Khóa luận Mã hóa không thời gian - Mã hóa alamuti

Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 1 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. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 2 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  Hệ thống SISO Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế/giải điều chế. Hệ thống SISO thường được dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wifi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định bởi công thức Shannon: Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 3 C=log2 (1+SNR) bit/s/Hz Hinh 1.1: Mô hình hệ thống SISO  Hệ thống SIMO Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức sau: C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz Hình 1.2: Mô hình hệ thống SIMO  Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu để tăng hiệu suất phát. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo: C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 4 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: Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 5                rtrr t t NNNN N N hhh hhh hhh H ... ... ... 21 22221 11211  (1.1) Giả sử :  TNtxxxx ,,, 21  là tín hiệu phát . (1.2) 1 2, , , r T Nr r r r    là tín hiệu thu. (1.3)  TNr ,,, 21  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 : 11 12 1 11 1 21 22 2 22 2 1 2 ... ... ... t t tr rr r t r N N NN NN N N N h h h xr h h h xr xr h h h                                                       (1.5) Có thể viết lại phương trình trên như sau : r= Hx+ (1.6) 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. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 6 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. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 7 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 lẻ. Phân tập tần số thường được sử dụng trong các đường truyền sóng ngắn có tầm nhìn thẳng trong đó mang một số kênh ghép kênh phân chia theo tần số (FDM). Sự lan truyền tầng đối lưu và sự khúc xạ làm xuất hiện fading sâu. 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. 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 Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 8 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: - Tổ hợp chọn lọc. - Tổ hợp chuyển mạch. - Tổ hợp độ lợi bằng nhau. - Tổ hợp tỉ số cực đại. 1.4.1. Tổ hợp chọn lọc Tổ hợp chọn lọc là phương pháp tổ hợp phân tập đơn giản. Giả sử có M kênh fading Rayleigh độc lập ở bộ thu, mỗi kênh được gọi là một nhánh phân tập. M bộ giải điều chế được dùng để cấp cho nhánh phân tập, với độ khuếch đại được điều chỉnh để tỉ số SNR trung bình của mỗi nhánh là như nhau. Tại phía thu, nhánh có tỉ 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. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 9 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. 1.4.3. Tổ hợp tỉ số cực đại Trong tổ hợp tỉ số cực đại, các tín hiệu điện thế ri từ mỗi nhánh phân tập được quay đồng pha để đưa vào bộ cộng thế và được gắn trọng số riêng để đưa vào bộ tối ưu hóa tỉ số SNR. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 10 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 ri 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. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 11 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. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 12 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 x2 trong mỗi hoạt động mã hóa và đặt chúng tới các anten phát theo ma trận mã sau: X * 1 2 * 2 1 x x x x        (2.1) 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 x1, x2 được phát đồng thời từ anten 1 và anten 2. Trong chu kỳ phát thứ hai, tín hiệu *2x được phát từ anten phát 1 và tín hiệu *1x được phát từ anten phát 2, trong đó * 1x là liên hợp phức của x1. 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 x1 và x2. x1 *1 2,x x    x2 *2 1,x x    (2.2) 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 x1 và x2 bằng không: x1.x2 = * *1 2 2 1 0x x x x  (2.3) Ma trận mã có đặc điểm sau: X.XH = 2 2 1 2 2 2 1 2 0 0 x x x x        = ( 2 2 1 2x x )I2 (2.4) Trong đó I2 là ma trận đơn vị 2x2. Giả sử có một anten thu được sử dụng ở bộ thu. Sơ đồ khối của bộ thu đối Nguồn thông tin Bộ điều chế Bộ mã hóa [x1 x2] Tx 1 Tx 2 Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 13 với nguyên lý Alamouti được thể hiện ở hình sau: Hình 2.2: Bộ thu đối với nguyên lý Alamouti Các hệ số kênh fading 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 fading là hằng số trong hai chu kỳ phát ký hiệu liên tục: 11 1 1 1( ) ( ) jh t h t T h h e     (2.5) 22 2 2 2( ) ( ) jh t h t T h h e     (2.6) Trong đó, ih và i , i = 0, 1 là hệ số biên độ 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 thời điểm t và t+T, ta có: 1 1 1 2 2 1r h x h x n   (2.7) * *2 1 2 2 1 2r h x h x n    (2.8) Trong đó n1 và n2 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 Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 14 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 h1 và h2 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        21, xx từ chuỗi điều chế tín hiệu để cực tiểu hóa khoảng cách: 2 * 12 * 212 2 22111 * 12 * 212 2 22111 2 ,,               xhxhrxhxhrxhxhrdxhxhrd (2.9) Với tất cả các giá trị có thể của  1x và  2x . Thay (2.7) và (2.8) vào (2.9), mã hóa hợp lý nhất có thể được thể hiện như sau:                                       2 ~ 2 2 1 ~ 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 , 21 ,,1minarg, 21 xxdxxdxxhhxx Cxx (2.10) Trong đó C là tập hợp tất cả các cặp ký hiệu  21 ˆ,ˆ xx có thể có đã được điều chế, 1 ~x và 2 ~x là hai thống kế quyết định được xây dựng bởi sự kết hợp của các tín hiệu thu được với thông tin trạng thái kênh: *221 * 11 ~ rhrhx  *211 * 22 ~ rhrhx  (2.11) Thay r1 và r2 từ (2.7) và (2.8) vào (2.11), ta có:   2*21*1122211~ nhnhxhhx    1*2*2*1222212~ nhnhxhhx  (2.12) Đối với kênh có h1 và h2 cho trước, ix ~ , i = 1, 2, chỉ là hàm của xi, 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 x1 và x2:    112212121~1 ˆ,~ˆ1minargˆ 1 xxdxhhx Sx   (2.13)    222212121~2 ˆ,~ˆ1minargˆ 2 xxdxhhx Sx   (2.14) Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 15 Đối với chuỗi tín hiệu M-PSK,   22221 ˆ1 ixhh  , i = 1, 2, là hằng số đối với tất cả các điểm tín hiệu với các hệ số fading kênh cho trước. Do đó, các quy tắc quyết định trong (2.13) và (2.14) có thể rút gọn thành:  11 2 ~1 ˆ,~minargˆ 1 xxdx Sx    22 2 ~2 ˆ,~minargˆ 2 xxdx Sx   (2.15) 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 nR anten thu. Việc mã hóa và phát đối với mô hình này giống với trường hợp một anten thu. Đặt 1 jr và 2 jr lần lượt là tín hiệu thu được ở anten thu thứ j tại thời điểm t và t+T, ta có: 1 ,1 1 ,2 2 1 j j j jr h x h x n   * *2 ,1 2 ,2 1 2 j j j jr h x h x n    (2.16) Trong đó: hj,i, i = 1, 2, j = 1, 2, …, nR, là các hệ số fading đối với đường từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j, và 1 jn , 2 jn 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 1 ~x và 2 ~x được xác định bằng công thức:    *2 1 2,1 * 1, 2 1 1 1 2 , * 2 1 2,1 * 1,1 ~ j n j j j j j n j ij j n j j j j nhnhxhrhrhx RRR        *2 1 1,1 * 2, 2 1 1 2 2 , * 2 1 1,1 * 2,2 ~ j n j j j j j n j ij j n j j j j nhnhxhrhrhx RRR     (2.17) Các quy tắc giải mã tốt nhất cực đại đối với hai tín hiệu độc lập x1 và x2 được cho bởi công thức:                         11 2 2 1 1 2 2, 2 1, ˆ 1 ˆ,~ˆ1minargˆ 1 xxdxhhx Rn j jj Sx (2.18)                         22 2 2 2 1 2 2, 2 1, ˆ 2 ˆ,~ˆ1minargˆ 2 xxdxhhx Rn j jj Sx (2.19) Đối với điều chế M-PSK, tất cả các tín hiệu trong chuỗi có năng lương bằng Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 16 nhau. Các quy tắc giải mã tốt nhất cực đại tương đương với trường hợp một anten thu. 2.2. Mã khối không thời gian. [4] Nguyên lý Alamouti đạt được phân tập đầy đủ với một thuật toán giải mã tốt nhất cực đại đơn giản. Đặc điểm chính của nguyên lý này là sự trực giao giữa các chuỗi được phát bởi hai anten phát. Nguyên lý này được tổng quát hóa lên với số lượng anten phát bất kì nhờ áp dụng lý thuyết về các thiết kế trực giao. Các nguyên lý tổng quát hóa được đề cập tới như là mã khối không thời gian. Mã khối không thời gian có thể đạt được phân tập phát đầy đủ được xác định bởi số anten phát nT, với thuật toán giải mã hợp lý nhất rất đơn giản, chỉ dựa vào xử lý tuyến tính các tín hiệu của máy thu. Bộ mã hóa khối không thời gian Hình 2.2: Bộ mã hóa mã khối không thời gian Một mã khối không thời gian được định nghĩa bởi một ma trận phát X, kích thước: nT x p. Trong đó nT là số anten phát, p là số chu kỳ phát một khối các ký hiệu mã. Giả sử chuỗi tín hiệu bao gồm 2m điểm. Mỗi lần mã hóa, một khối km bit thông tin được sắp xếp vào các chuỗi tín hiệu để lựa chọn k tín hiệu đã được điều chế x1, x2, … , xk, trong đó mỗi nhóm m bit lựa chọn một tín hiệu chuỗi. k tín hiệu đã điều chế này được mã hóa bởi một bộ mã hóa khối không thời gian để phát ra nT chuỗi tín hiệu song song có độ dài p theo ma trận phát X. Các chuỗi này được phát qua nT anten phát lần lượt trong p chu kỳ thời gian. Trong mã khối không thời gian, số ký hiệu đưa vào lối vào của bộ mã hóa trong mỗi lần mã hóa là k. Số chu kỳ phát yêu cầu để phát các ký hiệu mã không thời gian qua các anten phát là p. Nói cách khác, có p ký hiệu không thời gian được phát đi từ mỗi anten đối với mỗi khối có k ký hiệu lối vào. Tỷ lệ của mã khối không thời gian được định nghĩa là tỉ số giữa số ký hiệu đưa vào lối vào bộ mã hóa trên số ký hiệu mã không thời gian phát đi từ mỗi anten: Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 17 R = k / p (2.20) Hiệu suất phổ của mã khối không thời gian là: b s s r r mR km B r p     bit/s/Hz (2.21) Người ta chỉ ra rằng tỷ lệ của mã khối không thời gian với phân tập phát đầy đủ nhỏ hơn hoặc bằng 1, R ≤ 1. Mã này với toàn tốc R = 1 yêu cầu không mở rộng băng tần, trong khi mã với tốc độ R < 1 yêu cầu mở rộng băng tần 1 / R. Đối với mã khối không thời gian với nT anten phát, ma trận phát được ký hiệu là nTX . Mã này được gọi là mã khối không thời gian kích thước nT. 2.3. Mã khối không thời gian với các chuỗi tín hiệu thực. [4] 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: 1 2 2 2 1 x x X x x        (2.22) Với nT = 4 anten phát: 1 2 3 4 2 1 4 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 x x x x x x x x X x x x x x x x x               ( 2.23) Với nT = 8 anten phát: Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 18 1 2 3 4 5 6 7 8 2 1 4 3 6 5 8 7 3 1 2 7 8 5 6 4 4 3 2 1 8 7 6 5 8 5 6 7 8 1 2 3 4 6 5 8 7 2 1 4 3 7 8 5 6 3 4 1 2 8 7 5 5 4 3 2 1 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x X x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x                                             (2.24) 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. Ví dụ, một mã khối không thời gian xác định bởi X4 với 4 anten phát. Bộ mã hóa lấy 4 ký hiệu thực đã được điều chế x1, x2, x3, và x4 đưa vào lối vào và phát ra các chuỗi mã. Tại thời điểm t = 1, các tín hiệu x1, x2, x3, và x4 được phát lần lượt từ anten 1 đến anten 4. Tại thời điểm t = 2, các tín hiệu –x2, x1, –x4, và x3 được phát lần lượt từ các anten 1 đến anten 4, tương tự với t = 3 và t = 4. Trong ví dụ này, để truyền đi bốn ký hiệu tin cần bốn anten phát và bốn chu kỳ thời gian. Do đó, không có sự yêu cầu mở rộng băng tần đối với mã này, nói cách khác, mã này có thể đạt được toàn tốc bằng 1. Việc xây dựng các nguyên lý phát toàn tốc R = 1 với số anten phát bất kỳ là một sự mong muốn đạt được. Đối với nT anten phát, giá trị cực tiểu của p chu kỳ phát để đạt được toàn tốc là: Min(24c+d) (2.25) Trong đó: c, d | 0 ≤ c, 0 ≤ d ≤ 4, và 8c + 2d ≥ nT (2.26) Đối với nT ≤ 8, giá trị cực tiểu của p là: nT = 2, p = 2 (2.27) nT = 3, p = 4 nT = 5, p = 8 nT = 6, p = 8 nT = 7, p = 8 nT = 8, p = 8 Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 19 Các giá trị này đưa ra quy tắc xây dựng mã khối không thời gian toàn tốc. Theo các giá trị này, các ma trận phát không vuông X3, X5, X6, và X7 được xây dựng dựa trên các thiết kế trực giao thực đối với mã khối không thời gian toàn tốc và phân tập đầy đủ với kích thước lần lượt là 3, 5, 6 và 7.               2143 3412 4321 3 xxxx xxxx xxxx X ( 2.28 )                       43218765 56781234 65872143 78563412 87654321 5 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx X ( 2.29 )                            34127856 43218765 56781234 65872143 78563412 87654321 6 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx X ( 2.30 )                               22436587 34227856 43228765 56781234 65872143 78563412 87654321 7 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx X ( 2.31 ) Để hiểu rõ hơn, ta lấy ví dụ với X6, ma trận mã khối không thời gian với 6 anten phát. Lối vào bộ mã hóa khối không thời gian là một khối 8 ký hiệu: x1, x2, …. x8, từ một chuỗi tín hiệu thực. Sau khi mã hóa, các ký hiệu đã mã hóa được phát qua 6 anten trong 8 chu kỳ phát. Rõ ràng số ký hiệu được đưa vào lối vào bộ mã hóa bằng số chu kỳ thời gian yêu cầu để phát những ký hiệu này. Do đó, nguyên lý này không yêu cầu mở rộng băng tần. 2.4. Mã khối không thời gian với các chuỗi tín hiệu phức. [4] Nguyên lý Alamouti có thể được coi như một mã khối không thời gian với các tín hiệu phức đối với hai anten phát. Ma trận phát là: Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 20         * 12 * 21 2 xx xx X C ( 2.34 ) Nguyên lý này cung cấp phân tập đầy đủ là 2 và toàn tốc 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 toàn tốc. Nếu số anten phát lớn hơn 2, mục tiêu thiết kế mã là để xây dựng các ma trận phát phức tốc độ cao với độ phức tạp giải mã thấp mà đạt được phân tập đầy đủ. Hơn nữa, tương tự như các thiết kế trực giao thực, giá trị của p phải được cực tiểu 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. Ví dụ, các ma trận phát 3 CX và 4 CX là các thiết kế trực giao đối với mã khối không thời gian với lần lượt 3 và 4 anten phát. Những mã này có tỷ lệ 1/2. Các ma trận 3 CX và 4 CX :               * 2 * 1 * 4 * 32143 * 3 * 4 * 1 * 23412 * 4 * 3 * 2 * 14321 3 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx X C ( 2.39 )                    * 1 * 2 * 3 * 41234 * 2 * 1 * 4 * 32143 * 3 * 4 * 1 * 23412 * 4 * 3 * 2 * 14321 4 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx X C ( 2.40 ) Ta thấy, tích vô hướng của hai hàng bất kỳ của các ma trận này bằng 0, điều này chứng tỏ tính trực giao của các cấu trúc này. Với ma trận 3 CX , bốn ký hiệu phức được lấy tại một thời điểm và truyền qua ba anten phát trong tám chu kỳ ký hiệu; do đó tốc độ phát là 1/2. Với ma trận 4 CX , bốn ký hiệu từ một chuỗi phức được lấy cùng lúc và phát qua bốn anten phát trong tám chu kỳ ký hiệu, kết quả cũng cho tốc độ phát là 1/2. Thêm một sự xử lý tuyến tính nữa để đạt được tốc độ cao hơn với mã khối không thời gian với một chuỗi số phức và nhiều hơn hai anten. Hai ma trận 3 hX và 4 hX là các thiết kế trực giao phức được tổng quát hóa với mã khối không thời gian đạt tỷ lệ 3/4. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 21                           2222 22 22 * 11 * 22 * 22 * 1133 * 3 * 3* 12 * 3 * 3* 21 3 xxxxxxxxxx xx xx xx xx X h ( 2.41 )                                      2222 2222 22 22 * 22 * 11 * 11 * 2233 * 11 * 22 * 22 * 1133 * 3 * 3 12 * 3 * 3 21 4 xxxxxxxxxx xxxxxxxxxx xx xx xx xx X h ( 2.42 ) Một mã khối không thời gian nữa đạt tỷ lệ 3/4 với ba anten với các chuỗi tín hiệu phức được cho như sau:             * 2 * 13 * 3 * 12 * 3 * 21 3 0 0 0 ' xxx xxx xxx X h ( 2.43 ) Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 22 CHƯƠNG 3 – MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MÃ KHÔNG THỜI GIAN ALAMOUTI VÀ PHÂN TÍCH 3.1. Lưu đồ thuật toán. Ta xét một hệ gồm hai anten phát và một anten thu, kênh truyền trên các đường là kênh fading Rayleigh phẳng như trên hình 3.1. Ta sẽ dùng phần mềm Matlab để mô phỏng hiệu năng của hệ. Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ gồm hai anten phát, một anten thu Sơ đồ này có gồm có ba khối chức năng chính là: - Bộ mã hóa và chuỗi phát các ký hiệu thông tin tại phần phát - Nguyên lý kết hợp tại bộ thu - Quy tắc quyết định đối với bộ giải mã hợp lý nhất 3.1.1. Bộ mã hóa và chuỗi phát các ký hiệu thông tin tại phần phát Tại một chu kỳ ký hiệu cho trước, hai tín hiệu được phát lần lượt từ hai anten. Tín hiệu phát từ anten thứ nhất là x1 và từ anten thứ hai là x2. Trong chu kỳ ký hiệu tiếp theo tín hiệu ( *2x ) được phát từ anten thứ nhất và tín hiệu * 1x được phát Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 23 từ anten thứ hai, trong đó * là toán tử liên hợp phức. Trong matlab ta sẽ tạo ra bộ mã hóa và chuỗi phát các ký hiệu như sau: % phát chuỗi dữ liệu txData = randint(numOfBlk*2,1,qamOrder) % chia dữ liệu thành 2 vecto cột tem = reshape(txData,numOfBlk,2); % điều chế QAM dữ liệu phát tem = qammod(temp,qamorder); Trước hết ta phát chuỗi dữ liệu ngẫu nhiên bằng hàm randint, chuỗi dữ liệu được phát là một vector cột gồm (2*numOfBlk) phần tử với numOfBlk là số khối dữ liệu phát, numOfBlk = 106. Sau đó, ta sắp xếp lại chuỗi tín hiệu phát thành một ma trận gồm hai cột và numOfBlk hàng, trong đó hai cột này tương ứng với hai anten phát. Ma trận này sẽ được điều chế trước khi truyền đi, ở đây ta sử dụng kiểu điều chế tín hiệu là QAM với bậc điều chế là qamOrder. Giả sử hệ số fading kênh từ anten phát thứ nhất đến anten thu là h1(t) và từ anten phát thứ hai đến anten thu là h2(t) và giả sử fading là hằng số trong hai chu kỳ phát liên tục, ta có thể viết: 11 1 1 1( ) ( ) jh t h t T h h e     (3.1) 22 2 2 2( ) ( ) jh t h t T h h e     (3.2) Trong matlab ta tạo ra ma trận hệ số kênh fading là một ma trận phức có phần thực và phần ảo biến đổi độc lập nhau: H = 1/sqrt(2)*(randn(numOfBlk,2)+ sqrt(-1)*randn(num0fBlk,2)); Có hệ số 1/sqrt(2)là do ta giả sử công suất phát tại hai anten phát là như nhau và bằng ½ tổng công suất phát của máy phát. Tín hiệu ta thu được tại phía thu là: 1 1 1 2 2 1( )r r t h x h x n    (3.3) * * 2 1 2 2 1 2( )r r t T h x h x n      (3.4) Phần này được thể hiện bằng đoạn mã sau: rx(:,1) =H(:,1).*1/sqrt(2).*temp(:,1)+H(:,2).*1/sqrt(2).*temp(:,2); Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 24 rx(:,2) = -H(:,1).*(1/sqrt(2).*temp(:,2)').' + H(:,2).*(1/sqrt(2).*temp(:,1)').'; % cộng nhiễu vào tín hiệu thu rx = awgn(rx,SNRdB(i),'measured'); 3.1.2. Nguyên lý kết hợp tín hiệu Bộ kết hợp tín hiệu tạo ra hai tín hiệu đã được kết hợp 1 ~x và 2 ~x để gửi tới bộ giải mã hợp lý nhất: *221 * 11 ~ rhrhx  *211 * 22 ~ rhrhx  (3.5) Phương trình (3.5) tương đương với   2*21*1122211~ nhnhxhhx    1*2*2*1222212~ nhnhxhhx  (3.6) 3.1.3. Bộ giải mã hợp lý nhất Các tín hiệu đã được kết hợp trong phương trình (3.6) được gửi tới bộ giải mã hợp lý nhất, đối với mỗi tín hiệu x1 và x2 sử dụng quy tắc quyết định được thể hiện ở phương trình (2.12) và (2.14). Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 25 3.2. Kết quả mô phỏng Khảo sát tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu - SER (symbol error rate) của hệ trong trường hợp hai anten phát và một anten thu. 5 10 15 20 25 30 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR in dB S y m b o l E rr o r R a te SER cua che do 4-QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 Hình 3.2: SER của điều chế 4-QAM khi có mã hóa và không mã hóa Trên hình 3.2 là sự so sánh khi có dùng mã hóa và không mã hóa không thời gian. Hai quá trình truyền dữ liệu được thực hiện với các điều kiện giống nhau: cùng phương pháp điều chế 4-QAM, cùng công suất phát và cùng kênh truyền. Kết quả thu được trên hình 3.2 cho ta thấy: để đạt được cùng giá trị SER thì hệ thống không dùng mã hóa không thời gian phải sử dụng công suất phát lớn hơn so với hệ thống sử dụng mã hóa không thời gian. Ví dụ, để đạt được SER bằng 10-2 thì tỉ số SNR trong hệ thống không mã hóa bằng 25 dB trong khi hệ thống có mã hóa tỉ số SNR là 13 dB. Điều này cũng đồng nghĩa với nếu ta sử dụng cùng công suất phát thì SER trong hệ thống có mã hóa sẽ thấp hơn SER trong hệ thống không mã hóa, chứng tỏ sự ổn định trong quá trình truyền dữ liệu của hệ thống có mã hóa cao hơn hệ thống không mã hóa. Ta thu được kết quả tương tự với các kiểu điều chế tín hiệu 16-QAM và 64-QAM. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 26 5 10 15 20 25 30 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR in dB S ym b ol E rr or R at e SER cua che do 16-QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 Hình 3.3: SER của điều chế 16-QAM khi có mã hóa và không mã hóa 5 10 15 20 25 30 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR in dB S ym bo l E rro r R at e SER cua che do 64-QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 Hình 3.4: SER của điều chế 64-QAM khi có mã hóa và không mã hóa Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 27 5 10 15 20 25 30 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR in dB S ym bo l E rr or R at e SER cua che do QAM dua tren ma khong thoi gian Alamouti 4-QAM 16-QAM 64-QAM Hình 3.5: SER của điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM khi có mã hóa Trong hình 3.5 là kết quả mô phỏng sử dụng các kiểu điều chế QAM khác nhau trên cùng hệ thống có mã hóa không thời gian. Kết quả cho thấy để đạt được cùng giá trị SER thì tỉ số SNR trong kiểu điều chế 4-QAM là thấp nhất, tiếp theo là kiểu điều chế 16-QAM và cuối cùng là 64-QAM. Ví dụ, để đạt được SER bằng 0,1 thì tỉ số SNR khi dùng 4-QAM là 6 dB, khi dùng 16-QAM là 15 dB và khi dùng 64- QAM là 21 dB. Vậy ở đây ta thấy rõ, khi sử dụng các kiểu điều chế có bậc càng thấp thì phải có lợi về mặt công suất phát. Tuy nhiên, ta thấy mỗi một lý hiệu bao gồm m bit với m = log2M, trong đó M là bậc điều chế. Khi bậc điều chế càng cao, tức là M càng lớn thì m càng lớn và mỗi ký hiệu sẽ gồm nhiều bit hơn. Chu kỳ của mỗi ký hiệu bằng m lần chu kỳ của mỗi bit nên bề rộng phổ sẽ hẹp hơn m lần so với ban đầu, như vậy hiệu quả sử dụng phổ (số bit truyền được trong một giây trên độ rộng băng 1Hz) sẽ càng lớn m lần so với ban đầu. Tóm lại, ta thấy các kiểu điều chế QAM bậc điều chế cao thì bị thiệt về công suất phát nhưng được hiệu suất sử dụng phổ tăng, ngược lại, các kiểu điều chế QAM bậc điều chế thấp thì có lợi về công suất phát nhưng hiệu quả sử dụng phổ thấp. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 28 5 10 15 20 25 30 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR in dB S y m b o l E rr o r R a te SER dieu che QPSK dua tren ma khong thoi gian Alamouti co ma hoa 2x1 khong ma hoa 1x1 Hình 3.6: SER của điều chế QPSK khi có mã hóa và không mã hóa 0 5 10 15 20 25 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/No, dB B it E rr o r R a te SER cua dieu che BPSK dua tren ma khong thoi gian alamouti) Khong ma hoa 1x1 Co ma hoa 2x1 Hình 3.7: SER của điều chế BPSK khi có mã hóa và không mã hóa Các kết quả thu được khi sử dụng các kiểu điều chế PSK ta thấy cũng tương tự như điều chế QAM ở trên. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 29 KẾT LUẬN Một cách tăng dung lượng của kênh không dây đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO) là thực hiện mã hóa không thời gian- một kỹ thuật mã hóa được thiết kế với nhiều anten phát mà tiêu biểu là mã Alamouti. Đây là một nguyên lý phân tập 2 nhánh đơn giản. Kết quả cho thấy, đây là kỹ thuật mã hóa rất hiệu quả trong việc cải thiện đáng kể chất lượng cũng như dung lượng, tạo sự ổn định trong quá trình truyền dữ liệu, đồng thời khai thác hiệu quả thành phần không gian-thời gian mà không làm hao tồn tài nguyên tần số. Khóa luận đã thực hiện được các công việc sau: - Tổng quan về hệ thông tin vô tuyến nhiều anten, mô hình hệ thống MIMO. - Đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật phân tập anten, đây là kỹ thuật rất quan trọng trong hệ MIMO để nâng cao ổn định trong quá trình truyền dữ liệu. - Tìm hiểu nguyên lý Alamouti, mã khối không thời gian. Mã hóa không thời gian là một kỹ thuật nhằm nâng cao dung lượng truyền dữ liệu, giải quyết nhu cầu ngày càng cao của người dùng về tốc độ đường truyền.  Khảo sát tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu (SER) các kiểu điều chế 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM, BPSK, QPSK khi không mã hóa và có mã hóa dựa trên mã không thời gian Alamouti. Kết quả cho thấy SER trong hệ thống có mã hóa sẽ thấp hơn SER trong hệ thống không mã hóa, chứng tỏ sự ổn định trong quá trình truyền dữ liệu của hệ thống có mã hóa cao hơn hệ thống không mã hóa.  So sánh tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu (SER) với các kiểu điều chế QAM. Ta thấy trên mã không thời gian Alamouti các kiểu điều chế QAM bậc điều chế cao thì bị thiệt về công suất phát nhưng được hiệu suất sử dụng phổ tăng, ngược lại, các kiểu điều chế QAM bậc điều chế thấp thì có lợi về công suất phát nhưng hiệu quả sử dụng phổ thấp. Mã không thời gian Alamouti trong kỹ thuật MIMO hiện đang là kỹ thuật được kỳ vọng trong hệ thống truyền thông vô tuyến hiện đại. Nó có ứng dụng vào cuộc sống thực tế là rất rộng rãi. Kết hợp MIMO vào công nghệ khác như MIMO- OFDM, hay ứng dụng vào công nghệ WIMAX- một công nghệ băng rộng không dây đang phát triển rất mạnh hiện nay. Khóa luận tuy chỉ đề cập tới khía cạnh nhỏ và còn nhiều thiếu sót nhưng nó gợi lên khả năng phát triển mới- công nghệ MIMO. Khóa luận tốt nghiệp Trường KHTN- ĐHQGHN Trần Thị Minh Phương Bộ môn Vật lý Vô tuyến 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Anh Phi (2004), “Truyền tin số”, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2. Trần Trung Dũng và Nguyễn Thúy Anh (2004), “Lý thuyết truyền tìn”, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 3. B. Gershman, N. D. Sidiropoulos (2005), Space-Time Processing for MIMO Communications, John Wiley & Sons Ltd, England. 4. Branka Vucetic, Jinhong Yuan (2003), Space-Time Coding, John Wiley & Sons Ltd, England. 5. Theodore S. Rappaport (1996), Wireless Communications Principles & Practice, Prentice-Hall, Inc, America. 6. 7.