Ưu điểm
- Khả năng chống nhiễu ISI, ICI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP và các sóng mang phụ trực giao với nhau.
Hiệu suất sử dụng phổ của công nghệ này vượt trội hơn so với FDM nhờ khả năng chồng phủ các sóng mang phụ, đồng thời vẫn duy trì chất lượng tín hiệu sau khi tách sóng.
- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao nhờ việc chia băng tần thành các băng tần con.
Các kênh con được xem như các kênh fading phẳng, cho phép sử dụng các bộ cân bằng đơn giản trong quá trình nhận thông tin, từ đó giảm thiểu độ phức tạp của máy thu.
- Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật toán FFT/IFFT.
Nhược điểm
Hệ thống OFDM phát tín hiệu qua nhiều sóng mang, nhưng khi các sóng mang này đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ tạo ra đỉnh cao, dẫn đến tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) tăng cao Điều này yêu cầu sử dụng bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để tránh méo dạng tín hiệu và tối ưu hóa hiệu suất của các bộ khuếch đại cao tần.
Hệ thống một sóng mang dễ bị ảnh hưởng bởi dịch tần số hơn, dẫn đến việc thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang Khi tần số trung tâm bị lệch, bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, gây ra lỗi trong quá trình giải điều chế.
Ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Ngày nay, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong các hệ thống truyền thông số như: DVB-T, WiFi, WiMAX, hệ thống MIMO OFDM có thể gửi luồng dữ liệu
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao thông qua các sóng mang trực giao, đồng thời giúp giảm thiểu nhiễu liên ký hiệu (ISI) và nhiễu kênh Hiện nay, OFDM đang được áp dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB-T Ngoài ra, các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM cũng sẽ sớm được khai thác Các mạng thông tin máy tính không dây như Hiper LAN/2 và IEEE 802.11 dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam trong tương lai gần.
OFDM đang thể hiện rõ ưu điểm trong các hệ thống viễn thông thực tế, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao như thông tin di động và truyền hình số Địa hình phức tạp tại các vùng nông thôn, ngoại ô và đô thị đông đúc ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng Hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng cần có nhiều tính năng và khả năng truyền dẫn tốt, giúp các nhà cung cấp viễn thông mở rộng vùng phủ sóng với số lượng trạm gốc giảm thiểu Kỹ thuật OFDM đang được các nhà mạng toàn cầu áp dụng hiệu quả cho nhiều sản phẩm, từ kết nối mạng LAN, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) đến các kỹ thuật truy cập WiFi, Wimax và ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm.
Hệ thống MIMO
Kỹ thuật phân tập
Mô hình kênh truyền fading đa đường gây ra sự suy giảm đột ngột về công suất tín hiệu thu được, với biến động từ 20 đến 30 dB, có thể do ảnh hưởng từ các người dùng khác SNR tại đầu vào máy thu có thể giảm mạnh, và khi SNR thấp hơn ngưỡng cho phép, việc khôi phục tín hiệu trở nên không khả thi Một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để giảm thiểu ảnh hưởng của fading đa đường là kỹ thuật phân tập, với ý tưởng cung cấp nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu đến máy thu.
Có 2 vấn đề chính mà chúng ta cần tìm hiểu Thứ nhất là làm cách nào để
Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO cung cấp những phiên bản khác nhau của tín hiệu phát đến máy thu với công suất nhỏ nhất, tiết kiệm băng thông, độ phức tạp nhỏ nhất, Thứ hai là làm thế nào để sử dụng những phiên bản của tín hiệu phát tại máy thu để có được xác suất lỗi là nhỏ nhất.
Có ba kỹ thuật phân tập cơ bản để nâng cao hiệu suất truyền thông: phân tập thời gian (Time diversity), phân tập tần số (Frequency diversity) và phân tập không gian (Space diversity), còn được gọi là phân tập anten.
Là sự truyền cùng một tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau.
Hình 2.6 Phân tập thời gian T: chu kì truyền tín hiệu. nT là thời điểm truyền tín hiệu; n N.
Phân tập thời gian có thể đạt được thông qua mã hóa và xen kênh, với xen kênh tạo ra khoảng thời gian phân cách giữa các bản sao tín hiệu, giúp tín hiệu độc lập về fading tại bộ giải mã Tuy nhiên, do xen kênh gây độ trễ khi giải mã, kỹ thuật này chỉ phù hợp với môi trường có fading nhanh, nơi khoảng thời gian liên kết nhỏ Đối với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụng bộ Interleaver lớn có thể gây ra độ trễ không chấp nhận được cho ứng dụng nhạy với độ trễ như truyền thoại Một nhược điểm của phân tập thời gian là sử dụng băng thông không hiệu quả do dư thừa dữ liệu trong miền thời gian.
Phân tập tần số là phương pháp phát cùng một tín hiệu trên nhiều tần số sóng mang khác nhau, với dải phân cách đủ lớn để đảm bảo rằng ảnh hưởng của fading lên các tần số này là độc lập Giống như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng liên quan đến băng thông liên kết (coherence bandwidth), tuy nhiên, thông số này sẽ thay đổi tùy thuộc vào các môi trường truyền sóng khác nhau.
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, là một phương pháp phân tập hiệu quả mà không làm suy giảm khả năng sử dụng phổ Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten ở đầu thu, đầu phát hoặc cả hai để tăng cường độ lợi phân tập Để đảm bảo tín hiệu từ các anten khác nhau là độc lập, các anten cần được đặt cách nhau ít nhất nửa bước sóng.
Ngoài ra, kỹ thuật phân tập có thể được phân ra thành 2 nhóm là phân tập phát (Transmitter diversity) và phân tập thu (Receiver diversity)
Các bản tin được truyền đi qua nhiều anten khác nhau, giúp giảm công suất xử lý của bộ thu và đơn giản hóa cấu trúc hệ thống thu Việc này không chỉ giảm tiêu thụ năng lượng mà còn tiết kiệm chi phí Ngoài ra, phân tập phát với nhiều anten tại trạm gốc trong thông tin di động nâng cao chất lượng tín hiệu và đáp ứng tốt hơn yêu cầu phân tập thu tại máy thu.
Nhiều anten được sử dụng tại đầu thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu truyền, giúp tăng tỷ số SNR và hạn chế fading đa đường Tuy nhiên, việc thực hiện phân tập thu tại máy đầu cuối đòi hỏi nhiều bộ chuyển đổi RF, dẫn đến tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, trong khi nguồn pin của máy đầu cuối lại có hạn.
Phân tập anten được chia thành ba loại chính dựa trên số lượng anten tại đầu phát và đầu thu: hệ thống phân tập phát MISO, phân tập thu SIMO và phân tập cả hai đầu phát - thu MIMO.
Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO
Kỹ thuật MIMO
Kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng nhiều anten ở cả hai phía thu và phát, kết hợp với các phương pháp xử lý tín hiệu, nhằm cải thiện hiệu suất truyền thông Hệ thống MIMO được phát triển để tăng tốc độ truyền dữ liệu, giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) và mở rộng vùng phủ sóng mà không cần tăng công suất hoặc băng thông của hệ thống thông tin vô tuyến.
Bộ chuyển Bộ giải dữ liệu đổi MIMO * chuyển đổi dữ liệu ra
Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i.
Hình 2.7: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu.
2.6.2.1 Các mô hình của hệ thống MIMO
Hình 2.8: Các hệ thống SISO, SIMO và MISO
2.6.2.2 SISO - Single Input Single Output
Hệ thống này sử dụng một anten tại đầu phát và một anten thu, với máy phát và máy thu chỉ cần một bộ cao tần cùng một bộ điều chế và giải điều chế Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đơn giản hóa cấu trúc của hệ thống truyền thông.
Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO lượng hệ thống theo công thức Shannon, B là băng thông kênh truyền, SNR là tỉ số tín hiệu trên nhiễu thì dung lượng của hệ thống SISO sẽ là:
C SHANNON B log 2 1 SNR [bit/s/Hz.]
Để nâng cao dung lượng kênh truyền, cần tăng băng thông B; tuy nhiên, băng thông là tài nguyên hạn chế và quý giá Do đó, hệ thống SISO không tối ưu trong việc sử dụng băng thông.
2.6.2.3 SIMO – Single Input Multiple Output
Hệ thống SIMO sử dụng một anten phát kết hợp với nhiều anten thu, cho phép máy thu lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu để tối ưu hóa tỉ số SNR thông qua các thuật toán beamforming hoặc MMRC Mặc dù hệ thống này có ưu điểm về tính đơn giản và dễ triển khai, nhưng yêu cầu kích thước lớn cho máy thu và vấn đề về công suất khiến nó không phù hợp với các thiết bị di động Dung lượng kênh truyền của hệ thống SIMO cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
2.6.2.4 MISO - Multiple Input Single Output
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát kết hợp với một anten thu, cho phép áp dụng kỹ thuật Alamouti để cải thiện chất lượng tín hiệu Khi máy phát nắm bắt thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát, được xác định theo một biểu thức cụ thể.
2.6.2.5 MIMO - Multiple Input Multiple Output Đây là mô hình tổng quát của hệ thống MIMO, sử dụng đa anten phát và thu.
Hệ thống sử dụng đa anten phát và thu để cung cấp phân tập, từ đó nâng cao chất lượng hệ thống Ngoài ra, việc thực hiện beamforming tại cả hai đầu phát và thu giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng công suất và giảm thiểu nhiễu.
Tuy nhiên, MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, vì vậy kỹ thuật MIMO-OFDM được áp dụng để khắc phục nhược điểm này.
Cùng tín hiệu được phát bởi mỗi anten:
Có thể được xem như hiệu quả của sự kết hợp giữa kênh truyền SIMO và MISO.
Vậy dung lượng của hệ thống MIMO trong trường hợp này là:
C MIMO B log 2 1 N T N R SNR (bps / Hz )
Dung lượng kênh truyền của MIMO vượt trội hơn so với SIMO và MISO, tuy nhiên, sự gia tăng này chỉ diễn ra trong hàm log Điều này cho thấy việc tăng tốc độ dữ liệu thông qua việc nâng cao công suất phát là một giải pháp tốn kém.
Trong hệ thống MIMO, mỗi anten phát ra tín hiệu khác nhau, cho phép gửi nhiều tín hiệu cùng một băng thông mà vẫn đảm bảo khả năng giải mã chính xác tại đầu thu Điều này tương tự như việc tạo ra một kênh truyền riêng biệt cho mỗi bộ phát, với dung lượng của mỗi kênh truyền này tương đương với
C MIMO B log 2 1 SNR (bps / Hz )
C MIMO N T B log 2 1 SNR (bps / Hz )
MÃ HÓA KHÔNG GIAN- THỜI GIAN
Giới thiệu chương
Để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao và nâng cao dung lượng hệ thống trong mạng viễn thông hiện đại, các kỹ thuật mã hóa kênh đã được phát triển nhằm truyền dữ liệu nhanh chóng, hiệu quả và ít lỗi, đặc biệt trong truyền dẫn MIMO (nhiều đầu vào, nhiều đầu ra) Chương này sẽ trình bày về kỹ thuật mã hóa không gian – thời gian, bao gồm các nội dung liên quan.
Tổng quan về mã hóa không gian - thời gian (Space Time coding - STC)
Phương pháp mã lưới không gian - thời gian (Space Time Trellis Code - STTC) trong hệ thống MIMO.
Phương pháp mã khối không gian - thời gian (Space Time Block Code - STBC) trong hệ thống MIMO.
Tổng quan về kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian
3.2.1 Hệ thống mã hóa không gian thời gian
Hệ thống truyền thông được mã hóa không gian-thời gian băng tần gốc bao gồm nT anten phát và nR anten thu, như được minh họa trong hình.
Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ mã hóa không gian thời gian.
Dữ liệu được mã hóa bởi bộ mã hóa không gian-thời gian, tại mỗi thời điểm t, một khối m symbol thông tin nhị phân được ký hiệu là ct = (c1t, c2t, …, cm t) Bộ mã hóa này sẽ ánh xạ khối m symbol nhị phân thành nT symbol điều chế từ một bộ tín hiệu M2m điểm, và dữ liệu đã được mã hóa sẽ được đưa vào bộ tiếp theo.
Trang 30 chuyển đổi từ nối tiếp sang song song (S/P) để xuất ra một chuỗi nT symbol song song, được sắp xếp thành một vecto cột nT ×1. xt= (x 1 t , x 2 t , …,x nt t) T (3.2) Trong đó, T có nghĩa là chuyển vị của một ma trận nT ngõ ra song song được phát đồng thời bởi nT anten phát khác nhau, nhờ vậy mà symbol x i , 1 ≤ i ≤ nT, được phát bởi anten i và tất cả các symbol được phát đều có cùng một khoảng thời gian T (giây) Vectơ symbol điều chế mã hóa từ các anten khác nhau, như được chỉ ra ở (3.2), được gọi là symbol không gian-thời gian (space-time symbol) Hiệu suất phổ của hệ thống là : η=rb/B ( bit/s/Hz ) (3.3)
Tốc độ bit (rb) và băng thông kênh truyền (B) là hai yếu tố quan trọng trong hiệu suất phổ Hiệu suất phổ của một hệ thống không mã hóa với một anten phát tương đương với hiệu suất phổ trong công thức (3.1) Việc sử dụng nhiều anten ở cả máy phát và máy thu tạo ra kênh MIMO, trong đó mỗi liên kết từ anten phát đến anten thu có thể được mô hình hóa bằng fading phẳng, giả định rằng kênh truyền là không nhớ.
Trong một kênh fading nhanh, các hệ số fading giữ hằng số trong mỗi chu kỳ symbol nhưng thay đổi giữa các symbol khác nhau Tại máy thu, tín hiệu nhận được ở mỗi anten nR là sự chồng chất của nT tín hiệu phát, bị ảnh hưởng bởi fading của kênh Ở thời điểm t, tín hiệu tại anten j (j = 1, 2, …, nR) được ký hiệu là r_j(t) và được biểu diễn bằng công thức nT * r(t) * j * h(t) * j * i * x(t) * i * n(t) [11] với i từ 1 đến n.
Tại thời điểm t, nhiễu của anten thu j được biểu diễn bằng n i t, là một mẫu độc lập của biến ngẫu nhiên Gaussian phức với trung bình 0 và mật độ phổ công suất N0 Các tín hiệu thu được từ nR anten tại thời điểm t được mô tả bằng một vectơ cột kích thước nR ×1, ký hiệu là rt = (r1t, r2t,…, r nT t) T Nhiễu tại máy thu cũng được biểu diễn bằng một vectơ cột nR ×1, ký hiệu là nt = (n1t, n2t,…, n nT t) T.
Chương 3: Mã hóa không gian- thời gian
Mỗi thành phần trong hệ thống chỉ ra một mẫu nhiễu tại anten thu, dẫn đến việc vectơ tín hiệu thu được có thể được biểu diễn bằng công thức: rt = Ht xt + nt.
Bài viết giả định rằng bộ giải mã tại máy thu áp dụng thuật toán maximum-likelihood (ML) để khôi phục chuỗi thông tin đã phát, với điều kiện máy thu có thông tin trạng thái kênh (CSI) lý tưởng trên kênh MIMO Ngược lại, máy phát lại không có thông tin về kênh Tại máy thu, số metric quyết định được tính toán dựa trên bình phương khoảng cách Euclidean giữa chuỗi thu giả thiết và chuỗi thu thực tế.
Bộ giải mã sẽ chọn một từ mã với số metric quyết định nhỏ nhất làm chuỗi giải mã.
Mã trellis không gian-thời gian
Kỹ thuật mã hóa STTC mang lại khả năng phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, đặc biệt phù hợp cho các hệ thống MIMO Loại mã chập này rất lý tưởng cho truyền thông vũ trụ và vệ tinh, nhờ vào việc sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng vẫn đạt hiệu quả cao thông qua phương pháp giải mã phức tạp.
Kỹ thuật STBC xử lý từng khối ký tự đầu vào một cách độc lập, tạo ra chuỗi vector mã độc lập Ngược lại, STTC xử lý chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra các vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa.
Bộ mã hóa sử dụng các vector mã bằng cách dịch chuyển các bít dữ liệu qua thanh ghi dịch, với K tầng và mỗi tầng chứa k bít Mỗi bộ n thực hiện phép cộng nhị phân với đầu vào là.
K tầng sẽ tạo ra một vector mã n bit cho mỗi k bit đầu vào Khi k bit dữ liệu được đưa vào tầng đầu tiên của thanh ghi dịch, chúng sẽ được dịch sang tầng kế tiếp Mỗi lần dịch k bit dữ liệu sẽ tạo ra một vector mã n bit, và tốc độ mã được xác định bởi quá trình này.
K là số tầng của thanh ghi dịch, được gọi là độ dài ràng buộc của bộ mã Mỗi vector mã trong mã lưới phụ thuộc vào kK bit, bao gồm k bit dữ liệu đầu vào ở tầng đầu tiên và (K-1)k bit từ K-1 tầng cuối của bộ mã hóa K-1 tầng cuối này được gọi là trạng thái của bộ mã hóa, trong khi chỉ có k bit dữ liệu đầu vào trong mã khối ảnh hưởng đến vector mã.
Tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ được giải mã bởi bộ giải mã tương quan tối đa không gian-thời gian (STMLD), thực hiện theo thuật toán vector Viterbi Bộ STMLD chọn chuỗi dữ liệu được giải mã dựa trên đường mã có metric tích lũy nhỏ nhất Độ phức tạp của bộ giải mã tăng theo hàm mũ với số trạng thái trên giản đồ chòm sao và số trạng thái mã lưới Đối với một bộ mã STTC có bậc phân tập D và tốc độ truyền dữ liệu R bps, độ phức tạp của bộ giải mã sẽ tỉ lệ với hệ số 2 R(D-1).
3.3.2 Nguyên lý mã hóa mã lưới
Mã lưới được thể hiện qua lưới mã (code trellis) hoặc sơ đồ trạng thái (state diagram), mô tả sự chuyển đổi giữa các trạng thái dựa trên k bit dữ liệu đầu vào Ví dụ, với bộ mã lưới có k = 1, K = 3 và n = 2, quá trình này cho thấy cách mà trạng thái hiện tại chuyển sang trạng thái tiếp theo.
Chương 3: Mã hóa không gian- thời gian
Hình 3.3: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.4: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2
Giả sử đầu vào được bắt đầu từ trạng thái S0 = 00 và dữ liệu đầu vào lần lượt là:
101100 (đầu vào 1 được biểu diễn bằng nét đứt, 0 bằng nét liền) Dựa vào sơ đồ trạng thái như trên ta thu được sơ đồ phức tạp hơn như sau:
Sơ đồ lưới với t=6 cho thấy dãy dữ liệu đầu ra là: 11 10 00 01 01 01 Với tốc độ mã là 0.5, số bit đầu ra sẽ gấp đôi số bit đầu vào.
3.3.3 Nguyên lý giải mã mã lưới
3.3.3.1 Giải mã sử dụng giản đồ lưới
Giả sử một bộ mã lưới nhận được chuỗi tín hiệu 11 01 01 00 10 11 trong khoảng thời gian từ t=0 đến t=6, bắt đầu từ trạng thái khởi tạo S0 Khi đầu vào là 11, bộ giải mã sẽ cho ra output = 1 và chuyển sang trạng thái S1 tại t=1 Tiếp theo, với input = 01, bộ giải mã tiếp tục quyết định output = 1 Quá trình này tiếp diễn cho đến khi hoàn thành sơ đồ lưới, dẫn đến chuỗi bit nhận được là 1 1 0 1 0 0.
Hình 3.6 Đi hết giản đồ lưới thì chuỗi bit nhận được là 110100
3.3.3.2 Khoảng cách Hamming trong giải mã lưới
Khoảng cách Hamming h là số lượng ký tự khác nhau giữa hai chuỗi nhị phân Ví dụ, nếu có lỗi bit đơn xảy ra ở bốn bit đầu tiên, chuỗi bit nhận sẽ bị ảnh hưởng.
Chương 3: Mã hóa không gian- thời gian được là 1111 (thay vì 1101) Từ sơ đồ dưới, ta thấy có 2 cách đi từ S0, một cho input
Hình 3.7 Khoảng cách Hamming h của 2 nhánh trại S0
Chúng ta sẽ chọn đường phía dưới với khoảng cách Hamming h nhỏ hơn Tại t=1, đầu vào có 1 bít lỗi và cả hai đường đi từ S1 đều có khoảng cách Hamming h=1 Do đó, bộ giải mã sẽ xem xét cả hai đường này trong các bước tiếp theo.
Tại thời điểm t=2, đường đi từ S3 có h=0, trong khi đường đi từ S2 có h=1 với hai lựa chọn Vì khoảng cách Hamming giữa các đường đi khác nhau, chúng ta sẽ chọn đường dưới để xác định dữ liệu đầu ra.
Hình 3.8: Khoảng cách Hamming trong từng đoạn.
Tuy nhiên, để nâng cao độ tin cậy cho thuật toán, trong thực tế, ta sẽ tính tổng khoảng cách Hamming H trên n đoạn mà nó đi qua:
Hình 3.9: Tổng khoảng cách Hamming H
Dựa vào sơ đồ, khoảng cách Hamming được tích lũy qua từng đoạn, và sau một khoảng thời gian nhất định (t=5), bộ giải mã sẽ chọn đường có tổng khoảng cách Hamming nhỏ nhất.
Theo sơ đồ trên thì đường có H=1 là đường đi tốt nhất, do đó, dữ liệu đầu ra sẽ là
3.3.3.3 Giải mã sử dụng thuật toán Viterbi
Trong sơ đồ lưới, có 5 đường đi được thể hiện, và việc lựa chọn đường đi tối ưu dựa trên tổng khoảng cách Hamming, với tiêu chí chọn đường có H nhỏ nhất Đối với các bộ mã lưới lớn hơn, chẳng hạn như trong mạng di động, độ dài giới hạn k có thể tăng lên tới 6 hoặc nhiều hơn.
Thuật toán Viterbi, phát triển vào năm 1967, giúp loại bỏ nhiều đường trong số 32 hoặc 256 đường cần xét, tối ưu hóa quá trình tìm kiếm.
Mã hóa khối không gian thời gian STBC
Mã khối không gian - thời gian (STBC) là một trong những mã được ưa chuộng trong hệ thống MIMO nhờ vào độ phức tạp tính toán thấp và hiệu quả tương đối cao Được giới thiệu lần đầu tiên bởi Alamouti vào năm 1998, mã Alamouti được thiết kế cho hệ thống với hai anten phát và M anten thu Sau đó, Tarokh đã cải tiến mã Alamouti để áp dụng cho các hệ thống có số lượng anten phát linh hoạt hơn.
Khi áp dụng mã không gian thời gian, dữ liệu được mã hóa theo khối để truyền tải Các khối dữ liệu này được gửi đến nhiều anten phát, với khoảng cách thời gian và không gian giữa chúng.
Chương 3: Mã hóa không gian- thời gian
Hình 3.19 Ma trận mã khối không gian - thời gian
Mã STBC được thể hiện dưới dạng ma trận, trong đó mỗi cột tương ứng với một khe thời gian, còn mỗi hàng đại diện cho một anten trong nhiều khe thời gian.
3.4.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu
Mô hình Alamouti là một kỹ thuật phân tập phát hiệu quả, thường được áp dụng trong các hệ thống truyền thông không dây Sơ đồ Alamouti 2x1 được thiết kế cho hai anten phát, nhưng có khả năng mở rộng để hỗ trợ nhiều anten hơn, giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Hình 3.20 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu
Chương 3: Mã hóa không gian- thời gian Đối với fading phẳng, sử dụng hai anten phát và một anten thu, tín hiệu thu được biểu diễn: y(k) h1 (k).x1 (k) h 2 (k)x 2 (k) η(k) (3.8) Với: hn là độ lợi kênh truyền từ anten phát n k là chỉ số biểu thị thời điểm phát.
Sơ đồ Alamouti phát hai ký hiệu trên hai anten 1 và 2 như sau:
Tại thời điểm k, x1(k) = x1 và x2(k) = x2; tại k+1: x1(k+1) = -x2 * và x2(k+1) x1 * Nếu coi rằng độ lợi kênh truyền không đổi trong thời gian hai ký hiệu. Đặt: h1 = h1(k) = h1(k+1) và h2 = h2(k) = h2(k+1)
Khi này có thể viết ma trận vào dạng sau: y(k 1)
Cột của ma trận H trong phương trình trên là trực giao, do đó việc tách sóng x1 và x2 được phân chia thành hai nhiệm vụ vô hướng độc lập.
3.4.1.1 Mã hóa và truyền dẫn
Sau khi tín hiệu được ra khỏi bộ điều chế, bộ mã hóa sẽ lấy ra từng khối dữ liệu gồm 2 ký tự x1 và x2 Tín hiệu này được truyền trong hai khe thời gian liên tiếp qua hai anten phát Ở khe thời gian đầu tiên, ký tự x1 được truyền trên anten 1 và x2 trên anten 2 Trong khe thời gian thứ hai, -x2* được phát qua anten 1, trong khi x1* được phát qua anten 2.
Hình 3.21 Sơ đồ khối hệ thống
Trong một khoảng thời gian nhất định, hai ký hiệu được phát đồng thời từ hai anten Ký hiệu tín hiệu từ anten một là x1(k) = x1, trong khi tín hiệu từ anten hai là x2(k) = x2 Ở thời gian tiếp theo, anten một phát x1(k+1) = x * 2 và anten hai phát x2(k+1) = x1 * Độ lợi kênh truyền cho anten phát một và anten phát hai lần lượt được ký hiệu là h1(k) và h2(k).
Tại thời điểm k, giả thiết fading không đổi trong thời gian hai ký hiệu phát, với βi và θi lần lượt là biên độ và pha của các hệ số fading Ta có thể diễn đạt như sau: h1(k) = h1(k-1)β1e^jθ1 và h2(k) = h2(k-1)β2e^jθ2.
Ta có thể viết các biểu thức sau cho các ký hiệu thu: y1 y(k) h1x1 h2x2 η1 y2 y(k 1) h1x * 2 h 2 x1 *η2
Trong đó y1 và y2 là ký hiệu cho các tín hiệu thu tại thời điểm k và k+1, các biến ngẫu nhiên phức thể hiện tạp âm có phân bố Gauss.
Từ (3.11), có thể viết lại phương trình (3.12) vào dạng sau:
2 h 2 là ma trận kênh truyền tương đương. h * 1
Giả sử máy thu đã nắm rõ trạng thái của kênh truyền, bộ kết hợp sẽ thực hiện phép nhân bên trái vector thu y với ma trận chuyển vị Hermitian H H để thu được kết quả mong muốn.
Sử dụng khai triển (3.15), ước tính các ký hiệu x1 x 1 (β 1 2 β 2 2 ).x 1h 1 * η1 h 2 η * 2
Bộ kết hợp trên hình tạo ra hai ký hiệu kết hợp và gửi chúng đến bộ quyết định khả năng cực đại.
3.4.1.3 Quy tắc quyết định khả năng cực đại
Trong điều chế tín hiệu, chòm điểm là tập hợp các điểm có thể lấy mẫu Bộ ML sẽ lấy mẫu từ chòm điểm này và kiểm tra để xác định giá trị tín hiệu thu được Quy tắc kiểm tra yêu cầu rằng giá trị xi sẽ được chọn nếu nó đáp ứng điều kiện nhất định.
(3.17a) Với : xi và xk là các mẫu trong chòm điểm. d (x , x ), d (x , x ) là các khoảng cách Euclid
Trong điều chế PSK, năng lượng của các mẫu trong chòm điểm đều bằng nhau nên có thể viết gọn lại thành:
SNR tương ứng của mỗi tín d (x , x ) ≤ d (x , x )
(3.17b) hiệu thu được xác định bằng công thức:
3.4.2 Sơ đồ hệ thống Alamouti γ= hai anten phát và Nr anten thu Để minh họa, xét Nr = 2 như trên hình Xét quá trình xử lý trong thời gian hai ký
Hình 3.22 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và hai anten thu
Mã hóa và chuỗi phát các ký hiệu thông tin được trình bày trong Bảng 3.1, liên quan đến sơ đồ phân tập phát với hai anten.
Bảng 3.2 Định nghĩa các đáp ứng kênh truyền giữa anten phát và anten thu
Bảng 3.3 Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu
Biểu thức cho các tín hiệu thu: y1(k) y1 h11x1 h21x2 η1(k) y1 (k 1) y2 h11x * 2 h21x1 * η1 (k 1) y2 (k) y3 h12x1 h22x2 η2 (k) y2 (k 1) y4 h12x * 2 h21x1 * η2 (k 1)
Độ lợi kênh truyền từ anten phát n đến anten thu m được biểu diễn qua h nm β nm e nm Theo phương trình (3.19), với hai ký hiệu liên tiếp thu từ máy thu thứ nhất tại thời điểm k và k+1, ta có thể phân tích mối quan hệ giữa chúng.
∗ là ma trận kênh truyền tương đương; x T
Tương tự đối với hai ký hiệu liên tiếp được thu từ máy thu thứ hai:
∗ là ma trận kênh truyền tương đương y3 y 4 , x x h∗ −h
1 2 2 2 2 Để ước lượng giá trị, nhân (3.20) và (3.21) với các ma trận kênh chuyển vị
Sau đó kết hợp hai phương trình (3.22a) và (3.22b) với nhau:
~x H1HY H2HY2 [H1HH1 H2HH2 ].x H1HN1 H2HN2
Các tín hiệu kết hợp sẽ được chuyển đến bộ tách sóng khả năng cực đại (ML), nơi mà giá trị x1 được ước tính dựa trên các tiêu chuẩn đã được xác định.
Chọn xi nếu và chỉ nếu: β
Tương tự đối với x2, sử dụng quy tắc trên để chọn xi nếu và chỉ nếu: d 2 (x 2 ,x i ) d 2 (x 2 ,x k ), i k SNR trong trường hợp này được tính theo công thức:
Kết luận chương
Trong chương này, chúng ta đã khám phá nguyên lý mã hóa và giải mã của mã lưới, đồng thời có cái nhìn cụ thể về hệ thống STTC và thuật toán Viterbi.
Mã lưới là một mã nhị phân sửa lỗi phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thông tin di động (IMT-2000, GSM, IS-95), thông tin vệ tinh số và hệ thống thông tin truyền đại chúng Phương pháp STTC kết hợp mã hóa lưới với phân tập nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc không dây, đồng thời giảm chi phí, công suất và kích thước thiết bị.
Và hầu hết các bộ giải mã ngày nay đều sử dụng thuật toán Viterbi.
Kỹ thuật STBC theo mô hình Alamouti trong hệ thống OFDM đã được nghiên cứu chi tiết và cho thấy nhiều ưu điểm khi tăng số anten thu Tuy nhiên, việc tăng số anten thu trong thiết bị di động gặp nhiều khó khăn và không thực tế, gây ra vấn đề về tính khả thi.
Chương 3: Mã hóa không gian- thời gian thẩm mỹ lẫn tính kỹ thuật như sẽ gây nhiễu liên sóng mang, nhiễu đồng kênh khi các anten đặt gần nhau Do đó, giải pháp sẽ là tăng số anten phát ở trạm phát bằng kỹ thuật OSTBC, kỹ thuật này giúp cải thiện độ lợi mã hóa và đạt được tốc độ mã hóa là 3/4 rate để mở rộng băng thông, sử dụng hiệu quả phổ Đó là lý do mà kỹ thuật STBC được khai thác nhiều hiện nay bởi tính đơn giản mà hiệu quả của nó.
ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT PHÂN TẬP BẰNG MÃ HÓA
Giới thiệu chương
Chương này sẽ mô phỏng các kỹ thuật đã được trình bày trong các chương trước nhằm đánh giá và hiểu rõ hơn về chúng Nội dung chính sẽ tập trung vào việc phân tích và áp dụng những kỹ thuật đó.
Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STTC với số trạng thái lưới khác nhau.
Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STBC theo mô hình Alamouti với Tx=2,3,4.
Mô phỏng kỹ thuật STBC trong các kênh truyền cơ bản như Rayleigh, Rician.
Phân tích hiệu suất giữa 2 kỹ thuật mã hóa STBC – Tarokh và STTC – 4 trạng thái.
Kênh truyền được mô phỏng là kênh bị ảnh hưởng bởi block fading, với đáp ứng tần số trong các khoảng thời gian khối T được coi là phẳng Để đơn giản hóa quá trình mô phỏng, giả định rằng thông tin trạng thái kênh truyền được biết chính xác tại máy thu hoặc bộ ước lượng tại máy thu hoạt động rất hiệu quả.
Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STTC với số trạng thái lưới khác nhau
Kỹ thuật STTC mô phỏng theo tỉ lệ lỗi khung FER (Frame Error Rate), với dữ liệu được truyền dưới dạng khung (gói) Lỗi thường xảy ra theo kiểu chùm và phụ thuộc vào ứng dụng của kỹ thuật này Chẳng hạn, FER thường phù hợp hơn cho các ứng dụng không dây như PCS (Personal Communications Systems).
Các thông số mô phỏng:
Số symbol trong một khung là: D = 130
Số anten thu là: NT=2
Giá trị SNR khảo sát: [8:16] (dB)
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa
Kênh truyền Fading phẳng (flat fading), nhiễu trắng cộng AWGN.
4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá kỹ thuật mã hóa STTC
Tỉ lệ số khung lỗi FER của kỹ thuật STTC với số trạng thái khác nhau được mô phỏng như hình 4.1.
Hình 4.1 So sánh tỷ số lỗi khung (FER) giữa các trạng thái lưới STTC
Khi tăng số trạng thái lưới, tỷ lệ lỗi khung (FER) sẽ giảm, với mức FER = 5.10^-2, STTC-64 cho hiệu suất tốt hơn STTC-4 khoảng 3.5dB Sự gia tăng số trạng thái dẫn đến nhiều đường đi hơn trong sơ đồ mã hóa và giải mã, cho phép STTC lựa chọn đường đi có khoảng cách Hamming tối ưu để giải mã tín hiệu.
Khi số trạng thái tăng lên trên 64, cụ thể là 128 và 256 trạng thái, tỷ lệ lỗi phát sinh (FER) giảm đáng kể Sự gia tăng số trạng thái đồng nghĩa với việc độ phức tạp của bộ giải mã tại máy thu cũng tăng theo, và sẽ đạt trạng thái bão hòa khi có 64 trạng thái.
Trang 59 với số bít truyền lớn tức là tốc độ bít sẽ tăng, nhưng nhược điểm sẽ gặp phải là tỉ lệ lỗi xuất hiện sẽ tăng.
Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STBC theo mô hình Alamouti
Kỹ thuật mã hóa STBC trong hệ thống MIMO-OFDM sẽ được mô phỏng theo mô hình Alamouti với các thông số như sau:
Số khe thời gian trong 1 khung LTE: 1
Số symbol truyền trong một khung là: 1
Kênh truyền CIR (Channel Impulse Response) với các thông số như sau:
Kênh truyền multipath block fading, có đặc tính lựa chọn tần số.
Số nhóm fading (chiều dài kênh truyền) là L = 5
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa
4.3.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC – OFDM theo mô hình Alamouti
Mô phỏng kết quả BER với Alamouti (2Tx-1Rx) và Alamouti (2Tx-2Rx)
Hình 4.2 BER của kỹ thuật STBC – OFDM mô hình Alamouti 2x1 và 2x2
Khi sử dụng kỹ thuật STBC Alamouti 2x1 hoặc 2x2 ta đạt được tỉ lệ lỗi bít BER tốt hơn nhiều.
Tăng số lượng anten thu hoặc cải thiện SNR sẽ giúp giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) Cụ thể, với BER = 10^-3, hệ thống Alamouti 2x2 có hiệu suất tốt hơn so với Alamouti 2x1 với lợi thế gần 7dB Trong trường hợp BER = 10^-4, sự khác biệt này lên tới khoảng 9dB Tại mức SNR = 18dB, hệ thống STBC-2x1 đạt BER = 10^-4, trong khi STBC-2x2 có BER thấp hơn, chỉ đạt 10^-7.
Khi sử dụng hai anten thu, tín hiệu nhận được gấp đôi so với chỉ một anten, cho phép chọn phiên bản có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất Điều này giúp quá trình giải mã tín hiệu chính xác hơn, giảm thiểu lỗi và nâng cao chất lượng tín hiệu phục hồi.
Mô phỏng kết quả BER mô hình Alamouti với số lượng các anten thu lần lượt là NR = 1, 2, 3, 4, 8, 10
Hình 4.3 BER của kỹ thuật STBC – OFDM mô hình Alamouti 2xM
Công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) càng lớn thì tỷ lệ lỗi bit (BER) càng giảm Cụ thể, với STBC 2x1, tại SNR = 0, BER đạt 10^-1, trong khi tại SNR = 20, BER giảm xuống còn 5 x 10^-5, tức là thấp hơn 5000 lần Khi công suất phát cao hơn nhiều so với công suất nhiễu, tác động của nhiễu sẽ trở nên không đáng kể, từ đó nâng cao chất lượng của hệ thống.
Khi kết hợp với OFDM, tỷ lệ lỗi bit (BER) được cải thiện rõ rệt nhờ vào các kỹ thuật tối ưu mà OFDM cung cấp Phương pháp này giúp loại bỏ hầu hết các loại nhiễu, bao gồm nhiễu xuyên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI).
Khi sử dụng thuật toán Alamouti với cùng số lượng anten phát, việc tăng số lượng anten thu sẽ giúp giảm tỉ lệ lỗi bit (BER) Cụ thể, tại SNR = 8dB, hệ thống STBC-2x1 đạt được BER = 10.
STBC-2x4 có tỷ lệ BER thấp hơn 10.000 lần, đạt mức 10^-6, nhờ vào việc sử dụng nhiều anten thu, giúp cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu nhận được.
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa bởi kỹ thuật STBC thường chọn tín hiệu thu được có SNR tốt nhất, vì thế khi giải mã tín hiệu thu càng đảm bảo hơn.
Trong thực tế, việc sử dụng nhiều anten thu trên đường downlink gặp khó khăn về kích thước sản phẩm, độ phức tạp và chi phí sản xuất Để khắc phục những nhược điểm này, có thể áp dụng kỹ thuật phân tập phát, tăng số lượng anten phát tại trạm gốc Base Station.
Mô phỏng kỹ thuật STBC với TX=3, 4 trong kênh truyền Rayleigh và Rician
Kỹ thuật mã hóa STBC - Alamouti trong kênh truyền Fading Rayleigh và
Rician được mô phỏng theo các thông số như sau:
Số symbol truyền trong một khung là: 5000
Khoảng SNR khảo sát: [0:20] (dB)
Kênh truyền CIR (Channel Impulse Response) với các thông số như sau:
Kênh truyền Fading nhanh Rayleigh
4.4.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC – Alamouti khi tăng số anten phát TX=2, 3, 4 và so sánh tương quan BER - data rate
Hình 4.4 BER của kỹ thuật STBC với TX=2,3,4
Hình 4.5 So sánh data rate Hình 4.6 Tương quan BER-DATA RATE tại SNR=6
Kỹ thuật STBC 2x2 cho thấy hiệu suất BER tốt hơn so với STBC 3x1 Tuy nhiên, việc thiết kế ba anten ở trạm phát mang lại nhiều lợi ích và dễ thực hiện hơn so với thiết kế hai anten.
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa anten ở trạm thu (thiết bị di động) Như vậy để thỏa mãn yêu cầu về độ lợi SNR hay chất lượng BER ở mức cao mà không nhất thiết tăng số anten thu ở MS - Mobile Station lên quá lớn (ví tính thẩm mỹ hay giá thành) ta sẽ tăng số anten phát ở trạm phát gốc Việc làm này vừa đáp ứng yêu cầu trên, vừa có nhiều ưu điểm như: Điều khiển công suất phát dễ dàng, cùng số lượng anten phát này có thể ứng dụng cho nhiều thiết bị di động hơn, tiết kiệm chi phí cũng như việc bảo dưỡng thiết bị thuận tiện hơn.
Hình 4.5 minh họa tốc độ data rate khi áp dụng kỹ thuật STBC với số anten phát là 2 và 3, cùng với OSTBC 3x1 Kết quả cho thấy, với STBC 2x1, tốc độ data rate đạt 1Mbps, tương đương với trường hợp sử dụng một anten phát Tuy nhiên, khi chuyển sang STBC 3x1, tốc độ data giảm xuống còn 0.5 Mbps, cho thấy rằng việc tăng số anten phát từ 2 lên 3 dẫn đến sự giảm tốc độ data Ngược lại, tốc độ data của OSTBC 3x1 lại cao hơn so với STBC 3x1.
Hình 4.6 cho thấy sự tương quan giữa BER và tốc độ dữ liệu khi SNR=6 Trong trường hợp STBC 2x1 và STBC 3x1, tốc độ dữ liệu của STBC 2x1 cao hơn, trong khi chỉ số BER của STBC 3x1 lại tốt hơn Điều này cho thấy rằng việc tăng số anten phát sẽ cải thiện BER, nhưng đồng thời cũng dẫn đến việc giảm tốc độ dữ liệu.
4.4.3 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC - Alamouti trong kênh truyền Fading Rayleigh và Rician với Tx=2,4 , Rx=1,2,4.
Hình 4.7 BER của STBC-Alamouti trong kênh truyền Fading Rayleigh và Rician
Trong kênh truyền Fading Rician, với số lượng anten phát và thu tương đương, tín hiệu truyền có tỷ lệ lỗi bit (BER) tốt hơn so với kênh Fading Rayleigh Cụ thể, ở mức BER = 10^-4, kỹ thuật STBC-Rician 2x2 mang lại lợi ích hơn khoảng 3dB so với STBC-Rayleigh 2x2 Điều này phù hợp với lý thuyết, vì kênh fading Rayleigh là sự kết hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ mà không có đường truyền trực tiếp (LOS) Ngược lại, kênh Rician có cả thành phần ổn định và thành phần trực tiếp LOS, trong đó LOS là yếu tố chính mang lại chất lượng tín hiệu tốt nhất tại máy thu Do đó, kết quả mô phỏng BER của kênh Rician vượt trội hơn so với kênh Rayleigh là hoàn toàn hợp lý.
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa
Khi số lượng anten phát – thu tăng lên, tỷ lệ lỗi bit (BER) giảm nhanh chóng Cụ thể, tại mức BER = 10^-5, STBC-4x4 có lợi thế hơn STBC-2x2 tới 10dB trong kênh Rayleigh Ở mức SNR = 10dB, BER của STBC-4x4 trong kênh Rayleigh là 10^-5, trong khi kênh Rician là 10^-6; ngược lại, BER của STBC-2x2 trong kênh Rayleigh là 8.10^-3 và kênh Rician là 5.10^-3 Số lượng anten càng nhiều, tín hiệu thu được càng phong phú, và trong kỹ thuật STBC, tín hiệu có SNR tốt nhất sẽ được chọn để giải mã, từ đó đảm bảo quá trình giải mã và giảm BER hiệu quả.
Khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tăng, tỷ lệ lỗi bit (BER) sẽ giảm Đối với kênh truyền Rayleigh, sự giảm của BER diễn ra theo cách tuyến tính khi SNR tăng Điều này xảy ra vì khi SNR tăng, công suất phát tín hiệu lớn hơn so với công suất nhiễu, dẫn đến tác động của nhiễu trở nên không đáng kể, từ đó nâng cao chất lượng của hệ thống.
Mô phỏng so sánh hai kỹ thuật STBC và STTC
Kỹ thuật STBC, như đã đề cập trước đây, mang lại độ lợi phân tập đầy đủ và hiệu quả, đặc biệt khi áp dụng mô hình Alamouti với liên hợp phức trong ma trận ký tự phát Điều này giúp bù đắp xoay pha do tác động của kênh truyền, nâng cao hiệu suất của mô hình Alamouti Tuy nhiên, STBC không đạt được full rate, điều này hạn chế khả năng mở rộng băng thông.
Kỹ thuật mã hóa STTC không chỉ mang lại độ lợi phân tập đầy đủ (full diversity gain) mà còn đạt được toàn tốc (full rate), giúp tối ưu hóa việc sử dụng quang phổ Đặc biệt, STTC cung cấp độ lợi mã cao hơn so với STBC, và khi số trạng thái lưới và số anten phát tăng lên, độ lợi mã cũng sẽ gia tăng.
Mặc dù STBC - Alamouti được sử dụng phổ biến nhờ vào tính đơn giản trong mã hóa và giải mã, cũng như chi phí thấp và hiệu suất ổn định, nhưng STTC lại nổi bật hơn trong việc đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu quả phổ và mở rộng băng thông STBC đạt được độ lợi phân tập đầy đủ và tốt hơn STTC khi sử dụng một anten phát, nhưng khi tăng số anten, STTC lại tỏ ra vượt trội Trong tương lai, khi nhu cầu về chất lượng truyền và tiết kiệm năng lượng ngày càng cao, kỹ thuật STTC sẽ là lựa chọn tối ưu.
Các thông số STBC mô hình Alamouti 2x1
Số pilot symbol trong một khung là: 1
Số bit của dãy ngẫu nhiên: 20000
Số symbol trong một khung là: D = 130
Số anten thu là: NR=1
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa
4.5.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét
Hình 4.8 So sánh BER của STBC và STTC
Kết quả cho thấy tỉ lệ bít lỗi BER của mã hóa STTC – 4 states vượt trội hơn so với STBC theo mô hình Alamouti Nguyên nhân là do STBC chỉ truyền tín hiệu qua các khối dữ liệu nhỏ, không đạt được tốc độ tối đa, trong khi STTC truyền dữ liệu theo chuỗi lớn hơn, mang lại độ lợi phân tập đầy đủ và tốc độ tối đa Điều này dẫn đến tỉ lệ bùng phát lỗi ở STTC thấp hơn Tuy nhiên, với kỹ thuật liên hợp phức trong ma trận ký tự phát đi, STBC-Alamouti có khả năng bù đắp cho sự xoay pha do ảnh hưởng của kênh truyền.
Hệ thống sử dụng hai anten phát, bao gồm một anten thu được mã hóa STTC và một anten không được mã hóa, đều có độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) với tỷ lệ 2 Cả hai anten này đều có số ký hiệu đầu vào là 2 trong mỗi khe thời gian.
Trang 69 phỏng, ta thấy mã lưới STTC cho tỷ số lỗi bit BER tốt hơn so với không dùng mã hóa.
4.6 Kết luận chương Ở kỹ thuật STBC, đồ án đã thực hiện mô phỏng kết quả BER với số anten phát, anten thu thay đổi, cụ thể là STBC – Alamouti 2x1, 2xM; STBC - Alamouti 3x1, 3x4, 4x4 và mô phỏng tương ứng trong các kênh truyền Rayleigh, Rician Mỗi hệ thống đều có ưu và nhược điểm riêng của nó, tùy vào mục đích và điều kiện sử dụng mà ta có thể áp dụng từng hệ thống Với STBC có M anten thu khi ta tăng số anten thu thì BER đạt được sẽ càng tốt, nhưng việc này gây khó khăn khi thiết kế thiết bị di động Do đó giải pháp thay thế là tăng số anten phát ở trạm phát.
Mặc dù STBC chưa đạt tốc độ tối đa và độ lợi mã cao như STTC, nhưng kỹ thuật STBC vẫn sở hữu những ưu điểm riêng biệt mà các hệ thống khác không thể cung cấp Đặc biệt, STBC nổi bật với tính đơn giản và hiệu quả kinh tế khi được áp dụng vào thực tế.
Trong kỹ thuật STTC, việc so sánh các trạng thái của hệ thống mã lưới không gian - thời gian STTC là rất quan trọng Bên cạnh đó, cần đánh giá hiệu suất của các phương pháp mã khối không gian - thời gian STBC và mã lưới không gian - thời gian STTC để xác định ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp.
Các mô phỏng đã làm rõ các lý thuyết trước đó, và từ những kết quả này, đồ án rút ra một số kết luận quan trọng.
Tỷ số lỗi khung FER giảm khi số trạng thái lưới tăng, điều này cho thấy độ phức tạp của bộ giải mã tại máy thu cũng gia tăng FER sẽ đạt trạng thái bão hòa khi có 64 trạng thái STTC.
Việc tăng số lượng anten trong hệ thống sẽ cải thiện chất lượng cả trong phân tập phát lẫn thu Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc tăng thời gian xử lý, độ phức tạp và chi phí cho hệ thống Đối với thiết bị cầm tay, việc bổ sung thêm anten có thể làm cho sản phẩm trở nên cồng kềnh và phức tạp, ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ, điều mà người dùng hiện nay rất chú trọng.
Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa
Kênh truyền Rician cho tỉ lệ BER tốt hơn kênh truyền Rayleigh.
Với cùng độ lợi ghép kênh là 2 và hệ thống 2 anten phát 1 anten, mã hóa STTC cho kết quả tốt hơn khi không mã hóa.
Mã hóa STTC – 4 trạng thái cho kết quả tốt hơn mô hình Alamouti
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trong nghiên cứu phát triển đề tài, đồ án đã chú trọng vào kỹ thuật phân tập anten nhằm nâng cao chất lượng kênh truyền và giảm thiểu ảnh hưởng của fading đa đường trong hệ thống vô tuyến Đồng thời, đồ án cũng khảo sát sự kết hợp giữa kỹ thuật phân tập và OFDM để đối phó với thách thức truyền tín hiệu trong môi trường vô tuyến, bao gồm khả năng chống fading chọn lọc tần số, loại bỏ nhiễu ISI và ICI nhờ tiền tố lặp CP, cũng như đảm bảo tốc độ truyền dẫn cao với tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp và SNR hợp lý nhờ kỹ thuật phân tập mã hóa không gian-thời gian trên nhiều anten phát và thu.
Đồ án đã nghiên cứu kỹ thuật STBC - Alamouti với đa anten phát và thu trong các kênh truyền AWGN, Rayleigh, Rician, cho thấy việc sử dụng nhiều anten thu cải thiện chất lượng tín hiệu nhưng gặp khó khăn về thiết kế và chi phí Giải pháp đề xuất là tăng số anten phát tại trạm BS, giúp giảm số anten thu cần thiết mà vẫn đảm bảo tín hiệu tốt, dễ dàng điều khiển công suất phát và bảo trì thiết bị Đặc biệt, một trạm BS với nhiều anten phát có thể phục vụ nhiều thiết bị thu khác nhau Đồ án cũng đánh giá chính xác rằng kênh truyền Rayleigh là kênh xấu nhất, AWGN là kênh tốt nhất, và kênh Rician chuyển thành Rayleigh khi hệ số Rician K→0, đồng thời trở thành AWGN khi K→∞.
Kỹ thuật STTC (Space-Time Trellis Coding) là một phương pháp mã hóa lưới không gian thời gian, sử dụng nhiều anten phát để nâng cao chất lượng hệ thống thông qua việc đạt được độ lợi mã cao, full rate, và sử dụng hiệu quả quang phổ cùng độ lợi phân tập Mặc dù STTC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật STBC về chất lượng, nhưng độ phức tạp trong quá trình mã hóa và giải mã cũng tăng lên tương ứng.
Kết luận và hướng phát triển đề tài
Kỹ thuật Alamouti sử dụng liên hợp phức trong ma trận ký tự phát đi, giúp bù đắp xoay pha do tác động của kênh truyền Nhờ đó, STBC-Alamouti mang lại chất lượng hệ thống tốt và quy trình mã hóa, giải mã đơn giản, khiến STBC trở thành giải pháp phổ biến trong thực tế.
