Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Thiết kế mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao kết hợp điều chế không gian

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay kỹ thuật truyền dẫn nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) là những giải pháp đầy triển vọng và hiện tại đã được ứng dụng trong mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên các kênh vô tuyến pha-đinh mà vẫn đảm bảo độ tin cậy cao và hiệu quả sử dụng phổ tần lớn. Để khai thác ưu điểm của hệ thống MIMO, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đề xuất các giải pháp để cải thiện chất lượng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống, kỹ thuật điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) bằng cách kết hợp SM với mã Alamouti (làm mã STBC hạt nhân) của Basar và các cộng sự là một trong những bước tiến quan trọng nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy truyền tin. Tiếp tục phát triển các nghiên cứu của nhiều công trình trước đây, tác giả tập trung nghiên cứu khai thác tính đơn giản trong tách sóng của mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao (OSTBC) và kết hợp với điều chế không gian nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng chất lượng của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo tính đơn giản trong tách sóng khôi phục tín hiệu ở máy thu.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu Kỹ thuật mã hóa mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) kết hợp với điều chế không gian (SM) nhằm được các mục tiêu: tăng hiệu suất sử dụng phổ tần; đạt được phân tập phát; tách sóng ML đơn giản.

Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa mô hình hóa, giải tích với mô phỏng Monte-Carlo. Phương pháp mô hình hóa, giải tích được sử dụng để thiết lập phương

trình hệ thống, kết hợp và khôi phục tín hiệu ở máy thu cũng như tính toán các giới hạn trên của tỷ lệ lỗi bit (BER). Mô phỏng Monte-Carlo sẽ được sử dụng để ước lượng được các tham số đánh giá chất lượng hệ thống như BER và sai số bình phương trung bình (MSE).

Đối tượng nghiên cứu

Kênh vô tuyến; các hệ thống phân tập; các hệ thống mã hóa khối không gian thời gian; các hệ thống điều chế không gian; các hệ thống kết hợp giữa mã khối không gian thời gian (STBC) và điều chế không gian/khóa dịch không gian (SM/SSK).

Phạm vi nghiên cứu

Các mã khối không gian thời gian, mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao, các tiêu chuẩn thiết kế. Các phương pháp điều chế không gian, điều chế không gian kết hợp mã khối không gian thời gian.

Bố cục luận án

Luận án được trình bày 97 trang ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án chia thành 3 chương. Chương 1: Tổng quan về kênh MIMO và mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao. Chương 2: Điều chế không gian và điều chế không gian mã khối không gian thời gian. Chương 3: Mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian.

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH MIMO VÀ MÃ KHỐI

KHÔNG GIAN THỜI GIAN CẤU TRÚC TRỰC GIAO

1.1. Hệ thống MIMO và kỹ thuật phân tập không gian.

1.1.1. Hệ thống MIMO.

Để tăng dung lượng các hệ thống thông tin không dây ta bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Các hệ thống có nhiều ăng-ten cả ở

máy phát và máy thu (gọi là hệ thống MIMO) có thể giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên gấp nhiều lần so với các hệ thống đơn ăng-ten truyền thống.

Véc-tơ tín hiệu thu với kích thước của một hệ thống

MIMO điểm điểm với ăng-ten phát và ăng-ten thu như Hình 1.1

được cho bởi biểu thức:

(1.5)

Trong đó giả thiết kênh truyền MIMO là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng, là tín hiệu phát trong mỗi chu kỳ ký hiệu có kích biến đổi chậm,

thước . và tương ứng là kênh truyền MIMO kích thước

và véc-tơ tạp âm kích thước .

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO.

1.1.2. Kỹ thuật phân tập không gian.

Phân tập không gian được chia thành 2 loại: phân tập thu và phân tập phát. Phân tập phát là kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều ăng-ten ở phía phát để truyền đi các tín hiệu được tổ chức theo một phương thức nào đó nhằm tạo ra các tín hiệu chịu pha-đinh không tương quan ở phía máy thu. Máy thu có thể kết hợp các tín hiệu thu được để làm giảm các tác động của pha-đinh và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống.

1.2. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian

- Mã Alamouti.

1.2.1. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian.

A. Tiêu chuẩn hạng và định thức.

Mã có bậc phân tập đầy đủ khi ma trận có

hạng đầy đủ. Khoảng độ lợi mã (CGD) giữa hai từ mã và là

, nên độ lợi mã hóa liên quan tới

định thức của ma trận .

Vì vậy, một tiêu chuẩn thiết kế tốt đảm bảo bậc phân tập đầy đủ là

với các giá trị từ mã có thể và , , ma trận có

hạng đầy đủ - Tiêu chuẩn hạng.

Để tăng độ lợi mã hóa cho một mã có bậc phân tập đầy đủ, một tiêu chuẩn thiết kế tốt khác là cực đại hóa định thức cực tiểu của các ma

trận với tất cả các giá trị - Tiêu chuẩn định thức.

B. Tiêu chuẩn vết.

Xác suất lỗi cặp liên quan tới metric . Tiêu chuẩn

vết nói rằng cần phải cực đại hóa khoảng cách cực tiểu

trong tất cả . Tiêu chuẩn này gọi là tiêu chuẩn vết vì

1.2.2. Mã Alamouti.

Mã Alamouti là mã khối không gian thời gian đầu tiên dùng cho các hệ thống có hai antenna phát. Đặc tính cơ bản của mã Alamouti là đạt được bậc phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã hợp lý cực đại đơn giản.

Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát cho mã Alamouti.

Từ mã truyền là: (1.18)

Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ thu cho mã Alamouti với MRC.

1.3. Các cấu trúc trực giao.

Để thu được bậc phân tập đầy đủ do ăng-ten phát cung cấp,

ma trận mã truyền được thiết kế trên cơ sở trực giao sao cho:

(1.28)

là số lượng phần tử của tập hợp ký hiệu phát phức mà bộ mã trong đó hóa STBC ánh xạ sang ma trận phát là một hằng số. Loại mã này được gọi là mã STBC trực giao (OSTBC). Với mã STBC trực giao, các véc-tơ phát từ các ăng-ten trực giao với nhau. Tốc độ truyền dẫn tối đa

của các mã STBC trực giao có bậc phân tập đầy đủ là 1, tức là, ,

trong đó mã Alamouti là bộ mã cho tín hiệu phức duy nhất cho phép đạt được đồng thời cả bậc phân tập đầy đủ và tốc độ đầy đủ.

Hình 1.4: Sơ đồ bộ mã hóa cho mã khối không gian thời gian trực giao.

Tuỳ theo chòm sao tín hiệu, có thể thiết kế được các bộ mã STBC

trực giao khác nhau dành cho tập tín hiệu thực và tập tín hiệu phức.

1.3.1. Mã OSTBC cho tập tín hiệu thực.

Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ

thống ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu thực thoả mãn điều kiện trực

giao như sau:

(1.30)

1.3.2. Mã OSTBC cho tập tín hiệu phức.

Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ

thống ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu phức thoả mãn điều kiện trực

giao như sau:

(1.31)

1.4. Kết luận.

Chương 1 trình bày về hệ thống MIMO, mô hình hệ thống và các giả thiết về kênh truyền, về tạp âm. Giới thiệu sơ lược phân tập ăng-ten, mã không gian thời gian và các tiêu chuẩn thiết kế. Mã khối không gian thời gian trực giao là các lớp mã hấp dẫn đối với việc thực hiện phân tập

nhờ vào tính phân tập đầy đủ và các thuật toán giải mã đơn giản của chúng. Đây là một phần nền tảng lý thuyết cho phép nghiên cứu sinh thực hiện các nghiên cứu ở các chương tiếp theo.

Chương 2: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN

2.1. Giới thiệu.

Kỹ thuật ghép kênh theo không gian V-BLAST gây ra hiện tượng nhiễu đồng kênh (ICI) làm cho độ phức tạp của bộ giải mã hợp lệ cực đại (ML) tăng lên theo hàm mũ với số lượng ăng-ten phát. Trong chương này, luận án giới thiệu về kỹ thuật điều chế không gian (SM), đây là phương pháp hiệu quả để loại bỏ ICI. Trình bày phương pháp điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) do Basar và các cộng sự đề xuất nhằm phát huy những lợi thế của SM cũng như STBC. Luận án đề xuất mã STBC-SM tốc độ cao, gọi là mã HR-STBC- SM. Trong đó giới thiệu khái niệm mới về các ma trận từ mã chòm sao tín hiệu không gian (từ mã SC). Khi đó, các ma trận từ mã của hệ thống HR-STBC-SM sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trận từ mã Alamouti với các ma trận từ mã SC. Để minh họa, nghiên cứu sinh đề xuất hai hệ thống HR-STBC-SM cho 4 và 6 ăng-ten phát với số từ mã SC lần lượt là 8 và 16.

2.2. Kỹ thuật điều chế không gian.

2.2.1. Mô hình hệ thống.

Hình 2.1 trình bày nguyên lý hoạt động của kỹ thuật điều chế không gian (SM). Trong mỗi chu kỳ tín hiệu, một ăng-ten được kích hoạt và phát đi một ký hiệu trong chòm sao QAM hoặc PSK. Với

ăng-ten phát và sử dụng điều chế BPSK, hệ thống SM có thể

truyền đi 3 bit trong mỗi chu kỳ tín hiệu.

Hình 2.1: Mô hình hệ thống mã hóa không gian và bảng ánh xạ tới chỉ số

ăng-ten và các từ mã BPSK.

2.2.2. Các thuật toán khôi phục tín hiệu cho kỹ thuật điều chế

không gian.

Thuật toán khôi phục tín hiệu gần tối ưu:

Thuật toán này gọi là thuật toán i-MRC và được mô tả như sau:

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Khôi phục dựa vào và , trong đó biểu thị toán tử quyết

định hay lượng tử hóa.

Thuật toán khôi phục tín hiệu tối ưu:

Bộ tách tối ưu dựa trên nguyên tắc hợp lệ cực đại như sau:

(2.8)

với .

Ta có thể thấy rằng phương pháp tách tối ưu khôi phục đồng thời

cả chỉ số ăng-ten và ký hiệu phát.

2.3. Kỹ thuật điều chế không gian mã khối không gian thời gian.

2.3.1. Thiết kế và tối ưu hệ thống STBC-SM.

Thuật toán thiết kế mã STBC-SM được tóm tắt như sau:

1. Với

ăng-ten phát, số tổ hợp chập 2 của

ăng-ten là

, trong

đó

là một số nguyên dương.

2. Số từ mã trong mỗi sách mã

,

và tổng số sách

mã

. Số lượng từ mã trong sách mã cuối cùng là

.

với

3. Khởi đầu xây dựng sách mã

từ mã không can nhiễu lẫn nhau.

4. Tương tự, xây dựng

dựa trên các điều kiện: mỗi sách mã phải

bao gồm các từ mã không can nhiễu lẫn nhau được chọn từ các tổ hợp chập 2

của

ăng-ten phát và chưa được sử dụng trong các sách mã đã xây dựng

trước đó.

5. Xác định góc quay

cho mỗi

,

, sao cho

đạt giá trị

cực đại ứng với một chòm sao tín hiệu và một cấu hình ăng-ten cho trước:

tức là,

.

2.3.2. Bộ giải mã tối ưu cho hệ thống STBC-SM.

Xét một hệ thống MIMO gồm ăng-ten phát và ăng-ten thu

trong kênh truyền pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm.

Ma trận tín hiệu thu , kích thước :

(2.16)

Giả thiết mã STBC-SM bao gồm từ mã. Bộ giải mã hợp lệ cực

đại (ML) lựa chọn ra ma trận tối thiểu hóa phương trình sau:

(2.17)

Nhờ tính trực giao, (2.16) trở thành: (2.18)

Máy thu ước lượng tối ưu của các ký hiệu và như sau:

(2.20)

Các khoảng cách ML và tương ứng với và là

(2.21)

Khoảng cách ML tổng ứng với một phiên bản của kênh truyền là

. Máy thu quyết định chọn khoảng cách

ML tối thiểu theo biểu thức và từ đó quyết định các ký

hiệu phát là . Tổng số phép tính trong (2.17) giảm từ

xuống .

2.4. Đề xuất điều chế không gian mã khối không gian thời gian

tốc độ cao.

2.4.1. Mô hình hệ thống và khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu

không gian.

A. Mô hình hệ thống.

Xét một hệ thống nhiều ăng-ten với

ten thu, được gọi là hệ thống ăng- ăng-ten phát và , hoạt động trong một kênh truyền

MIMO pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm. Luận án sử dụng các từ

mã Alamouti làm từ mã hạt nhân, với các phần tử trong

từ mã được lấy từ chòm sao tín hiệu -QAM hoặc -PSK. Khi đó,

ma trận tín hiệu thu được cho bởi biểu thức:

(2.22)

B. Đề xuất khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu không gian.

Đặt là ma trận kênh tương đương. Ta gọi

là các từ đã được biết mã chòm sao tín hiệu không gian (hay từ mã SC). Do quy về bài trước, bài toán thiết kế các từ mã STBC-SM tốc độ cao toán thiết kế các từ mã SC đơn giản hơn. Đây chính là ý tưởng xuyên suốt của luận án cho phép nghiên cứu sinh thiết kế được các từ mã trong các hệ thống SM-MIMO khác nhau.

2.4.2. Hệ thống HR-STBC-SM và kỹ thuật khôi phục tín hiệu.

A. Thiết kế các từ mã SC.

Đặt các và có dạng: ; trong đó là

một số nguyên bất kỳ và là góc pha cần được xác định.

Chòm sao tín hiệu không gian cho ăng-ten phát bao

gồm từ mã SC như sau:

Tương tự như vậy, chòm sao tín hiệu không gian cho

ăng-ten phát bao gồm từ mã SC như sau:

Dựa trên các tiêu chí về hạng ma trận và định thức ma trận và sử dụng tìm kiếm triệt để bằng máy tính, nghiên cứu sinh tìm được các giá

trị tối ưu và dựa trên công thức (2.25) và trình bày như trên

Bảng 2.2.

(2.25)

trong đó là hai từ mã HR-STBC-SM khác nhau. và

Bảng 2.2: Các giá trị góc pha tối ưu của các từ mã SC ứng với các chòm sao tín hiệu QAM khác nhau.

4

6 2 4 8 16 2 4 8 16

1.323 0.963 0.963 0.75 0.785 1.178 1.178 1.178

0.844 1.318 1.318 1.318 1.178 1.408 1.36 0.948

1.4 3.99 3.99 3.97 1.21 1.68 1.04 0.44

B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống HR-STBC-SM.

Giả sử máy thu biết chính xác kênh truyền. Quá trình giải mã, khôi

phục tín hiệu được tóm tắt như sau:

1. Ứng với mỗi ma trận

và mỗi cặp tín hiệu

trong chòm sao tín

hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau:

a.

với

.

b.

với

.

2. Tìm

trong số

giá trị

và

tương ứng với

.

3. Tìm

trong số

giá trị

và

tương ứng với

.

4. Tính

.

với

5. Tìm chỉ số

tương ứng với khoảng cách tối thiểu

trong tổng số

giá

trị khoảng cách

.

6. Ma trận SC và các ký hiệu phát được xác định bởi

và

.

2.4.3. Phân tích phẩm chất hệ thống HR-STBC-SM.

Phân tích phẩm chất lỗi bit của hệ thống HR-STBC-SM đề xuất bằng cách đánh giá xác suất lỗi cặp ký hiệu (PEP) và xây dựng một giới hạn trên cho xác suất lỗi bit của hệ thống.

(2.35)

2.4.4 . Kết quả mô phỏng và thảo luận.

Sử dụng mô phỏng Monte Carlo để đánh giá BER của mã đề xuất và so sánh với các hệ thống hiện có với giả thiết thông tin về trạng thái kênh truyền được máy thu biết rõ.

Hình 2.4: Các đường giới hạn trên theo lý thuyết và kết quả mô phỏng phẩm chất lỗi bit của hệ thống HR-STBC-SM đề xuất ứng.

Qua mô phỏng thấy rằng có thể sử dụng biểu thức (2.35) làm công

cụ đánh giá BER của các hệ thống HR-STBC-SM khi đủ lớn.

2.5. Kết luận.

Luận án đưa ra khái niệm mới là các từ mã chòm sao tín hiệu không gian (từ mã SC) và dựa vào khái niệm này đề xuất mã điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao (HR-STBC-SM). Kết quả cho thấy, hệ thống HR-STBC-SM đạt được phân tập phát bậc 2

Hình 2.5: Các đường BER của mã HR- STBC-SM đề xuất so với các đường BER của mã STBC-SM đề xuất bởi Basar và của mã STBC trực giao.

Hình 2.6: Các đường BER của mã đề xuất so với các đường BER của mã STBC-SM đề xuất bởi Basar, V-BLAST của mã STBC của Alamouti.

tương tự như với hệ thống STBC-SM nhưng có hiệu quả sử dụng phổtần cao hơn 0,5 bpcu khi có cùng số ăng-ten phát. Nhờ đó, mã HR-STBC- SM cho phép tiết kiệm được một số ăng-ten phát khi có cùng hiệu quả sử dụng phổ tần mà phẩm chất lỗi bit vẫn đạt xấp xỉ so với mã STBC- SM. Kết quả mô phỏng còn cho thấy, trong hầu hết các trường hợp, mã HR-STBC-SM có phẩm chất lỗi bit tốt hơn rất nhiều so với phẩm chất lỗi bit của các mã Alamouti, OSTBC tốc độ 3/4 và V-BLAST.

Chương 3: MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRỰC GIAO KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN

3.1. Giới thiệu. Trong chương này, luận án đề xuất hai loại mã khối không gian thời gian mới gọi là mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian (SM-OSTBC). Đối với các mã SM-OSTBC do nghiên cứu sinh đề xuất, các ma trận từ mã phát đi (hay còn gọi là các từ mã SM-OSTBC) được tạo ra bằng cách nhân các ma trận từ mã SC với các ma trận OSTBC.

3.2. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều

chế không gian cho 4 ăng-ten phát (SM-OSTBC ).

3.2.1. Mô hình hệ thống.

Máy phát SM-OSTBC tạo ra ma trận từ mã SM-OSTBC

, trong đó là mã OSTBC tốc độ 3/4;

như sau: trận từ mã SC. Ma trận tín hiệu thu , , là một ma tại máy thu được cho bởi biểu

thức: với và tương ứng

biểu thị ma trận kênh truyền và ma trận tạp âm . Từ mã

phát đi được chuẩn hóa sao cho trung bình tập hợp của vết của

bằng 3, tức là . là tỷ số SNR trung bình tại mỗi

ăng-ten thu.

3.2.2. Các từ mã SM đề xuất và thuật toán khôi phục tín hiệu.

A. Thiết kế các ma trận từ mã SC.

Gọi là ma trận hiệu giữa hai từ mã và xác định

theo biểu thức: . Dựa trên các tiêu chí về hạng

ma trận và định thức ma trận, tiêu chí thiết kế cho các từ mã SC được tóm tắt như sau:

1. Hạng của ma trận

bằng 3 xét

trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC

khác nhau.

2. Tích số tối thiểu,

, của ma trận

được cực đại

hóa trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC khác nhau, trong đó

là các

trị riêng khác không của

.

Dựa vào các mã OSTBC cho 3 ăng-ten phát, nghiên cứu sinh định

nghĩa các ma trận cơ sở , , . Sử dụng phương

pháp “thử và sai” (trial and error) với sự trợ giúp của máy tính để xác

định theo tiêu chí thiết kế trình bày ở trên, nghiên cứu sinh thu

được chòm sao tín hiệu không gian, , bao gồm từ mã SC

như sau:

Ở đây, các từ mã SC tạo ra bởi các ma trận sinh , hoặc sẽ

không được sử dụng nếu chúng không thỏa mãn tiêu chí thiết kế.

B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống SM-OSTBC .

Quá trình giải mã, khôi phục tín hiệu được tóm tắt như sau:

1. Ứng với mỗi ma trận

và mỗi ký hiệu

, trong chòm sao

tín hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau:

với

.

2. Tìm

trong số

giá trị

và

tương ứng với

.

3. Tính

với

.

4. Tìm chỉ số

tương ứng với khoảng cách tối thiểu

trong tổng số

giá

trị khoảng cách

.

5. Ma

trận SC và

các ký hiệu phát được xác định bởi:

,

.

3.2.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận.

Luận án sử dụng giới hạn trên trong chương 2 (2.35) và mô phỏng Monte-Carlo để đánh giá phẩm chất lỗi bit (BER) của hệ thống SM-

OSTBC đề xuất và so sánh với phẩm chất lỗi bit của các hệ thống

MIMO hiện có.

Hình 3.3: Các đường BER của mã SM-

Hình 3.2: Các đường BER của mã SM-

OSTBC

đề xuất so với các đường

OSTBC

đề xuất so với các đường

BER của mã SM, V-BLAST, mã

BER của mã HR-STBC-SM, mã

Alamouti, Ismail STBC và STBC-SM.

OSTBC ½ và mã OSTBC 3/4.

Hình 3.4: Các đường BER của mã SM-OSTBC

đề xuất so với các đường

BER của mã SM, V-BLAST, Ismail STBC và STBC-SM trong hệ thống (4, 4).

3.3. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian với định thức không triệt tiêu (SM-OSTBC

3.3.1. Mô hình hệ thống.

Hình 3.5 trình bày kiến trúc máy phát của hệ thống SM-OSTBC

ăng-ten phát do nghiên cứu sinh đề xuất. Từ mã với

SM-OSTBC được tạo ra bằng cách nhân với , tức

là , sau đó được truyền đi qua ăng-ten phát trong 2 chu kỳ

tín hiệu.

Ma trận tín hiệu thu được xác định theo công thức:

(3.18)

Hình 3.5: Sơ đồ khối của máy phát SM-OSTBC.

3.3.2. Thiết kế các từ mã SC.

Trước hết, luận án định nghĩa ma trận sinh như

(3.19). Dựa trên ma trận sinh , thủ tục tổng quát dùng để thiết kế

các từ mã SC cho ăng-ten phát cùng kích hoạt đồng thời được đề

xuất như sau:

(3.19)

1. Gán hai phần tử đầu tiên của véc-tơ

bằng 1, tức là

.

2. Gán

phần tử còn lại của

với các giá trị trong tập

được

lựa chọn một cách ngẫu nhiên.

3. Tạo các từ mã SC tương ứng

,

.

Việc gán hai phần tử đầu của các véc-tơ bằng 1 là nhằm đảm

bảo rằng mã SM-OSTBC có được tính chất “định thức

không triệt tiêu”, và do đó đạt được phân tập phát bậc 2.

Hiệu quả sử dụng phổ tần của mã SM-OSTBC là

bpcu.

Tính chất phân tập của mã SM-OSTBC được mô tả

bởi định lý sau:

Định lý: Mã SM-OSTBC đạt phân tập phát bậc 2 và

có định thức tối thiểu được cho bởi công thức:

(3.20)

3.3.3. Khôi phục tín hiệu trong hệ thống SM-OSTBC .

Bộ giải mã SO-ML được tóm tắt như sau:

1. Với mỗi ma trận

và mỗi cặp tín hiệu

trong chòm sao tín

hiệu

, tính hai khoảng cách Euclide:

với

2. Tìm

trong số

giá trị

và

tương ứng với

.

3. Tìm

trong số

giá trị

và

tương ứng với

.

4. Tính

, với

.

5. Tìm

tương ứng với khoảng cách tối thiểu

trong số

giá trị

.

6. Các ký hiệu và từ mã SC thu được như sau:

,

.

7. Sử dụng

và

để khôi phục lại

bit dữ liệu.

3.3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận.

Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để đánh giá BER của mã

SM-OSTBC với các cấu hình ăng-ten khác nhau và so

sánh với nhiều hệ thống MIMO hiện tại bao gồm V-BLAST, mã

Alamouti, QOSTBC, SM, STBC-SM, Srinath STBC, và G-STSK v.v...

3.4. Kết luận.

Trong chương này, nghiên cứu sinh đã đề xuất và phát triển mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian cho 4 ăng-ten phát và mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian với định thức không triệt tiêu, xây dựng các bộ giải mã tối ưu ML với độ phức tạp tính toán thấp.

Hình 3.7: Các đường BER của hệ thống

Hình 3.6: Các đường BER của SM-

SM-OSTBC , STBC-SM, QOSTBC, và Ismail STBC, Srinath STBC, SM và mã Alamout.

OSTBC , G-STSK(4,2,2,4,2), STBC-SM, QOSTBC, Ismail STBC và Srinath STBC và mã Alamouti.

với định thức không triệt tiêu có

Họ mã SM-OSTBC

phẩm chất lỗi bit tốt hơn nhiều so với nhiều mã khối không gian thời gian hiện có khi có cùng hiệu quả sử dụng phổ tần và cấu hình ăng-ten. Vì vậy, cùng với ưu điểm là có bộ giải mã ML đơn giản, mã SM-

OSTBC có thể là một mã tiềm năng cho ứng dụng trong

các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới.

KẾT LUẬN

Luận án đã đề xuất và xây dựng được các hệ thống truyền dẫn MIMO vô tuyến có hiệu quả sử dụng phổ tần và phẩm chất lỗi bit cao bằng cách kết hợp giữa kỹ thuật điều chế không gian với kỹ thuật mã khối không gian thời gian trực giao.

A. Các kết quả của luận án.

1. Đề xuất khái niệm mới từ mã chòm sao tín hiệu không gian để làm nền tảng xây dựng các hệ thống truyền dẫn MIMO có hiệu quả sử dụng phổ tần và phẩm chất lỗi bit cao.

2. Đề xuất mã điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao, HR-STBC-SM, cho 4 và 6 ăng-ten phát dựa trên mã khối không gian thời gian trực giao Alamouti. Mã HR-STBC-SM đạt bậc phân tập

. So với mã Alamouti, mã HR-STBC-SM có hiệu quả sử dụng phổ

tần cao hơn từ 1,5 đến 2 bpcu. Bên cạnh đó, để đạt được cùng một hiệu quả sử dụng phổ tần mà phẩm chất lỗi bit vẫn đạt xấp xỉ mã HR-STBC- SM dùng ít ăng-ten phát hơn mã STBC-SM. 3. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế

không gian cho 4 ăng-ten phát, SM-OSTBC , dựa trên trên mã

OSTBC tốc độ mã 3/4 đã được xây dựng cho 3 ăng-ten phát. Mã này đạt

được bậc phân tập là và có hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn 1 bpcu

so với mã OSTBC tốc độ mã 3/4 đã được đề xuất cho 3 ăng-ten phát là 1 bpcu. 4. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian cho số lượng ăng-ten phát là một số chẵn bất kỳ, lớn hơn

hoặc bằng 4, dựa trên mã Alamouti, SM-OSTBC . Mã có

tính chất “định thức không triệt tiêu”, đạt bậc phân tập và hiệu quả

sử dụng phổ tần rất cao so với hiệu quả sử dụng phổ tần của mã STBC-

SM đề xuất bởi Basar với cùng . Mã SM-OSTBC

được chứng minh là có phẩm chất lỗi bit tốt hơn nhiều hệ thống MIMO hiện có. 5. Xây dựng các bộ giải mã ML đơn luồng có độ phức tạp thấp nhờ tính chất trực giao của mã Alamouti và mã OSTBC tốc độ 3/4.

Ba mã được đề xuất trong luận án có những đặc điểm khác nhau, vì

vậy chúng có những phạm vi ứng dụng khác nhau:

- Mặc dù mã HR-STBC-SM được thiết kế cho 4 và 6 ăng-ten phát, nó chỉ yêu cầu sử dụng 02 máy thu phát RF. Vì vậy, nó có thể được sử

dụng hệ thống MIMO ít máy phát hơn số ăng-ten, cấu trúc hệ thống đơn giản, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

- Mã SM-OSTBC có bậc phân tập phát cao và có phẩm chất

lỗi bit tốt hơn một số loại mã không gian thời gian hiện có như VBLAST, SM, Alamouti, Ismail STBC... Bên cạnh đó, mã SM-OSTBC

còn cho phép tách sóng ML đơn giản. Vì vậy, mã SM-OSTBC

có thể là ứng viên để thay thế các mã hiện có như VBLAST hay Ismail STBC trong hệ thống MIMO với 4 ăng ten phát.

- Mã SM-OSTBC có thể được ứng dụng trong các

trường hợp yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao, phẩm chất tốt, sử dụng được với mọi loại điều chế và không yêu cầu giới hạn về số lượng máy thu phát RF, tức là số lượng máy thu phát RF có thể bằng với số lượng ăng- ten phát.

B. Hướng phát triển của luận án.

Các hướng phát triển tiếp theo của luận án có thể được xác định

như sau:

- Xây dựng các mã mới dựa trên các mã OSTBC có bậc phân tập

phát cao hơn.

- Nghiên cứu, nâng cao hơn nữa số lượng từ mã SC của mã HR-

STBC-SM bằng cách sử dụng các giá trị lớn hơn hoặc đề xuất

các véc-tơ gốc và mới.

- Xây dựng các mã mới dựa trên các mã khối không gian thời

gian hiện có như mã Golden Code, V-BLAST, v.v…

- Xây dựng các bộ mã khối không gian thời gian sai phân

(differential STBC).