cách Euclide giữa chuỗi thu giả thiết và chuỗi thu thực là

Như vậy, ta có thể biết được dữ liệu phát từ dữ liệu thu, nhưng cách giải phức tạp

Trong phân tích hiệu năng chúng ta giả sử rằng chiều dài khung dữ liệu phát là L ký hiệu cho mỗi anten Chúng ta định nghĩa một ma trận từ mã không thời gian nT x L, bằng cách sắp xếp chuỗi phát trong một mảng như sau

Ở đây hàng thứ i Xi

=[x1 i

2,…,xtnT] là ký hiệu không thời gian ở thời điểm t

Các xác suất lỗi từng cặp là xác suất mà các bộ giải mã lựa chọn khi ước tính của một chuỗi bị lỗi khi chuỗi phát trong thực

tế Trong giải mã ML, xảy ra điều này nếu

Bất đẳng thức trên tương đương với

Trong đó Re{.} là phần thực của số phức

Phần bên phải của công thức (2.12) là một hằng số và bằng và phía trái của (2.12) là biến ngẫu nhiên Gauss với giá trị trung bình bằng 0 Trong

đó là khoảng cách Ơlit giữa hai ma trận từ mã không thời gian X và , được cho bởi

Xác suất lỗi cặp có điều kiện được cho bởi

Trong đó là năng lượng trên ký hiệu ở mỗi anten phát và Q(x) là hàm

bù lỗi được định nghĩa bởi

Một cách tổng quát, mã khối không thời gian có thể được xem như là sự ánh xa một chuỗi của nN ký hiệu {s1,s2,…,sN} vào ma trận S kích thước nt x N:

Ma trận mã khối không thời gian S có thể được mô tả dưới dạng sau đây:

Ở đây {s1,s2,…,sN} là một tập hợp các ký hiệu được truyền đi với sn = Re {sn} và sn = Im {sn}, với ma trận mã cố định {An, Bn} kích thước nt x N được gọi

là mã khối không thời gian tuyến tính Việc thực hiện cấu trúc ma trận S khác nhau, cho ta các loại mã cụ thể khác nhau Điều này có nghĩa là có nhiều loại mã không gian thời gian nếu xét về cấu trúc mã, bao gồm: mã khối không thời gian (STBC), mã lưới không thời gian (STTC), mã lưới Turbo không gian thời gian,

mã không thời gian phân lớp (LST), mã không thời gian vi sai [5] Trong đó STBCs đã được đề xuất bởi công trình của Alamouti và có thể được xem như một sơ đồ điều chế cho nhiều anten phát phân tập đầy đủ và mã hóa Trong nội dung của luận văn này sẽ trình bày chủ yếu về mã khối không thời gian

2.4 Mã Alamouti

Nguyên lý Alamouti là mã khối không thời gian đầu tiên đưa ra đạt được phân tập đầy đủ ở mọi tốc độ dữ liệu đối với hệ hai anten phát Một điều quan trọng cần chú ý là các nguyên lý phân tập trễ cũng đạt được phân tập đầy đủ nhưng chúng đưa vào nhiễu giữa các ký hiệu và ở bộ thu đòi hỏi các bộ tách

hiệu quả của kỹ thuật phân tập phát của Alamouti

2.4.1 Mã hóa không thời gian Alamouti

Sơ đồ khối của bộ mã hóa không thời gian Alamouti được mô tả như hình sau

Hình 2.3 Sơ đồ khối của bộ phát dùng mã hóa không thời gian Alamouti

Giả sử trong bộ mã hóa không thời gian Alamouti, các bit thông tin đầu tiên được điều chế sử dụng M mức, trong đó m=log2M Sau đó, bộ mã hóa lấy một khối gồm hai ký hiệu đã được điều chế s1 và s2 và dẫn chúng tới các anten phát theo ma trận mã sau:

Các lối ra của bộ mã hóa được phát trong hai chu kỳ phát liên tiếp, trên 2 anten phát Hàng đầu tiên miêu tả chu kỳ phát thứ nhất và hàng thứ hai mô tả chu kỳ phát thứ hai Trong chu kỳ phát thứ nhất, hai tín hiệu s1 và s2 được phát đồng thời từ anten 1 và anten 2 Trong chu kỳ phát thứ hai, ký hiệu –s2* được phát từ anten phát 1 và ký hiệu s1* được phát từ anten phát 2

Rõ ràng là mã hóa được thực hiện trong cả hai miền thời gian và không

gian Đặc điểm của nguyên lý Alamouti là các chuỗi phát từ hai anten là trực

giao, khi đó tích vô hướng của các chuỗi phát là bằng không Ma trận mã có đặc

điểm sau:

Ở đây I2 là ma trận đơn vị (2 × 2)

Giả sử có một anten thu được sử dụng ở bộ thu Sơ đô khối của bộ thu đối với nguyên lý Alamouti được thể hiện ở hình sau:

Hình 2.4 Bộ thu theo sơ đồ Alamouti

Các hệ số kênh pha đinh từ các anten phát thứ nhất và thứ hai tới anten thu tại thời điểm t lần lượt là h1(t) và h2(t) Giả sử các hệ số pha đinh là hằng số trong hai chu kỳ phát ký hiệu liên tục, chúng ta có thể viết

Ở đây |hi| và θi, i = 1, 2 là hệ số biên dộ và dịch pha đối với đường từ anten phát thứ i tới anten thu, và T là chu kỳ ký hiệu

Tại anten thu, các tín hiệu thu được qua hai chu kỳ ký hiệu liên tiếp lần lượt là r1 và r2 tại các thời điểm t và t+T, ta có:

Trong đó n1 và n2 là các biến độc lập có trung bình bằng không và mật độ phổ công suất N0/2 trên một chiều, thể hiện tổng nhiễu Gauss trắng cộng tính lần lượt tại thời điểm t và t+T Điều này có thể được viết dưới dạng ma trận như sau:

Trong đó h = [h 1 , h 2 ] T là vector kênh phức và n là vectơ ồn tại nơi thu

Tín hiệu r2 trong (2.23) nhận được trong chu kỳ ký hiệu thứ hai, tín hiệu nhận được có thể viết lại tương đương như sau

Do đó phương trình (2.19) có thể được viết thành

Hoặc dưới dạng ngắn gọn hơn

Trong đó vector thu cải tiến y = [r1, r2*]T đã được giới thiệu trước đây Hv

được gọi là ma trận kênh MIMO ảo tương đương của Alamouti STBC (EVCM)

Nó được cho bởi:

Như vậy, bằng cách xem xét các thành phần của y trong (2.27) xuất phát

từ hai anten ảo nhận được (thay vì nhận được các mẫu tại một anten ở hai khe thời gian) có thể giải thích Alamouti STBC (2×1) như một hệ thống truyền dẫn ghép kênh không gian (2×2 ) sử dụng một khe thời gian Sự khác biệt chính giữa

các Alamouti và hệ thống ghép kênh (2×2) nằm trong cấu trúc cụ thể của H V Các hàng và cột của ma trận kênh ảo là trực giao:

Trong đó I2 là ma trận đơn vị (2 × 2) và h2 là phổ công suất của các kênh MIMO tương đương với h2 = | h1 |2 + | h2 |2 Do trực giao bộ thu của Alamouti tách riêng các kênh MISO thành hai kênh ảo độc lập với độ lợi kênh là h2

và phân tập d = 2

Rõ ràng là EVCM phụ thuộc vào cấu trúc của mã và hệ số kênh Khái niệm đơn giản về các EVCM là phân tích phát STBC Sự tồn tại của EVCM là một trong những đặc điểm quan trọng của STBCs

2.4.3 Tổ hợp và giải mã hợp lý nhất

Nếu các hệ số pha đinh của kênh h1 và h2 có thể được khôi phục hoàn toàn

tại bộ thu nhờ bộ ước lượng kênh hình 2-4, bộ mã hóa sẽ sử dụng chúng như là

thông tin trạng thái của kênh (CSI) Giả sử tất cả các tín hiệu trong chuỗi điều

chế có xác suất nhƣ nhau, một bộ giải mã hợp lý nhất chọn một cặp tín hiệu ( ) từ chuỗi điều chế tín hiệu để cực tiểu hóa khoảng cách:

Trong đó d(x1,x2)=|x1-x2| Mặt khác, sử dụng một máy thu tuyến tính, các tín hiệu r1 và r2 ở bộ kết hợp tín hiệu có dạng nhƣ sau

Do đó và là hai quyết định thống kê xây dựng bằng cách kết hợp các tín hiệu nhận đƣợc với hệ số bắt nguồn từ thông tin trạng thái kênh Những tín hiệu ồn đƣợc gửi đến máy tách sóng ML và do đó các quy tắc giải mã ML(2.31)

có thể đƣợc tách thành hai quy tắc giải mã độc lập cho s1 và s2, cụ thể là

Nguyên lý phát Alamouti là một nguyên lý phát phân tập đơn giản giúp cải thiện chất lƣợng tín hiệu ở đầu thu bằng cách sử dụng một thuật toán xử lý tín hiệu đơn giản (STC) ở máy phát Sự phân tập thu đƣợc thực hiện bằng cách

áp dụng tổ hợp tỷ số tối đa (MRC) với một anten tại máy phát và hai anten tại nơi tiếp nhận các tín hiệu, kết quả ở bộ nhận là:

2.4.4 Nguyên lý Alamouti với nhiều anten thu

Nguyên lý Alamouti có thể đƣợc ứng dụng đối với một hệ thống với hai anten phát và nR anten thu Việc mã hóa và phát đối với mô hình này giống với

thứ j tại thời điểm t và t+T, ta có:

Trong đó: hj,i, i=1,2,j=1,2, ,nR là các hệ số pha đinh đối với đường từ

anten phát thứ i tới anten thu thứ j, và là nhiễu đối với anten thu thứ j tại

thời điểm t và t+T

Bộ thu gồm có hai thống kê quyết định dựa trên sự tổ hợp tuyến tính của

các tín hiệu thu được Các thống kê quyết định được xác định bằng

2.4.5 Mã khối không gian thời gian với các chuỗi tín hiệu thực [5]

Dựa vào kiểu của các chuỗi tín hiệu, mã khối không thơi gian có thể được

chia thành mã khối không thời gian với các tín hiệu thực và mã khối không thời

gian với các tín hiệu phức

Để đơn giản, ta coi ma trận phát XnT của mã khối không thời gian là ma trận vuông Đối với chuỗi tín hiệu thực bất kỳ, ví dụ M-ASK, mã khối không thời gian có ma trận phát XnT là ma trận vuông kích thước nT x nT tồn tại khi và chỉ khi số anten phát nT là 2, 4 hoặc 8 Các ma trận phát là:

Với nT=2 anten phát:

Với nT=4 anten phát:

Với nT=8 anten phát:

Các ma trận phát vuông có các hàng trực giao, từ các ma trận này ta có

thể thấy rằng đối với một khối k ký hiệu tin đã được điều chế, cả nT anten phát

và p chu kỳ thời gian được yêu cầu phát khối mã bằng khối tin có độ dài k

2.4.6 Mã khối không thời gian với các chuỗi tín hiệu phức[5]

Nguyên lý Alamouti có thể được coi như một mã khối không thời gian với các tín hiệu phức đối với hai anten phát Khi đó ma trận phát là:

Nguyên lý này cung cấp phân tập đầy đủ là 2 và tỷ lệ đầy đủ bằng 1 Nguyên lý Alamouti là nguyên lý duy nhất mà chỉ có mã khối không thời gian với ma trận phát phức kích thước nT x nT đạt được tỷ lệ đầy đủ Nếu số anten phát lớn hơn 2, mục tiêu thiết kế mã là để xây dựng các ma trận phát phức tỷ lệ cao với tốc độ với độ phức tạp giải mã thấp mà đạt được phân tập đầy đủ Hơn

hóa để cực tiểu trễ giải mã Đối với một chuỗi tín hiệu phức bất kỳ, có các mã khối không thời gian có thể đạt được tỷ lệ 1/2 với số anten phát cho trước

2.5 Kết luận chương

Để tăng hiệu năng của hệ thống có thể thực hiện mã hóa không thời gian, đây là một kỹ thuật mã hóa được thiết kế với nhiều anten phát, thu mà tiêu biểu

là mã Alamouti (2 phát, 1 thu)

Cụ thể, trong chương đã trình bày:

- Một số khái quát chung về hệ thống mã không thời gian

- Phân tích hiệu năng của hệ thống mã không thời gian

- Tìm hiểu mã Alamouti, một loại mã khối không thời gian, trong đó sử dụng tính trực giao của dãy tín hiệu trong mã để đơn giản tính toán, giúp cho việc giải mã dễ dàng

Mã không thời gian Alamouti là một kỹ thuật đang bắt đầu ứng dụng trong hệ thống truyền thông vô tuyên hiện đại, khi kết hợp với công nghệ OFDM mở ra khả năng ứng dụng trong hệ thống truyền thông băng rộng Vì vậy chương sau sẽ xét đến hệ OFDM

Chương 3

Hệ OFDM

3.1 Giới thiệu chương[9]

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit

và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn

30 năm Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền với các sóng mang trực giao

Cụ thể, trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là phẳng Luồng thông tin được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI), nâng cao hiệu suất xử dụng băng tần

Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX), phát quảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao (HDTV) Để hiểu dõ về OFDM ta sẽ lần lượt xét:

3.2 Tính trực giao

Như đã nói, OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Việc xếp chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến ta không những đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần được cấp phát cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗi, hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể So với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống, ở FDM cũng truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con

tần bảo vệ (để giảm thiểu độ phức tạp bộ lọc thu)

Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khi được tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (ICI) và thời gian (ISI) Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con kết hợp với các điều kiện khác Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn song phía thu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI

Theo đó trước hết ta định nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao

Định nghĩa

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thoả mãn điều kiện sau

Trong đó

là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số các sóng mang con và N.f là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian

3.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM

3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau: