zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kĩ thuật Viễn thông

Đề xuất hệ thống thu phát MIMO 2x2 sử dụng STLC đường xuống và STBC đường lên cho mạng cảm biến không dây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mã hóa đường không gian - thời gian STLC cho phép máy phát có thể phát ký tự đạt được độ phân tập không gian lớn nhất máy phát không cần có thông tin trạng thái kênh CSI ở máy thu đối với mạng cảm biến không dây. Bài viết đề xuất một hệ thống đầy đủ 2 anten phát và thu (MIMO 2x2) với STLC đường xuống và STBC đường lên trong đó tốc độ lỗi bit và dung lượng được cải thiện so với các trường hợp khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề xuất hệ thống thu phát MIMO 2x2 sử dụng STLC đường xuống và STBC đường lên cho mạng cảm biến không dây

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG THU PHÁT MIMO 2x2 SỬ DỤNG STLC ĐƯỜNG XUỐNG VÀ STBC ĐƯỜNG LÊN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PROPOSED 2x2 MIMO TRANSCEIVER SYSTEM USING DOWNLINK STLC AND UPLINK STBC FOR WIRELESS SENSOR NETWORK Trần Hoài Trung Trường Đại học Giao thông Vận tải Ngày nhận bài: 04/08/2023, Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2023, Phản biện: TS. Dương Thị Thanh Tú Tóm tắt: Mã hóa đường không gian - thời gian STLC cho phép máy phát có thể phát ký tự đạt được độ phân tập không gian lớn nhất máy phát không cần có thông tin trạng thái kênh CSI ở máy thu đối với mạng cảm biến không dây. Điều này tương tự như mã hóa khối không gian - thời gian STBC cho phép máy thu đạt được độ phân tập không gian lớn nhất mà không cần CSI tại máy phát. Đã có các nghiên cứu về kiến trúc thu phát cho việc truyền dữ liệu như bộ tổng hợp dữ liệu FC và các cảm biến trong mạng cảm biến không dây WSN. Trong đó, đường xuống từ bộ tổng hợp đến cảm biến dùng STLC và đường lên sử dụng STBC. Lúc này, CSI chỉ cần thiết cho bộ tổng hợp nhưng không cần cho các cảm biến. Thông thường, kiến trúc này sử dụng mô hình hai anten cho bộ tổng hợp và một anten cho cảm biến. Trong bài báo này, mô hình MIMO 2x2 được áp dụng cho cả ở bộ tổng hợp và cảm biến. Mô hình cải tiến này sẽ làm giảm tốc độ lỗi bit đồng thời tăng dung lượng kênh truyền. Từ khóa: STBC, STLC, MIMO. Abstract: The Space-Time Line Coding STLC allows the transmitter to send symbols with maximum spatial diversity without needing Channel State Information CSI at the receiver for wireless sensor networks. This coding is similar to Space-Time Block Coding STBC, allowing the receiver to achieve maximum spatial diversity without needing CSI at the transmitter. There have been studies on transceiver architectures for data transmission, such as the Fusion Centre (FC) and sensors in wireless sensor networks WSN. The downlink from the FC to the sensor uses STLC, and the uplink uses STBC. Currently, CSI is only necessary for the FC rather than the sensors. Typically, this architecture uses a model of two antennas for the FC and one antenna for the sensor. This paper applies the 2x2 MIMO model to the FC and the sensor. This improved model will reduce the bit error rate while increasing the channel capacity. Keywords: STBC, STLC, MIMO. 1. GIỚI THIỆU cảm biến không dây WSN đang là một xu Internet kết nối vạn vật IoT sử dụng mạng hướng tất yếu khi cho phép kết nối số Số 33 1
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) lượng thiết bị tương thích và sẽ cho phép MIMO 22. thiết kế mạng tiêu thụ năng lượng thấp bằng Bài báo đề xuất một hệ thống đầy đủ 2 cách hiện thực hóa kết nối toàn cầu [1]. Hệ anten phát và thu (MIMO 22) với STLC thống IoT kết hợp mạng cảm biến không đường xuống và STBC đường lên trong dây thông ngoài quan tâm đến hiệu suất đó tốc độ lỗi bit và dung lượng được cải năng lượng thì tốc độ lỗi bit cũng như tốc thiện so với các trường hợp khác. độ truyền giữa bộ tổng hợp dữ liệu FC và 2. MÔ HÌNH STLC anten 1x2 VÀ STBC nút cảm biến cũng rất cần thiết [2]. Việc sử anten 2x1 dụng mã hóa khối không gian thời gian STBC và mã hóa đường không gian thời STLC đường xuống anten 12 [3]: (xem gian STLC được thực hiện cho việc truyền Hình 1). dẫn này [3]. Khi máy thu đa anten có thông Tín hiệu phát theo Hình 1 (trong đó A là tin kênh CSI, mã hóa không gian thời gian bộ tổng hợp dữ liệu còn B là cảm biến): STC như STBC có thể cung cấp một độ lợi  s1   h1 * h 2   a1  phân tập không gian đầy đủ. Tương tự như   *  *   (1) vậy, STLC cũng đạt được độ phân tập lớn s 2   h 2   h1   a 2   nhất khi máy phát có thông tin CSI. Điều Trong đó: này dẫn đến việc hai loại mã hóa có thể s1 , s 2 là ký hiệu đầu ra bộ mã hóa; đảm bảo độ phân tập và tốc độ cao hơn các kỹ thuật kết hợp tỷ lệ lớn nhất MRC hay kỹ h1 , h 2 là hệ số pha đinh ước lượng giữa thuật phát tỷ lệ tối đa MRT được thiết lập anten phát và hai anten thu; để đạt được độ lợi phân tập không gian đầy đủ khi máy phát với nhiều anten biết được a1 ,a 2 là ký hiệu đầu vào bộ mã hóa. CSI. * * s1  h1a1  h 2a 2  s1  h1a1  h 2a * * * 2 Một số nghiên cứu tập trung hệ thống * * STBC với anten MIMO để đạt được phân s2  h 2a1  h1a 2 tập đầy đủ [4] hay tăng tốc độ mã hóa [5], Tín hiệu thu: [6]. Ngoài ra kỹ thuật STLC cũng đã được  rB1,1 rB1,2   h1  1 nghiên cứu khi mở rộng mô hình anten r   s1 s2  MIMO nhằm giảm lỗi bit và tăng tốc độ  B2,1 rB2,2   h 2  γ 2 (2) truyền dẫn [3]. Đây còn được gọi là hệ  z B1,1 z B1,2  thống anten MIMO 22 khi sử dụng hai   anten cả ở máy phát và máy thu. Nếu sử  z B2,1 z B2,2  dụng MIMO 22 thông thường trong vô rBi, j ,i  1: 2, j  1: 2 là tín hiệu thu ở anten tuyến thì hệ thống khó có thể đạt được độ i tại thời điểm j ; lợi phân tập cao, từ đó dẫn đến dung h1 , h 2 là hệ số pha đinh giữa anten phát lượng thu phát không lớn. Khi thêm STLC thì do tính chất mã hóa trực giao và hai anten thu; cao nên độ lợi phân tập không gian sẽ lớn. zBi, j ,i  1: 2, j  1: 2 là nhiễu thu ở anten i Điều này tương tự với STBC kết hợp tại thời điểm j . 2 Số 33
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) STLC Tx STLC Rx h1 STBC Rx STBC Tx A B Hình 1. Mô hình STLC anten 1x2 đường xuống và STBC anten 2x1 đường lên   Giả thiết ước lượng kênh tại A chính xác: 1 * * rB2,2  h 2 h 2a1  h1a 2  z B2,2 h1  h1 và h 2  h 2 . Từ đó, ta suy ra: γ2 (6) γ 1 * rB1,1  1 γ2  * * *  h1 h1a1  h 2a *  z B1,1  2  2 a1  2 γ2 h1 h 2a 2  z B2,2 Như vậy, từ (3), (4), (5) và (6), ta có: 1  * γ2 * *  rB1,1  rB2,2  γ2 a1  z*  zB2,2 * rB1,1   a1  h1 h 2a 2   z B1,1 B1,1 (7) γ2  2  rB1,2  rB2,1  γ 2 a 2  z*  z B1,2 * B2,1 (8) γ2 1 *  rB1,1  * a1  h1 h 2 a 2  z * (3) STBC đường lên anten 21 [7]: 2 γ2 B1,1 Tín hiệu phát theo Hình 1: rB1,2  1 γ2 * *  h1 h 2a1  h1a 2  z B1,2 (4) rA,3  1 2  b1 h1  b2 h 2  (9) rB2,1  1 * * *  h 2 h1a1  h 2a *  z B2,1 2 rA,4  1 * 2  b2 h1  b1 h 2  *  γ2  1  * * γ2   h 2 h1 a1  a 2   z B2,1 γ2  2 rA ,4  * 1 2  * * b2 h1  b1 h 2  (10) rA,i ,i  3: 4 là tín hiệu thu ở anten tại thời 1 * γ điểm i ;  rB2,1  * h 2 h1a1  2 a 2  z* (5) γ2 2 B2,1 b1 , b 2 là ký hiệu đầu vào bộ mã hóa. Số 33 3
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) H 3. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH STLC VÀ STBC  b1   h1 h 2   rA,3   z A,3    *   *   KẾT HỢP MIMO 2x2 h1   rA,4   z A,4  * b2  h 2     STLC đường xuống MIMO 22 (Hình 2)  1  h * 1 h2    2 b1 h1  b 2 h 2    z A,3  Giả thiết ước lượng kênh tại A chính xác:  *    h 2   h1   1  b h 1  b h *    z A,4  *   * h11  h11 , h12  h12 , h 21  h 21 , h 22  h 22 .  2  2 1 2   (11) Ở đây, h i, j , h i, j ,i  1: 2, j  1: 2 là hệ số z Ai ,i  3: 4 là nhiễu thu anten tại thời pha đinh thực và ước lượng giữa anten điểm j . b1 , b 2 là ước lượng của b1 , b 2 . phát i và anten thu j . Tín hiệu phát: 1   * h1 b1 h1  b 2 h 2 2 s*  h 1,1 a1  h 2,1 a 2 * h 2 1 2  * * b 2 h1  b1 h 2  z A,3  (12) 1,1   * *  s1,1  h 1,1 a1  h 2,1 a 2 * 1 2 2 γ (14)  h1  h 2 b1  z A,3  2 b1  z A,3 2 2 * * s1,2  h 2,1a1  h1,1a 2 * (15) 1   * h 2 b1 h1  b 2 h 2 2 s*  h1,2a1  h 2,2a 2 * * 1   * * 2,1  h1  b 2 h1  b1 h 2  z A,4 2 * *  s2,1  h1,2a1  h 2,2a 2   * 1 2 2 γ (16)  h1  h 2 b 2  z A,4  2 b 2  z A,4 2 2 * * (13) s2,2  h 2,2a1  h1,2a 2 * (17) STLC Tx STLC Rx MLD MRC Combiner STBC Tx MLD Hình 2. Mô hình STLC MIMO 2x2 đường xuống và STBC MIMO 2x2 đường lên 4 Số 33
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  rB1,1 rB1,2  r  1  h1,1 h1,2    rA1,2  1 2  h11b*2  h12b1*   zA1,2  B2,1 rB2,2  γ 4  h 2,1 h 2,2   h1,1a  h * a * h * a *  h1,1a  * 2,1 2 2,1 1 *  rA1,2  * 1 *  h11b2  h12b1   z*A1,2 * (24)  1 2  (18) 2  h1,2 a  h 2,2 a * h 2,2a *  h1,2a  * * * *  2 1 1 2 1 rA2,1   h 21b1  h 22 b2   zA2,1 (25)  z B1,1 z B1,2  2    z B2,1 z B2,2  rA2,2  1 2  h 21b*2  h 22b1*   zA2,2 rB,i, j ,i  1: 2, j  1: 2 là tín hiệu thu ở anten i tại thời điểm j ;  rA2,2  * 1 * 2  h 21b2  h*22b1   z*A 2,2 (26) zB,i, j ,i  1: 2, j  1: 2 là nhiễu thu ở anten i rAi, j , zAi, j ,i  1: 2, j  1: 2 là tín hiệu thu và tại thời điểm j . nhiễu ở anten thứ i tại thời điểm j .  h h1,1a  h h* a *  *  rA1,1   h11 h12   z A1,1  1  1,1 1,1 2,1 2 z r  h  rB1,1  h 22   b1   z A2,1  1 γ4   h h1,2a  h h* a *  B1,1 *  A2,1   1  21   *   (27)  1,2 1 1,2 2,2 2   rA1,2  * 2  h12 * h11   b 2   z A1,2  * (19) *   *   *   rA2,2   h 22  h*  21   z A2,2   h h* a *  h h1,1a  * 1  2,1 2,1 1 z Giả thiết ước lượng kênh tại A chính xác: rB2,2  2,1 2 (20) γ4  h h* a *  h h1,2a  B2,2 * h11  h11 , h12  h12 , h 21  h 21 , h 22  h 22  2,2 2,2 1 2,2 2  h* h 2,1a1  h 2,1 h1,1a *  * * 1 b1  h11rA1,1  h 21rA 2,1     z* * 2,1 2 r B2,2 γ4   h* h 2,2a  h* h1,2a *  B2,2 h12 rA1,2  h 22 rA 2,2 * *  2,2 1 2,2 2 *  1  (21)  h11   2  h11b1  h12 b 2  z A1,1  Giả thiết ước lượng kênh tại A chính xác: *  1  h11  h11 , h12  h12 , h 21  h 21 , h 22  h 22  h 21   2   h 21b1  h 22 b 2  z A 2,1   a1  rB1,1  r *   B2,2  1 * *  (28)  h11 2  h12 2  (22) h12  h11b 2  h12 b1  z*  1    z  z*  2  A1,2  a1 γ 4   h 21 2  h 22 2    B1,1 B2,2      1 * *  h 22  h 21b 2  h 22 b1  z* 2,2   2  A STBC đường lên MIMO 22 (Hình 2) Tín hiệu thu:  b1 1 2 2 2 2 h11  h12  h 21  h 22 2  1 rA1,1   h11b1  h12 b2   zA1,1 (23) * *  h11z A1,1  h12 z*  h 21z A 2,1  h 22 z* 2,2 2 A1,2 A Số 33 5
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 4. MÔ PHỎNG Trong mô hình đề xuất thì SNR cho Trong phần mô phỏng, tác giả tập trung trường hợp STLC MIMO 22 theo (22) vào thiết bị thu phát trong mạng cảm biến sẽ là: không dây. Trong đó, máy thu và phát đều γ 4σ 2 sử dụng điều chế BPSK. Hệ thống STLC SNR STLC  2 x (32) 2σ z đường xuống sử dụng MIMO 2 anten phát và 2 anten thu cho mô hình cải tiến. Máy Tương tự SNR cho trường hợp STBC phát truyền hai ký hiệu BPSK trong MIMO 2x2 theo (28) là: khoảng thời gian 2 ký hiệu đến máy thu. γ 4σ2 Ngược lại máy thu sử dụng MIMO 22 SNR STBC  2 x (33) 2σ z truyền dữ liệu STBC để truyền hai ký hiệu 8-PSK trong khoảng thời gian hai ký Khi so sánh với trường hợp MRC (phân hiệu. Tốc độ truyền giữa máy phát và thu tập thu) và MRT (phân tập phát) với SNR thường 1-3 bit/s/Hz. Băng tần truyền dẫn như sau: là 20 MHz. Công suất tín hiệu cho cả máy γ 2σ2 phát và máy thu là 1-10 (dBW) trong đó SNR MRC  SNR MRT  2x (34) σz công suất nhiễu là 0.6 (W). Môi trường sử dụng pha đinh Rayleigh có giá trị trung Nếu so sánh tốc độ lỗi bit BER của trường bình là 0 và phương sai là 1. hợp STLC MIMO 22 (tương tự trường Tác giả sử dụng tốc độ lỗi bit BER cho hớp STBC MIMO 22) với các trường BPSK (Gold Smith) được xác định là: hợp STLC anten 12 (hay STBC anten BER  Q  2SNR  (29) 21); trường hợp phân tập phát MRC anten 12 (MTR anten 21) và không Trong đó SNR là tỷ số tín hiệu trên phân tập thì thấy mô hình đề xuất STLC nhiễu, với trường hợp STLC 12, theo (STBC) MIMO 22 có tốc độ lỗi thấp phương trình (7) và (8), ta có: nhất (Hình 3), đồng thời có dung lượng γ 2σ 2 cao nhất (Hình 4). SNR STLC  x (30) 2σ 2z ở đây σ 2 là công suất phát còn σ 2 là công x z suất nhiễu của nhiễu tại một anten thu. Tương tự theo phương trình (12) và (13), ta có SNR trong trường hợp STBC 21 thì: γ 2σ2 SNR STBC  SNR STBC  x (31) 2σ 2z Hình 3. So sánh tốc độ lỗi bit BER 6 Số 33
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hay STBC 22 được cải tiến từ mô hình STLC anten 12 (STBC anten 21). Các tín hiệu vào ra máy thu phát cũng như tỷ số tín hiệu trên nhiễu được tính cho các trường hợp khác nhau. Với mô hình đề xuất thì tốc độ lỗi bit hay dung lượng kênh được cải thiện đáng kể so với các trường hợp khác. Hình 4. So sánh dung lượng đường truyền LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường 5. KẾT LUẬN Đại học Giao thông Vận tải trong đề tài Bài báo đã đề xuất mô hình STLC 22 mã số T2023-DT-007. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M. Al-Jarrah, M. Yaseen, A. Al-Dweik, O.A. Dobre, E. Alsusa "Decision Fusion For Iot-Based Wireless Sensor Networks," IEEE Internet of Things Journal, Vol 7 Issue 2, 2020. [2] Shree Krishna Sharma,Tadilo Endeshaw Bogale, Symeon Chatzinotas, Xianbin Wang, Long Bao Le “Physical Layer Aspects of Wireless IoT,” International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 2016. [3] Jingon Joung "Space–Time Line Code," IEEE Access, Vol 6: 1023 – 1041, 2017. [4] Huan Ma, Guofa Cai, Yi Fang; Pingping Chen, Guojun Han "Design and Performance Analysis of a New STBC-MIMO LoRa System," Specialty IEEE Transactions on Communications, Vol 69 (9): 5744 - 5757, 2021. [5] Ravi Kumar, Rajiv Saxena " Performance Analysis of MIMO-STBC Systems with Higher Coding Rate Using Adaptive Semiblind Channel Estimation Scheme," The Scientific World Journal, 2014. [6] Hafiz M. Asif "Analysis of space time block codes and cosets for 5G and its applications," Computer Communications, Vol 149: 189-193, 2020. [7] Priyanka Mishra, Gurpreet Singh, Rahul Vij, Gaurav Chandil "Analysis of space time block codes and cosets for 5G and its applications," 3rd IEEE International Advance Computing Conference (IACC), 2013. Giới thiệu tác giả: Tác giả Trần Hoài Trung tốt nghiệp Trường Đại học Giao thông Vận tải năm 1997; nhận bằng Thạc sĩ tại Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2000, bằng Tiến sĩ ngành kỹ thuật viễn thông tại Đại học Công nghệ Sydney (Úc) năm 2008. Hiện nay tác giả là giảng viên Trường Đại học Giao thông Vận tải. Lĩnh vực nghiên cứu: xử lý tín hiệu số (DSP), lý thuyết thông tin ứng dụng, truyền sóng vô tuyến, kỹ thuật anten MIMO và thiết kế bộ thu phát không dây tiên tiến. Số 33 7

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2412 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.