Mã hóa không thời gian mã hóa alamuti

Một cách tăng dung lượng của MIMO là thực hiện mã hóa không thời gian- một kỹ thuật mã hóa được thiết kế với nhiều anten phát mà đơn giản là mã Alamouti.. Kỹ thuật phân tập - một kỹ thuậ

Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN

MỞ ĐẦU Thời đại vô tuyến bắt đầu với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới

Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới Trong những năm gần đây, sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến Các nhu cầu về dung lượng trong hệ thống thông tin vô tuyến tăng lên nhanh chóng trong khi phổ tần vô tuyến lại hạn chế 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 dung lượng của MIMO là thực hiện mã hóa không thời gian- một kỹ thuật mã hóa được thiết kế với nhiều anten phát mà đơn giản là mã Alamouti

Nội dung khóa luận được trình bày trong 3 chương Trong đó:

- Chương 1: giới thiệu tổng quan về hệ thông tin vô tuyến nhiều anten, kỹ thuật phân tập anten, một kỹ thuật tăng dung lượng và chất lượng truyền thông thông tin vô tuyến

- Chương 2: trình bày về mã khối không thời gian - một nguyên lý phân tập phát hai nhánh đơn giản với phương pháp mã hóa và giải mã

- Chương 3: mô phỏng trên Matlab tín hiệu khi không mã hóa và có mã hóa Alamouti

Chương 1 - HỆ THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHIỀU ANTEN

Nhu cầu về dung lượng trong hệ thống thông tin không dây như thông tin di động, internet hay các dịch vụ đa phương tiện đang tăng lên nhanh chóng trên phạm

vi toàn thế giới Tuy nhiên phổ tần vô tuyến lại hạn chế, do vậy muốn tăng dung lượng ta bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần Những tiến bộ trong mã hoá như mã Turbo, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp đã có thể tiếp cận tới giới hạn dung lượng Shannon của hệ thống với một anten Tuy nhiên ta có thể đạt được hiệu quả phổ tần cao hơn nữa với hệ thống có nhiều anten cả ở phần phát và phần thu (MIMO) Đây là một trong nhiều hình thức của công nghệ anten thông minh Công nghệ MIMO đã thu hút được sự chú ý trong truyền thông không dây, bởi vì nó cung cấp đáng kể sự gia tăng lưu lượng dữ liệu và khoảng cách liên kết mà không cần bổ sung thêm băng thông hoặc công suất truyền tải Kỹ thuật phân tập - một kỹ thuật được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống truyền thông di động không dây, dùng

để giảm ảnh hưởng của fading đa đường vá cải thiện độ ổn định khi phát dữ liệu mà không cần tăng công suất phát hoặc tốn băng thộng

Trong chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống MIMO và các kỹ thuật phân tập được sử dụng trong hệ thống thông tin không dây như thông tin di động

1.1 Các dạng MIMO [3]

Những dạng khác nhau của công nghệ anten dựa vào một hoặc nhiều đầu vào

và đầu ra Do đó các dạng khác nhau của một /nhiều anten kết nối được định nghĩa như sau :

- SISO : một đầu vào một đầu ra

- SIMO: một đầu vào nhiều đầu ra

- MISO: nhiều đầu vào một đầu ra

- MIMO: nhiều đầu vào nhiều đầu ra

theo biểu thức sau:

Hình 1.3: Mô hình hệ thống MISO

 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian

Hình 1.4: Mô hình hệ thống MIMO

1.2 Mô hình hệ thống MIMO

Giả thiết đặt ra là hệ thống MIMO có nT anten phát và nR anten thu

Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống MIMO

Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau:

t t

N N N

N

N N

h h

h

h h

h

h h

h H

2 1

2 22

21

1 12

  1, 2,  , là tạp âm Gaus trắng cộng của máy thu (1.4)

T là ký hiệu phép toán chuyển vị

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra r được xác định bởi biểu thức sau :

1.3 Kỹ thuật phân tập anten

Phân tập là kỹ thuật thu thông tin mạnh, cho phép giảm ảnh hưởng của fading 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 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 fading 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

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập thu có thể được áp dụng ở trạm gốc hoặc thiết bị di động, nhưng thường được áp dụng tại trạm gốc Do giá thành của bộ tổ hợp phân tập cao, nhất là khi sử dụng nhiều máy thu, đồng thời do công suất máy phát của thiết bị di động bị giới hạn bởi pin nên thường sử dụng kỹ thuật phân tập tại trạm gốc Các trạm gốc có thể tăng công suất phát hoặc độ cao anten để cải thiện công suất phủ sóng cho thiết bị di động

1.3.1 Các kỹ thuật phân tập [5]

Có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách: thời gian, tần số, không gian, đa đường 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 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 cho: các tín hiệu thu được từ các anten giãn cách nhau trong không gian trên vật di động có các hình bao phủ chủ yếu không tương quan với 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 Vì thế, phân tập không gian có thể được dùng tại thiết bị di động hoặc tại trạm gốc hoặc cả hai

Hình 1.6: Sơ đồ khối của bộ phân tập không gian

 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 fading độc lập Phân tập thời gian đạt được bằng cách kết hợp với mã hóa kênh, đan xen và phát lại

 Phân tập tần số

Phân tập tần số truyền thông tin 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 liên kết của kênh sẽ bị ảnh hưởng của fading khác nhau Theo lý thuyết, nếu các kênh này là không tương quan, xác suất của fading tức thời là tích của các xác suất fading riêng

1.4 Các phương pháp tổ hợp phân tập [5]

Đặc điểm chính của các kỹ thuật phân tập là giảm xác suất fading sâu tức thời trong các kênh con phân tập khác nhau Nói chung, hiệu suất của các hệ thống truyền thông với các kỹ thuật phân tập phụ thuộc vào các phiên bản của tín hiệu kết hợp với nhau như thế nào ở bộ thu để tăng tỉ số SNR tại bộ thu Do đó các nguyên

lý phân tập cũng được phân chia theo các kiểu tổ hợp tại bộ thu Dựa vào độ phức

tạp thực thi và mức thông tin trạng thái kênh được yêu cầu bởi phương pháp tổ hợp tại bộ thu, có bốn loại kỹ thuật tổ hợp chính là:

số SNR tức thời cao nhất sẽ được kết nối tới bộ giải điều chế Bản thân các tín hiệu anten có thể được lấy mẫu và tín hiệu tốt nhất trong số đó sẽ được gửi tới bộ giải điều chế đơn Trong thực tế nhánh có giá trị (S+N)/N lớn nhất sẽ được sử dụng, do việc đo được chính xác tỉ số SNR là rất khó Một hệ thống phân tập dùng tổ hợp chọn lọc (gọi tắt là phân tập chọn lọc) thực tế không thể thực hiện được đúng các giá trị tức thời vì thế hằng số thời gian của mạch điện lựa chọn nhỏ hơn nghịch đảo tốc độ fading tín hiệu

Hình 1.7: Mô hình sơ đồ khối bộ tổ hợp chọn lọc Phân tập chọn lọc có thể thực hiện dễ dàng bởi vì chỉ cần một bộ điều khiển

và một khóa chuyển mạch anten ở bộ thu Tuy nhiên, đây không phải là kỹ thuật phân tập tối ưu bởi vì nó không sử dụng tất cả các nhánh có thể cùng một lúc

1.4.2 Tổ hợp chuyển mạch

Trong một hệ thống phân tập dùng tổ hợp chuyển mạch (gọi tắt là phân tập chuyển mạch), bộ thu quét tất cả các nhánh phân tập và chọn ra một nhánh có tỉ số SNR cao hơn một ngưỡng được đặt trước Tín hiệu này được chọn làm lối ra cho đến khi tỉ số SNR của nhánh phân tập này nhỏ hơn ngưỡng Khi đó, bộ thu sẽ bắt đầu quét lại và chuyển tới một nhánh khác Nguyên lý này còn được gọi là phân tập quét

Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ phân tập quét

So với phân tập chọn lọc, phân tập chuyển mạch kém hơn vì nó lựa chọn không liên tục các tín hiệu tức thời tốt nhất Tuy nhiên, nó thực hiện đơn giản hơn

vì nó không yêu cầu sự liên tục và tức thời của các nhánh phân tập

Đối với hai phương pháp phân tập chọn lọc và quét tín hiệu lối ra chỉ bằng một trong các các nhánh phân tập Hơn nữa, chúng không yêu cầu phải biết về thông tin trạng thái kênh Do đó hai phương pháp này có thể được sử dụng trong các

bộ tổ hợp với các bộ điều chế kết hợp cũng như không kết hợp

Hình 1.9: Sơ đồ bộ tổ hợp tỉ số cực đại

Ta thấy tổ hợp tỉ số cực đại đưa ra ở lối ra tỉ số SNR bằng tổng của các SNR riêng lẻ, vì vậy ưu điểm của nó là có thể đưa ra ở lối ra một tỉ số SNR có thể chấp nhận được ngay khi các tín hiệu lối vào riêng lẻ có tỉ số SNR nhỏ Kỹ thuật này làm giảm ảnh hưởng của fading tốt nhất trong các bộ tổ hợp phân tập tuyến tính hiện nay Kỹ thuật xử lý tín hiệu số và các bộ thu số hiện đại cũng đang sử dụng kỹ thuật này

1.4.4 Tổ hợp độ lợi bằng nhau

Tổ hợp độ lợi bằng nhau không phải là phương pháp tốt nhất nhưng nó là phương pháp tổ hợp tuyến tính đơn giản Phương pháp này không yêu cầu sự ước lượng biên độ của fading của mỗi nhánh riêng lẻ Thay vào đó, bộ thu gắn các trọng

số cho các tín hiệu điện thế r i đều bằng nhau Theo cách này, tất cả các tín hiệu thu

được được quay đồng pha sau đó được cộng với nhau với hệ số bằng nhau Hiệu quả của tổ hợp độ lợi bằng nhau chỉ thấp hơn tổ hợp tỉ số cực đại một ít nhưng độ phức tạp khi thực thi thì ít hơn nhiều so với tổ hợp tỉ số cực đại

Chương 2: MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN

Mã không thời gian là một kỹ thuật mã hóa được sử dụng với nhiều anten phát Việc mã hóa được thực hiện trong cả miền không gian và thời gian để đưa ra

sự tương quan giữa các tín hiệu phát từ các anten khác nhau tại các chu kỳ khác nhau Sự tương quan không thời gian được sử dụng để khai thác fading kênh MIMO

và cực tiểu hóa các lỗi phát tại máy thu Mã không thời gian có thể đạt được phân tập phát và hệ số công suất qua các hệ thống không mã hóa không gian mà không cần tốn băng tần

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 Sự phức tạp của bộ giải mã cũng rất quan trọng Trong hệ truyền thông không dây, máy thu phát di động bị giới hạn công suất bởi pin và kích thước nhỏ Để cải thiện tuổi thọ của pin chủ yếu là giảm

độ phức tạp mã hóa và giải mã Mặt khác, trạm cơ sở không bị giới hạn bởi công suất và kích thước Trong thực tế, một hệ thống có độ phức tạp rất thấp với nhiều anten phát là mong ước trong truyền thông

Mã không thời gian có nhiều loại như mã khối không thời gian, mã lưới không thời gian … Mã khối không thời gian là một nguyên lý đáp ứng được các yêu cầu trong truyền thông Mã khối không thời gian có thể được xem như một sơ đồ điều chế cho nhiều anten phát phân tập đầy đủ và mã hóa, giải mã có độ phức tạp thấp

Trước hết chúng ta tìm hiều về mã Alamouti, đây là một nguyên lý phân tập phát hai nhánh đơn giản Đặc điểm chính của nguyên lý này là đạt được hệ số phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã hợp lý nhất đơn giản

2.1 Mã không thời gian Alamouti [4]

Nguyên lý Alamouti là mã khối không thời gian đầu tiên đưa ra phân tập phát đầy đủ cho các hệ thống với 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 sóng phức tạp Trong phần này trình bày về các thuật toán mã hóa, giải mã và hiệu quả của kỹ thuật phân tập phát của Alamouti

2.1.1 Mã hóa không thời gian Alamouti:

Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ mã hóa không thời gian Alamouti Giả sử ta sử dụng một sơ đồ điều chế mảng M phần tử Trong bộ mã hóa

không thời gian Alamouti, mỗi nhóm m bít thông tin được điều chế đầu tiên, trong

đó m=log2M Sau đó, bộ mã hóa lấy một khối hai ký hiệu đã được điều chế x1 và x2trong mỗi hoạt động mã hóa và đặt chúng tới các anten phát theo ma trận mã sau:

Các lối ra của bộ mã hóa được phát trong hai chuỗi chu kỳ phát từ hai anten

phát Trong suốt chu kỳ phát thứ nhất, hai tín hiệu x 1 , x 2 được phát đồng thời từ anten 1 và anten 2 Trong chu kỳ phát thứ hai, tín hiệu *

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

biểu diễn chuỗi phát từ các anten phát 1 và 2 lần lượt là x 1 và x 2

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

giao nhau, khi đó tích vô hướng của các chuỗi x 1 và x 2 bằng không:

với nguyên lý Alamouti được thể hiện ở hình sau:

Tại anten thu, các tín hiệu thu được qua hai chu kỳ ký hiệu liên tiếp lần lượt

là r 1 và r 2 tại thời điểm t và t+T, ta có:

Trong đó n 1 và n 2 là các biến phức độc lập có trung bình bằng không và mật

độ phổ công suất N0/2 trên một chiều, thể hiện nhiễu Gauss trắng cộng tính lần lượt

tại thời điểm t và t+T

2.1.2 Tổ hợp và giải mã hợp lý nhất

Nếu các hệ số fading của kênh h 1 và h 2 có thể được khôi phục hoàn toàn tại

bộ thu, 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 ngang nhau, một bộ giải mã hợp lý nhất chọn một cặp tín hiệu 

* 2 1 2 2 2 2 1 1 1

* 1 2

* 2 1 2 2 2 2

 2

x Thay (2.7) và (2.8) vào (2.9), mã hóa hợp lý nhất có thể được thể hiện như sau:

~ 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 , 2

2 1

x x d x x d x

x h

h x

x

C x x

(2.10)

Trong đó C là tập hợp tất cả các cặp ký hiệu x ˆ x1, ˆ2 có thể có đã được điều chế, ~x1và ~x2là hai thống kế quyết định được xây dựng bởi sự kết hợp của các tín hiệu thu được với thông tin trạng thái kênh:

*

2 2 1

* 1 1

* 2 1 1

* 2 2

~x h r h r (2.11)

Thay r 1 và r 2 từ (2.7) và (2.8) vào (2.11), ta có:

* 2 1

* 1 1 2 2 2 1 1

* 2

* 2

* 1 2 2 2 2 1 2

~x  h  h x h n h n (2.12)

Đối với kênh có h 1 và h 2 cho trước, x~i , i = 1, 2, chỉ là hàm của x i , i = 1, 2 Do

đó, nguyên tắc giải mã tốt nhất cực đại (2.10) có thể được chia thành hai quy tắc

giải mã độc lập đối với x 1 và x2:

2 2 1 2 1 2 1

h x

~

Đối với chuỗi tín hiệu M-PSK, 2  2

2 2

S

x 

2.1.3 Nguyên lý Alamouti với nhiều anten thu [4]

Nguyên lý Alamouti có thể được ứng dụng đối với một hệ thống với hai

anten phát và n R anten thu Việc mã hóa và phát đối với mô hình này giống với trường hợp một anten thu Đặt 1j

r và 2j

r lần lượt là tín hiệu thu được ở anten thu

thứ j tại thời điểm t và t+T, ta có:

Trong đó: h j,i , i = 1, 2, j = 1, 2, …, n R, là các hệ số fading đối với đường từ

anten phát thứ i tới anten thu thứ j, và n1j, n2j 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 ~x1và ~x2 được xác định bằng công thức:

2 1

2 , 1

* 1 , 2

1 2 ,

* 2 1

2 , 1

* 1 , 1

n

j

j j j j

n

j i j

n

j

j j

h x

R R

1 , 1

* 2 , 2

2 2 ,

* 2 1

1 , 1

* 2 , 2

n

j

j j j j

n

j i j

n

j

j j

h x

R R

2 2 , 2 1 , ˆ

ˆ

1

x x d x h

h x

R n

j

j j S

2 2 , 2 1 , ˆ

ˆ

2

x x d x h

h x

R n

j

j j S

Đối với điều chế M-PSK, tất cả các tín hiệu trong chuỗi có năng lương bằng