Tỷ lệ lỗi bit trong hệ thông tin MIMO – OFDM qua kênh Rayleigh

CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014<br /> <br /> <br /> TỶ LỆ LỖI BIT TRONG HỆ THÔNG TIN MIMO - OFDM QUA KÊNH RAYLEIGH<br /> BIT ERROR RATE OF MIMO – OFDM COMMUNICATION SYSTEMS OVER<br /> THE RAYLEIGH CHANNEL<br /> ThS. NGUYỄN THANH VÂN<br /> Khoa Điện – ĐT, Trường ĐHHH Việt Nam<br /> ThS. LƯƠNG THỊ MINH THÚY<br /> Đại học Khoa học Tự nhiên<br /> ThS. PHÍ THỊ NHƯỜNG<br /> Học viện An Ninh<br /> Tóm tắt<br /> Kỹ thuật MIMO với nhiều ăng ten ở cả phần phát và phần thu là một giải pháp hiệu quả<br /> cải thiện dung lượng hệ thống. OFDM là kỹ thuật thường dùng để giảm fading gây ra bởi<br /> kênh truyền. Trong bài này, chúng tôi xét tỷ lệ lỗi bit (BER) theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu<br /> (SNR) của hệ thống MIMO – OFDM sử dụng kỹ thuật mã hóa không - thời gian (STBC)<br /> với điều chế QAM và so sánh với hệ thống OFDM. Kết quả cho thấy chất lượng của hệ<br /> thống MIMO – OFDM cao hơn.<br /> Abstract<br /> MIMO technique with multiple antennas at both transmitter and receiver is effective<br /> solution to improve the system capacity . OFDM is a popular technique for mitigating<br /> channel fading. In this paper we analyze BER versus SNR of MIMO – OFDM system<br /> using STBC technique with QAM modulation and compare with OFDM system. The<br /> results show that the MIMO – OFDM system is better .<br /> Keywords: MIMO - OFDM system, QAM modulation, Space Time Block Code STBC.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Hệ thống thông tin di động luôn luôn phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về<br /> tốc độ, sự tin cậy và dịch vụ đa dạng [3], [6]. OFDM đã được ứng dụng trong truyền hình số mặt<br /> đất DVB-T, thông tin hữu tuyến DSL, thông tin vô tuyến IEEE 802.11a/g/n... MIMO cũng đã được<br /> sử dụng trong 3G. Việc kết hợp MIMO – OFDM để phát huy những ưu điểm của chúng nhằm dùng<br /> trong các thế hệ tiếp sau: 4G, IEEE 802.16… đã có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm với hệ này,<br /> chẳng hạn như: [7] nghiên cứu về chất lượng hệ MIMO – OFDM dùng điều chế BPSK. Phần<br /> nghiên cứu của chúng tôi về hệ MIMO – OFDM trong đó chú ý đến xét tỷ lệ lỗi bit (BER) phụ thuộc<br /> vào SNR qua môi trường fading Rayleigh dùng điều chế QAM và STBC nhằm đánh giá chất lượng<br /> của hệ thống này.<br /> 2. Nội dung, phương pháp và mục đích nghiên cứu<br /> 2.1. Nội dung<br /> MIMO-OFDM là sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO và OFDM để lợi dụng các ưu điểm như:<br /> hiệu suất phổ cao, độ lợi phân tập ăng ten lớn nên thích hợp cho môi trường đòi hỏi hệ thống băng<br /> rộng, chịu fading đa đường, phụ thuộc tấn số [2].<br /> Một chuỗi tín hiệu đầu vào sẽ được khối MIMO (điều chế và mã hoá) thành các dãy tín hiệu<br /> riêng biệt. Từng dãy tín hiệu này sẽ được đưa vào khối phát OFDM tương ứng để chuyển thành<br /> các tín hiệu MIMO-OFDM băng gốc. Sau đó được đưa đến khối TX để chuyển thành tín hiệu cao<br /> tần (khi cần thiết) và truyền đi qua các ăng ten. Ngược lại với khối phát, ở khối thu sẽ giải mã và<br /> tổng hợp các dãy tín hiệu thành chuỗi tín hiệu ban đầu.<br /> Trong thực tế hệ MIMO thường dùng khối STBC (Space Time Block Code) - một kỹ thuật<br /> được sử dụng để truyền nhiều phiên bản của dòng dữ liệu qua nhiều anten và sử dụng các phiên<br /> bản của dữ liệu nhận khác nhau để nâng cao chất lượng tín hiệu nhận [8]. Dữ liệu sẽ được truyền<br /> trong các khối đã được mã hoá và chúng được phân phối qua các ăng ten trong không gian theo<br /> thời gian [4].<br /> Về mặt toán học để đơn giản ta xét trường hợp 2 ăng ten phát và 2 ăng ten thu dùng STBC<br /> (kiểu Alamouti) với hệ OFDM gồm NC sóng mang. Dữ liệu ban đầu được đưa vào bộ STBC từng<br /> khối gồm 2NC ký hiệu x1, x2,…, x2NC .<br /> Ở lối ra bộ mã hóa STBC ký hiệu được sắp xếp lại thành 2 luồng:<br /> <br /> 32 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014<br />  CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014<br /> <br /> <br /> Luồng 1: x1, -x2*…,x2k-1, -x2k*…, x2NC-1, -x2NC*<br /> Luồng 2: x2, x1*…,x2k, x2k-1*…,x2NC, x2NC-1*<br /> Các luồng tín hiệu này được đưa đến hệ thống phát OFDM với các kỹ thuật cần thiết để<br /> phát ra ăng ten. Tín hiệu thu được từ ăng ten qua hệ thống thu OFDM với các kỹ thuật cần thiết<br /> được tách ra thành 2 luồng:<br /> Luồng 1: y1,1, y1,2….y1,2NC<br /> Luồng 2: y2,1, y2,2….y2,2NC<br /> Các luồng tín hiệu này được đưa đến bộ giải mã nếu kênh truyền đã biết. Trong trường hợp<br /> kênh truyền không biết phải chèn tín hiệu pilot theo quy tắc trực giao để tại nơi thu tín hiệu nhận<br /> được chỉ do 1 ăng ten phát. Như vậy, nhờ tín hiệu pilot xác định được kênh truyền.<br /> Nhờ đó việc giải mã được thực hiện cùng một lúc với 4 tín hiệu ở 2 chu kỳ liên tiếp tại ăng<br /> ten thu [1] qua bộ tổ hợp với:<br /> 2 2 2<br /> <br />  hi, j h<br /> 2 *<br /> x1 = x1 + j ,1 W1j + h j ,2 (W2j ) * (1)<br /> i 1 j 1 j 1<br /> 2 2 2<br /> <br />  h j ,i h<br /> 2<br /> x2 = x2 +<br /> *<br /> j ,2 W1j - h j ,2 (W2j ) * (2)<br /> i 1 j 1 j 1<br /> Trong đó: W ij tập âm Gauss, trung bình bằng 0, có giá trị ngẫu nhiên nên các thành phần thứ<br /> hai trong (1) và (2) sẽ tự bù trừ phần lớn, còn các thành phần thứ nhất sẽ được tăng cường.<br /> Việc quyết định tín hiệu ban đầu đã phát theo nguyên lý hợp lý nhất ML (Maximum<br /> Likelihood) khi biết x1 và x2 .<br /> 2<br /> xˆ1  arg min{[ ( h j ,1  h j ,2 )  1] x1  d 2( x1 , xˆ1 )}<br /> 2 2 2<br /> (3)<br /> xˆ1s<br /> j 1<br /> 2<br /> xˆ2  arg min{[ ( h j ,1  h j ,2 )  1] x2  d 2( x2 , xˆ 2 )}<br /> 2 2 2<br /> (4)<br /> xˆ2 s<br /> j 1<br /> <br /> Trong đó: S là tập tín hiệu xét, d: là khoảng cách Euclide giữa x và xˆ .<br /> Cuối cùng ta thu được 2NC ký hiệu : xˆ1 ,…, xˆ2 Nc<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ MIMO – OFDM dùng trong mô phỏng<br /> 2.2. Phương pháp thực hiện, mục đích<br /> Thực hiện chương trình mô phỏng dùng ngôn ngữ Matlab [5] cho hệ thống OFDM và MIMO-<br /> OFDM, trong đó MIMO (dùng STBC) qua kênh truyền fading Rayleigh với điều chế 16QAM. Hiệu<br /> năng của hai hệ thống được đánh giá thông qua đồ thị BER theo SNR.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 33<br />  CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014<br /> <br /> <br /> 3. Kết quả Hình 3.1. Giản đồ chòm sao tín hiệu 16 QAM (bên trái: phát, bên phải: thu)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3.1. Giản đồ chòm sao tín hiệu 16 QAM (bên trái: phát, bên phải: thu)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3.2. So sánh hiệu năng của hệ thống OFDM và MIMO - OFDM<br /> <br /> Kết quả cho thấy với điều chế QAM thì tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống MIMO - OFDM nhỏ hơn<br /> đáng kể so với OFDM.<br /> 4. Kết luận và hướng phát triển<br /> Hệ thống MIMO - OFDM rõ ràng là có hiệu năng tốt hơn (phức tạp hơn). Hướng phát triển<br /> sẽ là tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số khác lên hệ thống và nghiên cứu hệ MIMO quy mô lớn<br /> (Massive - MIMO) kết hợp với OFDM.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Branka Vucetic & Jinhong Yuan, “Space-time coding”, 2003.<br /> [2] John R.Barry, “Broadband MIMO OFDM wireless communications”, 2004.<br /> [3] ThS. Lê Văn Ninh, PGS. TS. Nguyễn Viết Kính, “Đồng bộ tần số trong miền tần số cho OFDM”,<br /> chuyên san Các công trình nghiên cứu – triển khai viễn thông và công nghệ thông tin, pp.29-34.<br /> [4] ThS. Nguyễn Anh Tuấn, “Phương pháp mã hóa không gian thời gian trong các hệ thống MIMO<br /> và một số hướng nghiên cứu”, bài báo trình tại hội nghị khoa học lần thứ VI.<br /> [5] Phạm Hồng Liên, Đăng Ngọc Khoa, Trần Thanh Phương, “Matlab và ứng dụng trong Viễn<br /> Thông”, Nhà xuất bản Đại Học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh 2006.<br /> [6] TS. Phan Hồng Phương, KS. Lâm Chi Thương, “Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung<br /> lượng hệ thống MIMO”, bài báo năm 2004.<br /> [7] Shruti Trivedi Mohd. Sarwar Raeen , Shalendra Singh pawar, “BER Analysis of MIMO-OFDM<br /> System using BPSK Modulation Scheme”, International Journal of Advanced Computer<br /> Research, September - 2012.<br /> [8] Vahid Tarokh, Hamid Jafarkhani, and A. R. Calderbank, "Space–time block code from<br /> orthogonal designs", IEEE Transactions on Information Theory : 744–765, July 1999.<br /> <br /> Người phản biện: TS. Trần Xuân Việt<br /> <br /> <br /> <br /> 34 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014<br />