Mã khối không thời gian trực giao và điều chế lưới Nguyễn Thị Hương Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trịnh Anh Vũ Năm bảo vệ: 2012
Abstract. Tổng quan về hệ điều hành Android. Nghiên cứu các giao thức sử dụng: giao thức TCP/IP; bản tin nhắn ngắn SMS. Tổng quan về mạng thông tin di động (Vinaphone): cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống GSM; cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống GPRS/EDGE. cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống 3G. Mô hình giải pháp và thiết kế phần mềm trên Android. Đưa ra kết quả và hướng phát triển tiếp theo.
Keywords: Kỹ thuật điện tử; Phần mềm; Android; Điện thoại di động; Mạng thông tin di động
Content.
CHƢƠNG 1 : KÊNH FADING VÀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP
1.1 Lỗi trong kênh Gauss và kênh fading
Trong thông tin vô tuyến bên cạnh nhiễu do tạp âm Gaus còn có can nhiễu do fading làm trầm
trọng thêm việc hư hỏng bit thông tin trên đường truyền. Sau đây ta nhắc lại những nét đặc trưng cơ
bản của 2 loại can nhiễu này.
1.1.1 Kênh Gauss (AWGN)
Nhiễu trắng Gauss do tác động của chuyển động nhiệt lên chuyển động của các phần tử tải điện
trong các thiết bị điện tử. Đây là một quá trình ngẫu nhiên, mỗi mẫu là một biến ngẫu nhiên trung bình
zezo G và toàn bộ mật độ phổ năng lượng là phẳng trên toàn bộ phạm vi tần số với mức
N0/2.
Hình 1.1. Ví dụ kênh AWGN
Hình 1.1. Mô tả nhiễu Gauss trắng cộng tính
1.1.2 Kênh Fading
1.1.2.1. Khái niệm Fading
Fading là hiện tượng tín hiệu tại điểm thu thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian về cường độ, pha
hoặc tần số do tác động của môi trường truyền dẫn. Điển hình là các yếu tố : Sự thăng giáng của tầng
điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước…Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ
không khí , Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, từ các bất đồng nhất trong khí quyển, Sự phản xạ, tán
xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ
1.1.2.2 Fading Rayleigh
Hàm mật độ phân bố Rayleigh được cho bởi công thức
là giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao, là công
Trong đó suất trung bình theo thời gian
Minh họa hàm mật độ phân bố xác suất Rayleing
1.1.2.3. Fading Rice
Hàm mật độ phổ công suất của phân bố Rician cho bởi công thức
Phân bố Rician thường được mô tả bởi thông số K được định nghĩa như là tỷ số giữa công suất tín hiệu xác định và công suất các thành phần đa đường
1.1.3. Lỗi trong kênh Gauss và kênh fading
Ở đây ta so sánh lỗi chỉ theo kỹ thuật thu đồng bộ
Lỗi trong kênh Gauss
Xác suất lỗi trung bình đối với điều chế BPSK là
Lỗi trong kênh fading
Tính trung bình hàm Q theo phân bố của h
theo công thức Taylor
Như vậy,trong AWGN xác suất phát hiện lỗi suy giảm với hàm mũ của SNR, trong khi trong các
Hình 1.5: So sánh xác suất lỗi qua fading Rayleigh và kênh AWGN
kênh fading nó suy giảm tỷ lệ nghịch với SNR .
1.2. Kỹ thuật phân tập
1.2.1 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian thực hiện bằng cách phát đi các bản tin giống nhau trong các khe thời gian
khác nhau, nhằm phân tán bit thông tin trên những khoảng thời gian lớn hơn thời gian kết hợp của
kênh
Để đảm bảo các ký hiệu đã mã hóa được phát qua fading độc lập hay gần độc lập thì yêu cầu phải
ghép xen các từ mã
1.2.2. Phân tập không gian
Là kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong thông tin vô tuyến sóng ngắn. Trong phân tập không gian
sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng sắp xếp có khoảng cách đối với việc phát và nhận , yêu cầu về
sắp xếp là khác nhau đối với độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số
1.2.3. Phân tập không-thời gian
Mã không gian-thời gian được phân ra làm 2 loại : Mã khối không gian-thời gian STBC và mã lưới
không gian-thời gian STTC
CHƢƠNG 2 : MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAo .
2.1 Mã Alamouti
Mã Alamouti tạo ra một mẫu cho hệ thống 2x2 nhằm đạt được độ lợi phân tập đầy đủ với thuật toán
giải mã ML đơn giản
Sơ đồ khối mã hóa Alamouti
Hình 2.1 : Khối mã hóa Alamouti
Đầu tiên điều chế m bit thông tin với m=log2M. Sau đó bộ mã hóa sẽ lấy 1 khối gồm có 2 bit thông tin
ký hiệu x1, x2 trong mỗi lần mã hóa để cho ra anten phát theo ma trận :
Cột đầu tiên đại diện chu kỳ phát đầu tiên, cột thứ 2 đại diện cho chu kỳ phát tiếp theo
Trong chu kỳ đầu tiên anten 1 phát x1, anten 2 phát x2 .
* , anten 2 phát x1
* là liên hợp phức của x1
Trong chu kỳ thứ 2 anten 1 phát –x2
2.1.1. Trƣờng hợp sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu
Nếu ta giả sử có 1 antenna tại máy thu thì các tín hiệu nhận được được định nghĩa như sau :
Anten 1
Anten 2
Thời điểm t
x2
x1
*
*
Thời điểm t +T
x1
-x2
Bảng 2.1. Bảng mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát 2 anten, 1 anten thu
Anten thu
Anten phát 1
h1
Anten phát 2
h2
Bảng 2.2. Định nghĩa các kênh giữa 2 anten phát và anten thu
Anten thu
Thời điểm t
r1
Thời điểm t +T
r2
Bản 2.3. Ký hiệu các tín hiệu thu tại anten thu
Mẫu phân tập phát 2 antenna của Alamouti
Hình 2.2. Mẫu phân tập phát 2 antenna của Alamouti
2.1.2. Xét trƣờng hợp sử dụng 2 anten phát và 2 anten thu.
Ta có sơ độ phân tập
Hinh 2.3. Sử dụng 2 anten phát và 2 anten thu.
Hình 2.4. Kết hợp tỉ số tối đa 1 Tx và 2Rx
2.1.3. Kết hợp tỉ số tối đa MRC
Mã Alomuti không cần sự hồi tiếp từ máy thu về máy phát, không làm trải rộng băng thông, bộ giải
mã đơn giản , khi ứng dụng thì không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống. Chúng hoạt động hiệu quả
tương đương với MRC nếu tổng công suất phát xạ được gấp đôi so với hệ thống dùng MRC. Nếu công
suất phát được giữ không đổi, mẫu này sẽ làm giảm 3dB công suất phát do công suất phát được chia
nhỏ cho 2 anten phát.
2.2 Mã khối không thời gian trực giao
2.2.1. Mã khối không thời gian STBC
Mã không thời gian được định nghĩa bởi ma trận truyền dẫn X kích cỡ nT x p, trong đó nT là số anten
phát, p la số chu kỳ để phát mã khối trên anten phát , giả sử số lượng ký hiệu lối vào của STBC trong 1
lần mã hóa là k
Cấu trúc bộ mã hóa không thời gian
Hình 2.5. Cấu trúc bộ mã hóa không thời gian
Hiệu suất phổ của mã STBC là
*.
Với và là tốc độ bit và tốc độ ký hiệu, B là dải thông
*……xk
là ma trận đơn vị
Các thành phần của ma trận X được chọn sao cho chúng là sự kết hợp tuyến tính của k symbol x1 .....xk và liên hợp phức x1
Với c là hằng số, MT là số antenna phát, XH là ma trận kiểm tra của S và IMT
MTxMT. Điều nà tạo ra sự phân tập MT mức. Các ma trận truyền mã này được chọn sao cho các hàng
và cột của ma trận là trực giao nhau
2.2.2. Mã khối không thời gian trực giao OSTBC
Việc xây dựng mã STBC phải dựa vào mã trực giao. Ma trận truyền dẫn XnT có hàng là trực
giao với nhau. Tức là trong mỗi khối, tính hiệu phát từ 2 anten phải là trực giao với nhau. Có nghĩa là
trong mỗi khối các chuỗi tín hiệu từ 2 anten phát bất kỳ là trực giao nhau. Ví dụ chúng ta giả sử tín
Với i=1,2,..., nT. Khi đó
hiệu phát từ anten thứ i là
Trong đó xi , xj ký hiệu tích vô hướng của 2 chuỗi xi, xj.
Tính trực giao có thể đạt được phân tập phát đầy đủ với một số anten phát cho trước. Nó giúp cho
việc thu tách các tín hiệu được đơn giản hơn và do vậy giải mã ML đơn giản chỉ dựa trên xử lý tuyến
tính tính các tín hiệu thu
2.2.3. STBC cho các tƣơng quan tín hiệu thực
Ta sẽ phân tích quá trình tạo ra các ma trận thực
Xét các ma trận vuông tức là tương ứng ứng với số lượng anten phát MT = 2,4,8. Các mã này là các
mã toàn tốc do ma trận là ma trận vuông và phân tập phát đầy đủ MT mức. Khi đó ma trận truyền:
Với MT = 4
Với MT = 2 anten phát. Ta có thể thấy rằng ma trận này thỏa mã điều kiện trực giao theo phương trình
2.2.4. STBC cho các tƣơng quan tín hiệu phức
Các ma trận trực giao phức được định nghĩa là các ma trận MTxp với các thành phần phức s1, s2...sk
và liên hợp phức của chúng thỏa mã phương trình trện. Các ma trận taoọ ra sự phân tập MT đầy đủ với
tốc độ mã k/p. Ma trận
Ta phân tích các ma trận truyền phức có kích thước MT =3, MT =4 với tốc độ mã 1/2
2.2.5. Giải mã STBC
Quá trình giải mã này cũng tương tự như trong quá trình đối với mẫu Alamouti.
Khi cần tiến hành giải mã STBC thì cần phải tách được các ký hiệu phát ở nơi thu dựa vào tính trực giao của các tín hiệu phát.
2.3 Xác suất lỗi cặp của mã không thời gian
Giả sử chiều dài khung dữ liệu phát đi là L ký tự với mỗi anten. Khi đó ta có từ mã không thời gian MTxL
trong khi thực tế tín hiệu được phát đi là
Điều này xuất hiện nếu tổng các ký tự, anten và chu kỳ thời gian
Do đó lỗi trong điều kiện biết (hi,j) là
Khi đó lỗi sẽ là
CHƢƠNG 3 : MÃ LƢỚI KHÔNG THỜI GIAN
3.1. Điều chế mã lƣới TCM
Thông thường mã hóa tách biệt với điều chế tại bộ phát, và cũng vậy đối với giải mã và giải
điều chế ở bộ thu. Việc sửa lỗi cung cấp thêm bit dư tại bộ mã hóa làm chậm tốc độ thông tin trên
kênh có độ rộng băng cố định. Hiệu suất phổ được trao đổi với hiệu suất cống suất. Để có hiệu suất
cao về phổ và công suất có thể gộp bộ mã hóa và điều chế vào một khối chức năng thực hiện cùng một
lúc.
Hình 3.1: Cấu trúc bộ điều chế lưới TCM
Hình 3.2. Không gian tín hiệu 4-PSK và 8-PSK-TCM
3.1.1. Phân chia không gian tín hiệu
Dựa vào sơ đồ không gian tín hiệu Ungerboeck xây dựng kỹ thuật phân chia tập hợp tín hiệu
để tăng khoảng cách Euclide, trong không gian M tín hiệu lần lượt chia thành các cấp giảm dần : M/2,M/4, .... M/2m, khoảng cách Euclide cực tiểu của các tập tín hiêu tăng dần
1 < dmin
2 2 <.........< dmin
dmin
Phân chia chòm sao 8-PSK thành 3 tập con
Hình 3.3.Phân chia chòm sao 8-PSK thành 3 tập con
3.1.2. Độ lợi mã hóa
Độ lợi mã hóa của hệ thống điều chế mã lưới TCM được tính theo công thức :
Trong đó là khoảng cách tự do, là khoảng cách Euclide cực tiều, E’ là năng lượng tín
hiệu điều chế TCM, GD là độ lợi về khoảng cách tự do, GP là độ lợi về năng lượng tín hiệu điều chế.
Giản đồ lưới trạng thái của 8PSK-TCM
Hình 3.5. Giản đồ không gian tín hiệu
Hình 3.5. Giản đồ lưới trạng thái của 8PSK-TCM
Độ lợi mã được tính như sau
Độ lợi mã tiệm cận tăng theo số trạng thái của mã chập. Giá trị đạt tới 6dB yêu cầu mã với số trạng
thái rất lớn
3.2. Giải mã TCM
Giải mã TCM được xây dựng dựa theo thuật Viterbi và lưới cơ sở của bộ mã hóa
Xét 1 chuỗi tín hiệu vào x= (x0, x1, ..., xm) để hình thành một tín hiệu phát trên kênh truyền có nhiễu
AWGN và băng thông hạn chế W thì tại đầu thu tín hiệu nhận được ký hiệu y(t) có công thức sau :
y(t) = s1(t) + n(t)
Trong đó S1(t) là tín hiệu phát, có công thức
n(t) là nhiễu trắng có mật độ phổ công suất là N0/2, nhiệm vụ bộ giải điều chế là dựa vào biên độ thu y(t) để khôi phục lại chuỗi dữ liệu x gần giống nhất với chuỗi dữ liệu phát dựa theo giá trị cực tiểu
khoảng các tín hiệu của phép sánh như công thức sau
trong đó y(t) là tín hiệu thu sau bộ khôi phục, xi là tín hiệu phát
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG MÃ KHỐI KHÔNG THỜI GIAN TRỰC GIAO VÀ ĐIỀU CHẾ LƢỚI
4.1 Kịch bản mô phỏng
Thực hiện kết nối giữa mã khối không thời giao trực giao và điều chế lưới để truyền thông tin trên hệ
đa anten vào và ra, cụ thể trong trường hợp có 2 anten phát và 1 anten thu
Mã khối không thời gian trực giao OSTBC là một kỹ thuật sử dụng trong truyền thông không dây
MIMO. Chúng sử dụng phân tập không gian thời gian và giải mã nhờ bộ kết hợp tỷ lệ tối đa ML. Tuy
nhiên chúng không có độ lợi mã. Bộ kết hợp OSTBC tại bộ thu cung cấp thông tin của ký tự phát, mà
có thể dùng cho việc giải mã hoặc giải điều chế
Mã TCM là sơ đồ tích hợp mã và điều chế để cung cấp độ lợi mã lớn.
OSTBC cung cấp độ lợi phân tập, còn TCM cung cấp độ lợi mã. 2 thông số này chỉ có ở hoặc TCM
hoặc OSTBC do đó ta kết hợp TCM với OSTBC để tận dụng được cả 2 tham số.
Xây dựng sơ đồ khối kết nối giữa mã khối không thời giao trực giao và điều chế lưới
Thông tin dữ liệu từ nguồn dữ liệu ra sẽ được mã hóa bởi bộ mã hóa lưới TCM, sau đó chúng được
ghép xen và đưa vào khối mã khối không thời gian. Tại các khe thời gian khác nhau, các symbol đầu
ra được điều chế và phát tương ứng trên các anen phát khác nhau. Tại bộ thu, giải mã không thời gian
và tách xen nhờ thuật toán Viterbi. Cuối cùng đưa vào giải mã TCM được tín hiệu đầu ra tương ứng.
Sơ đồ thiết kế mô phỏng quá trình kết hợp mã TCM và OSTBC
Khối phát tín hiệu ngẫu nhiên : Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli tạo ra
nguồn dữ liệu khoảng 100 bit ngẫu nhiên.
Khối điều chế lƣới TCM : Thực hiện điều chế những bản tin từ khối phát tín hiệu ngẫu nhiên
Bernoulli trên chòm sao PSK cho đến khi có giá trị trung bình. Trong quá trình mô phỏng sử dụng sơ
đồ lưới 8-PSK với 8 trạng thái. Cấu trúc lưới sử dụng 2 ma trận đầu vào [2 3], [1 2 0; 4 1 2]. Khối này
có 1 đầu ra khung dữ
liệu dài 50 tức là 2 bit đầu vào sẽ tạo ra 1 ký tự
Khối giải mã TCM M-PSK dùng thuật toán Viterbi. Các tham số đặt là 30, so sánh với chiều
dài hạn chế của TCM, là chiều dài đủ để đảm bảo khi thực hiện thì mất mát hầu như là không có
Đầu tiên ta xét TCM trên kênh Rayleigh Fading phẳng
Kênh cân bằng : khắc phục ảnh hưởng của kênh fading tại bộ thu và đầu ra của kênh đii vào bộ
giải mã M-PSK TCM để giải mã.
OSTBC 2x1 trên kênh fading phẳng : Khối giải mã OSTBC cho thông tin ký tự từ bộ giải mã
TCM bằng cách dùng mã Almouti với 2 anten phát. Tín hiệu đầu ra của khối này là ma trận 50x2
Khối kết hợp OSTBC lấy tín hiệu từ anten thu với thông tin trạng thái kênh tại đầu ra ước
lượng của ký tự phát, sau đó đưa tới bộ giải mã M-PSK TCM
Kênh AWGN tại bộ thu
4.2 Kết quả mô phỏng
4.3 Đánh giá so sánh
Khi sử dụng điều chế TCM tỷ lệ lỗi lớn hơn so với việc sử dụng, khi kết hợp 2 mã này với
nhau được cả độ lợi và độ phân tập nên đường cong giảm tỷ lệ bit
KẾT LUẬN
Trong luận văn này, đã đề cập đến mã khối không thời gian trực giao và điều chế lưới. Đặc biệt
là quá trình kết hợp 2 mã để đạt được độ lợi phân tập cao.
Trong quá trình nghiên cứu đã nêu được tính cấp thiết của kỹ thuật phân tập để giảm fading và
tăng tốc độ truyền. Khi đó sẽ nâng cao được độ tin cậy của kênh truyền vô tuyến
References.
Tiếng việt
[1]. Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ (2007), Thông tin số, Nhà xuất bản Giáo dục.
[2]. Mai Hồng Anh, Phân tập phát sử dụng mã khối không thời gian cấu trúc trực giao, Tạp chí bưu
chính viễn thông
[3]. Phan Hồng Phương, Lâm Chi Thương, Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện hệ thống dung
lượng MIMO, Tạp chí bưu chính viễn thông
Tiếng Anh
[1]. S. M.Alamouti, A Simple transmit Diversity Technique for wireless communications, IEEE
Jounal on Selected Areas in Communications, vol,16,no,8, Oct,1998
[2]. V.Tarokh,H.Jafarkhami, and A.R.Calderbank, Space-time block codes from orthogonal design,
IEEE Transactions on information theory, vol.45, no.5. Jul.1999
[3]. Yi Gong and K .B.Letaief, Concatiented space-time block coding with trellis coded modulation
in fading channels, IEEE Transactions on wireless communicationx, vol.1, no.4, Oct 2002
