Phẩm chất của hệ thống Alamouti STBC - OFDM trong môi trường Fading đa đường

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hoàng Quang Trung và cs<br /> <br /> 78(02): 105 - 108<br /> <br /> PHẨM CHẤT CỦA HỆ THỐNG ALAMOUTI STBC-OFDM<br /> TRONG MÔI TRƢỜNG FADING ĐA ĐƢỜNG<br /> Hoàng Quang Trung1*, Vũ Đức Hiệp2<br /> 1<br /> <br /> Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái Nguyên, 2Học viện Kỹ thuật Quân sự<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Gần đây, đã có rất nhiều các nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất các sơ đồ truyền dẫn nhằm<br /> nâng cao phẩm chất hệ thống thông tin vô tuyến. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu sơ đồ<br /> thực thi của hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp<br /> với mã khối không gian-thời gian (STBC) Alamouti 2x1, hay còn gọi là sơ đồ Alamouti 2x1<br /> STBC-OFDM. Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành tách tín hiệu tại máy thu bằng phƣơng pháp<br /> MLD. Với mô hình hệ thống đƣợc đƣa ra ở trên, nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng đa đƣờng sẽ bị loại<br /> bỏ. Kết quả mô phỏng bằng Matlab cho thấy tham số phẩm chất hệ thống về tỷ số lỗi bit (BER)<br /> dựa trên sơ đồ này là tốt hơn hẳn so với sơ đồ Alamouti 2x1 đơn giản khi ta xét trong môi trƣờng<br /> truyền dẫn có fading đa đƣờng.<br /> Từ khóa: stbc, ofdm, Sơ đồ Alamouti, Hệ thống Stbc-Ofdm, ISI.<br /> <br /> GIỚI THIỆU<br /> <br /> *<br /> <br /> Ghép kênh theo tần số trực giao (OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing)<br /> và mã khối không gian – thời gian (STBCSpace-Time Block Code) là kỹ thuật sử dụng<br /> trong truyền dẫn đang đƣợc nhiều ngƣời quan<br /> tâm do những lợi ích có đƣợc trong các ứng<br /> dụng truyền thông vô tuyến. OFDM hỗ trợ<br /> khả năng đạt đƣợc tốc độ dữ liệu cao bằng<br /> cách phân bổ luồng dữ liệu nối tiếp vào N<br /> luồng dữ liệu tốc độ thấp song song tƣơng<br /> ứng đƣợc phát trên N sóng mang phụ trực<br /> giao. Trong trƣờng hợp N đủ lớn và khoảng<br /> thời gian bảo vệ là an toàn, các kênh ứng với<br /> mỗi sóng mang phụ khi đó gần nhƣ là phẳng<br /> theo tần số và cho phép thực hiện điều chế bậc<br /> cao [3]. Do khả năng này và một số lợi ích hấp<br /> dẫn khác, OFDM đã đƣợc ứng dụng trong rất<br /> nhiều hệ thống truyền thông thƣơng mại.<br /> Mã khối không gian – thời gian (STBC) là<br /> một trong những kỹ thuật truyền thông dành<br /> cho các hệ thống vô tuyến, thực hiện phân tập<br /> theo không gian (và tăng độ lợi mã hóa) bằng<br /> cách tạo ra sự tƣơng quan về thời gian và<br /> *<br /> Tel: 0904055956; Email: hoangquangtrung@yahoo.com<br /> <br /> không gian vào các tín hiệu đƣợc phát từ các<br /> anten phát khác nhau. Sơ đồ thực hiện mã<br /> khối không gian – thời gian điển hình là sơ đồ<br /> Alamouti, cho phép thực hiện phân tập đầy đủ<br /> với hai anten phát. Tuy nhiên với sơ đồ<br /> Alamouti, nhiễu giữa các ký hiệu ISI<br /> (Intersymbol Interference) tại máy thu chƣa<br /> đƣợc loại bỏ, làm ảnh hƣởng tới phẩm chất<br /> BER của hệ thống. Chính vì vậy ý tƣởng kết<br /> hợp OFDM với mã STBC sẽ tạo ra hệ thống<br /> truyền dẫn thực sự tối ƣu. Dƣới đây ta sẽ<br /> nghiên cứu hệ thống nhƣ thế.<br /> MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> Trong hệ thống Alamouti STBC-OFDM (dựa<br /> trên [3] đƣợc thể hiện ở hình a), sơ đồ<br /> Alamouti đƣợc thực hiện thông qua hai ký<br /> hiệu OFDM liên tiếp trong mỗi sóng mang<br /> phụ. Trƣớc tiên, mỗi khối gồm N ký hiệu<br /> thông tin lối vào đƣợc chuyển đổi từ dạng nối<br /> tiếp sang song song để tạo thành chuỗi các<br /> véc-tơ Ds   Ds 0 , Ds 1 ,, Ds  N  1 , ở<br /> đó, N đƣợc giả thiết là bằng với độ dài biến<br /> đổi IFFT của bộ điều chế OFDM và bằng bội<br /> của 2, s là chỉ số ký hiệu OFDM. Đặt<br /> <br /> X l , m  k , l  1,2, m  s, s  1,<br /> k  0,1,..., N  1biểu diễn cho ký hiệu mã<br /> 105<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Hoàng Quang Trung và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> không gian – thời gian đƣợc phát trên sóng<br /> mang phụ thứ k bởi anten phát thứ l trong<br /> khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m. Bộ<br /> <br /> mã hóa A-STBC-OFDM tạo ra các ký<br /> hiệu X l ,m  k  nhƣ sau:<br /> <br /> 78(02): 105 - 108<br /> <br />  X 1,s  k  X1,s 1  k    Ds  k  Ds*1  k  <br /> <br /> <br /> <br /> *<br />  X 2,s  k  X 2,s1  k   Ds1  k   Ds  k <br /> <br /> (1)<br /> <br /> ở đó x* biểu diễn liên hợp phức của x.<br /> <br /> a. Sơ đồ thực thi bộ phát Alamouti STBC-OFDM<br /> <br /> b. Sơ đồ thực thi bộ thu Alamouti STBC-OFDM<br /> <br /> Bây giờ chúng ta biểu diễn các véc-tơ đầu ra<br /> của bộ mã hóa Alamouti-STBC-OFDM<br /> Xl ,m   X l ,m 0 , X l ,m 1 ,, X l ,m  N  1 cho<br /> các chu kỳ ký hiệu m  s, s  1 , để đƣa tới<br /> hai khối chuyển đổi IFFT tƣơng ứng với các<br /> anten phát l  1 và l  2 có thể đƣợc viết nhƣ<br /> sau:<br /> <br /> X1,s   Ds  0 , Ds 1 , , Ds  N  1<br /> X 2,s   Ds 1  0 , Ds 1 1 , , Ds 1  N  1<br /> X1,s 1   D*s 1  0 , D*s 1 1 , , D*s 1  N  1<br /> X 2,s 1    D*s  0 ,  D*s 1 , ,  D*s  N  1<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Tiếp theo, ta đặt<br /> <br /> xl ,m   xl ,m 0 , xl ,m 1 ,, xl ,m  N  1 ,<br /> m  s, s  1, l  1,2 biểu diễn các véc-tơ đầu<br /> <br /> n  0,1,, N  1<br /> <br /> Trong đó, WNm  e <br /> , toán tử   biểu<br /> diễn phép lấy liên hợp phức. Cần chú ý rằng<br /> bốn toán tử IFFT đƣợc thực hiện để tạo các<br /> tín hiệu điều chế OFDM cho các chu kỳ s và<br /> s+1 đối với hai anten. Sau đó, xl ,m đƣợc chèn<br /> thêm vào mã bảo vệ CP (Cyclic Prefix) có độ<br /> dài C để để phát trên anten thứ l trong<br /> khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m.<br /> Quá trình tách tín hiệu tại máy thu đƣợc thực<br /> hiện ngƣợc lại so với các quá trình đã thực<br /> hiện tại máy phát, theo sơ đồ hình b). Giả sử<br /> kênh fading đa đƣờng giữa anten phát và<br /> anten thu gồm p thành phần đa đƣờng<br />  j 2 m N<br /> <br />  p 0,1,, P 1 , có biên độ là l ,m  p<br /> <br /> và độ trễ p.Ts . Để đơn giản, ta giả thiết<br /> <br /> Ts  1 khi đó có kênh đƣợc biểu diễn thành<br /> <br /> ra của các khối IFFT, để đƣa tới bộ chuyển<br /> đổi song song sang nối tiếp, đƣợc xác định<br /> bởi [1]:<br /> <br /> <br /> 1  N 1<br /> <br /> xl , m  n    X l,m  k   WNnk  , (3)<br /> N  k 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> P 1<br /> <br /> hl ,m  n  l ,m  p   n  p <br /> <br /> (4)<br /> <br /> p 0<br /> <br /> ở đó,   là hàm xung Dirac. Do đó, tại<br /> phía thu, tín hiệu thu đƣợc có thêm trễ kênh<br /> <br /> 106<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hoàng Quang Trung và cs<br /> <br /> và H 2,s  k   H 2,s1  k    2  k  .<br /> <br /> 2<br /> <br /> ym  n    hl ,m  n   xl ,m  n   zm  n <br /> l 1<br /> <br /> (5)<br /> <br /> 2 P 1<br /> <br />   l ,m  p xl ,m  n  p   zm  n <br /> <br /> Do đó:<br /> <br /> l 1 p 0<br /> <br /> Trong đó, zm  n  là tạp âm Gauss ngẫu nhiên.<br /> TÁCH TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG<br /> ALAMOUTI STBC-OFDM<br /> Nếu độ dài C của mã bảo vệ CP đƣợc chọn<br /> dài hơn so với trải trễ lớn nhất  max  ( P  1)<br /> <br /> thì sau khi loại bỏ CP, tín hiệu ym  n thu<br /> <br /> l 1<br /> <br /> Trong đó<br /> N 1<br /> <br /> j<br /> <br /> 2 kn<br /> N<br /> <br /> (7)<br /> <br /> n 0<br /> <br /> N 1<br /> <br /> Z m  k    zm  n  e<br /> <br /> j<br /> <br /> 2 kn<br /> N<br /> <br /> (8)<br /> <br /> n 0<br /> <br /> Biểu thức (6) có thể đƣợc viết lại dƣới dạng<br /> ma trận nhƣ sau:<br /> <br /> Y  k   H  k  X k   Z  k <br /> <br /> (9)<br /> <br /> (15)<br /> <br />  H H k  H k  X k   H H k  Z k <br /> <br /> <br /> <br />  1  k    2  k <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br />  X k   H<br /> <br />   k    X  k <br /> Trong đó X<br />  1<br /> <br /> H<br /> <br /> k  Z k <br /> <br /> T<br /> X 2  k  .<br /> <br /> Tín hiệu đƣợc tách thông qua luật quyết định:<br /> Xl  k   arg min  X l  k    X l  k  , l  1, 2 (16)<br /> X CM<br /> <br /> ở đó   1  k    2  k <br /> 2<br /> <br /> là đáp ứng tần số kênh truyền giữa anten phát<br /> thứ l và anten thu trong các chu kỳ ký hiệu<br /> thứ m. Và Z m  k  là tạp âm Gauss trên miền<br /> tần số<br /> <br /> (14)<br /> <br />  k   H H k  Y k <br /> X<br /> <br /> 2<br /> <br /> Ym  k    X l ,m  k  H l ,m  k   Z m  k  (6)<br /> <br />   k   2  k  <br /> H  k    1*<br /> <br /> *<br />  2  k  1  k <br /> <br /> Tín hiệu lối ra bộ chuyển đổi FFT đƣợc đƣa<br /> vào bộ giải mã không gian-thời gian Alamouti<br /> STBC-OFDM. Sử dụng phƣơng pháp MLD<br /> (Maximum Likelihook Decoding) [2], ta nhận<br /> đƣợc:<br /> <br /> đƣợc trên sóng mang thứ k qua bộ chuyển đổi<br /> nối tiếp-song song sau đó đƣợc cho qua bộ<br /> biến đổi FFT sẽ có dạng:<br /> <br /> H l ,m  k    hl ,m  n  e<br /> <br /> 78(02): 105 - 108<br /> <br /> 2<br /> <br /> và CM là các<br /> <br /> chòm sao tín hiệu.<br /> KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB<br /> Kết quả mô phỏng dƣới đây chủ yếu tập trung<br /> vào đánh giá phẩm chất BER của hệ thống<br /> Alamouti 2x1 STBC-OFDM trong môi<br /> trƣờng có fading đa đƣờng để thấy đƣợc ƣu<br /> điểm nổi bật của nó so với hệ thống dựa trên<br /> sơ đồ Almouti 2x1 khi không sử dụng kỹ<br /> thuật OFDM.<br /> <br /> Trong đó<br /> <br /> BER Comparison of Almouti and Alamouti-Ofdm Schemes in Multipath Fading Environment<br /> <br /> -1<br /> <br /> 10<br /> <br /> X k    X1  k  X 2  k <br /> Y  k   Y1  k  Y2*  k <br /> Z  k    Z1  k  Z 2  k <br /> *<br /> <br /> -2<br /> <br /> 10<br /> <br /> (10)<br /> <br /> -3<br /> <br /> 10<br /> <br /> T<br /> <br /> (11)<br /> <br /> Average BER<br /> <br />  H k <br /> H 2,s  k  <br /> H  k    *1,s<br /> <br /> *<br />  H 2,s 1  k   H1,s 1  k <br /> <br /> Alamouti-Ofdm Scheme<br /> Alamouti Scheme<br /> <br /> T<br /> <br /> -5<br /> <br /> 10<br /> <br /> (12)<br /> <br /> T<br /> <br /> -6<br /> <br /> 10<br /> <br /> (13)<br /> <br /> -7<br /> <br /> 10<br /> <br /> Giả sử kênh fading chậm, khi đó ta có:<br /> <br /> H1,s  k   H1,s1  k   1  k <br /> <br /> -4<br /> <br /> 10<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> 8<br /> <br /> 10<br /> Eb/No<br /> <br /> 12<br /> <br /> 14<br /> <br /> 16<br /> <br /> 18<br /> <br /> 20<br /> <br /> Hình 2. So sánh phẩm chất BER giữa hai hệ thống<br /> Alamouti-ofdm và Almouti<br /> <br /> 107<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Hoàng Quang Trung và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Kết quả mô phỏng ở trên đƣợc thực hiện với<br /> tham số:<br /> Độ dài dữ liệu: 2048.<br /> Số kênh con: 128.<br /> Số kênh đa đƣờng: 2.<br /> Dựa trên kết quả mô phỏng ta nhận thấy<br /> phẩm chất BER của hai sơ đồ giống nhau khi<br /> yêu cầu về tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm<br /> (SNR) thấp. Tuy nhiên với mức yêu cầu<br /> (SNR) cao hơn thì sơ đồ Alamouti STBCOFDM cho kết quả tốt hơn so với sơ đồ<br /> Alamouti đơn giản khi xét trong môi trƣờng<br /> fading đa đƣờng. Nhƣ vậy có nghĩa là hiệu<br /> ứng fading đa đƣờng đã gây ra nhiễu ISI<br /> (Intersymbol Interference) và làm ảnh hƣởng<br /> đến quá trình tách tín hiệu tại máy thu trong<br /> trƣờng hợp sử dụng sơ đồ Alamouti 2x1. Do<br /> đó, nếu nhƣ sử dụng cả mã khối STBC và kỹ<br /> thuật OFDM thì hệ thống sẽ có đƣợc cả ƣu<br /> điểm về độ lợi phân tập và khắc phục đƣợc<br /> ISI dẫn tới phẩm chất hệ thống tốt hơn.<br /> <br /> 78(02): 105 - 108<br /> <br /> KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu mô<br /> hình hệ thống Alamouti 2x1 STBC-OFDM.<br /> Trên cơ sở đó, đã đƣa ra đƣợc mô hình toán<br /> học để thực thi hệ thống khi xét trong môi<br /> trƣờng có fading đa đƣờng và thực hiện tách<br /> tín hiệu bằng cách sử dụng phƣơng pháp<br /> MLD. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã mô phỏng<br /> bằng matlab để đánh giá tham số phẩm chất<br /> hệ thống BER của sơ đồ dựa trên mô hình hệ<br /> thống này khi so sánh với hệ thống STBC đơn<br /> giản Alamouti 2x1 trong môi trƣờng truyền<br /> dẫn có fading đa đƣờng.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1].Quách Tuấn Ngọc (1999), Xử lý tín hiệu số,<br /> Nxb Giáo dục.<br /> [2].Branka Vucetic (2003), Space-Time Coding,<br /> University of Sydney, Australia<br /> [3].Jooyeol Yang and Kyungwhoon Cheun (2004),<br /> “Complexity Implementation of Alamouti SpaceTime Coded OFDM Transmitters”, IEEE<br /> communications letters, Vol. 8, No. 4, 2.<br /> <br /> SUMMARY<br /> THE PERFORMANCE OF ALAMOUTI STBC-OFDM SYSTEM<br /> IN A MULTIPATH FADING ENVIRONMENT<br /> Hoang Quang Trung*<br /> Faculty of Information Technology, Thai Nguyen University<br /> Vu Duc Hiep<br /> Academy of Military Engineering<br /> Recently, there have been many researchs for proposing transmission schemes for improving the<br /> performance of wireless communication systems. In this paper, we present the implementing<br /> scheme of a system using orthogonal frequency division multiplexing technique combined with<br /> space-time block code, it is also called Alamouti 2x1 STBC-OFDM system. Then we give MLD<br /> method for detecting signal at receiver. By implementing this system, we can cancel ISI.<br /> Simulation result by matlab program showed that this scheme provides better BER performance in<br /> the multipath fading environment than the Alamouti 2x1 STBC scheme.<br /> Key words: space-time block code, orthogonal frequency division multiplexing, Alamouti scheme,<br /> Alamouti stbc-ofdm system, Intersymbol Interference.<br /> <br /> *<br /> <br /> Tel: 0904055956; Email: hoangquangtrung@yahoo.com<br /> <br /> 108<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br />