Đang tải... (xem toàn văn)
Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu sơ đồ thực thi của hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với mã khối không gian-thời gian (STBC) Alamouti 2x1, hay còn gọi là sơ đồ Alamouti 2x1 STBC-OFDM.
Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Hồng Quang Trung cs 78(02): 105 - 108 PHẨM CHẤT CỦA HỆ THỐNG ALAMOUTI STBC-OFDM TRONG MƠI TRƢỜNG FADING ĐA ĐƢỜNG Hồng Quang Trung1*, Vũ Đức Hiệp2 Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái Nguyên, 2Học viện Kỹ thuật Quân TĨM TẮT Gần đây, có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất sơ đồ truyền dẫn nhằm nâng cao phẩm chất hệ thống thông tin vô tuyến Trong viết này, giới thiệu sơ đồ thực thi hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với mã khối không gian-thời gian (STBC) Alamouti 2x1, hay gọi sơ đồ Alamouti 2x1 STBC-OFDM Trên sở đó, chúng tơi tiến hành tách tín hiệu máy thu phƣơng pháp MLD Với mơ hình hệ thống đƣợc đƣa trên, nhiễu ISI gây hiệu ứng đa đƣờng bị loại bỏ Kết mô Matlab cho thấy tham số phẩm chất hệ thống tỷ số lỗi bit (BER) dựa sơ đồ tốt hẳn so với sơ đồ Alamouti 2x1 đơn giản ta xét mơi trƣờng truyền dẫn có fading đa đƣờng Từ khóa: stbc, ofdm, Sơ đồ Alamouti, Hệ thống Stbc-Ofdm, ISI GIỚI THIỆU * Ghép kênh theo tần số trực giao (OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing) mã khối không gian – thời gian (STBCSpace-Time Block Code) kỹ thuật sử dụng truyền dẫn đƣợc nhiều ngƣời quan tâm lợi ích có đƣợc ứng dụng truyền thông vô tuyến OFDM hỗ trợ khả đạt đƣợc tốc độ liệu cao cách phân bổ luồng liệu nối tiếp vào N luồng liệu tốc độ thấp song song tƣơng ứng đƣợc phát N sóng mang phụ trực giao Trong trƣờng hợp N đủ lớn khoảng thời gian bảo vệ an tồn, kênh ứng với sóng mang phụ gần nhƣ phẳng theo tần số cho phép thực điều chế bậc cao [3] Do khả số lợi ích hấp dẫn khác, OFDM đƣợc ứng dụng nhiều hệ thống truyền thông thƣơng mại Mã khối không gian – thời gian (STBC) kỹ thuật truyền thông dành cho hệ thống vô tuyến, thực phân tập theo không gian (và tăng độ lợi mã hóa) cách tạo tƣơng quan thời gian * Tel: 0904055956; Email: hoangquangtrung@yahoo.com không gian vào tín hiệu đƣợc phát từ anten phát khác Sơ đồ thực mã khối không gian – thời gian điển hình sơ đồ Alamouti, cho phép thực phân tập đầy đủ với hai anten phát Tuy nhiên với sơ đồ Alamouti, nhiễu ký hiệu ISI (Intersymbol Interference) máy thu chƣa đƣợc loại bỏ, làm ảnh hƣởng tới phẩm chất BER hệ thống Chính ý tƣởng kết hợp OFDM với mã STBC tạo hệ thống truyền dẫn thực tối ƣu Dƣới ta nghiên cứu hệ thống nhƣ MƠ HÌNH HỆ THỐNG Trong hệ thống Alamouti STBC-OFDM (dựa [3] đƣợc thể hình a), sơ đồ Alamouti đƣợc thực thơng qua hai ký hiệu OFDM liên tiếp sóng mang phụ Trƣớc tiên, khối gồm N ký hiệu thông tin lối vào đƣợc chuyển đổi từ dạng nối tiếp sang song song để tạo thành chuỗi véc-tơ Ds Ds 0 , Ds 1 ,, Ds N 1 , đó, N đƣợc giả thiết với độ dài biến đổi IFFT điều chế OFDM bội 2, s số ký hiệu OFDM Đặt X l , m k , l 1,2, m s, s 1, k 0,1, , N 1biểu diễn cho ký hiệu mã 105 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hoàng Quang Trung cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ khơng gian – thời gian đƣợc phát sóng mang phụ thứ k anten phát thứ l khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m Bộ mã hóa A-STBC-OFDM tạo ký hiệu X l ,m k nhƣ sau: 78(02): 105 - 108 X 1,s k X1,s 1 k Ds k Ds*1 k * X 2,s k X 2,s1 k Ds1 k Ds k (1) x* biểu diễn liên hợp phức x a Sơ đồ thực thi phát Alamouti STBC-OFDM b Sơ đồ thực thi thu Alamouti STBC-OFDM Bây biểu diễn véc-tơ đầu mã hóa Alamouti-STBC-OFDM Xl ,m X l ,m 0 , X l ,m 1 ,, X l ,m N 1 cho chu kỳ ký hiệu m s, s , để đƣa tới hai khối chuyển đổi IFFT tƣơng ứng với anten phát l l đƣợc viết nhƣ sau: X1,s Ds 0 , Ds 1 , , Ds N 1 X 2,s Ds 1 0 , Ds 1 1 , , Ds 1 N 1 X1,s 1 D*s 1 0 , D*s 1 1 , , D*s 1 N 1 X 2,s 1 D*s 0 , D*s 1 , , D*s N 1 (2) Tiếp theo, ta đặt xl ,m xl ,m 0 , xl ,m 1 ,, xl ,m N 1 , m s, s 1, l 1,2 biểu diễn véc-tơ đầu n 0,1,, N Trong đó, WNm e , toán tử biểu diễn phép lấy liên hợp phức Cần ý bốn toán tử IFFT đƣợc thực để tạo tín hiệu điều chế OFDM cho chu kỳ s s+1 hai anten Sau đó, xl ,m đƣợc chèn thêm vào mã bảo vệ CP (Cyclic Prefix) có độ dài C để để phát anten thứ l khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m Q trình tách tín hiệu máy thu đƣợc thực ngƣợc lại so với trình thực máy phát, theo sơ đồ hình b) Giả sử kênh fading đa đƣờng anten phát anten thu gồm p thành phần đa đƣờng j 2 m N p 0,1,, P 1 , có biên độ l ,m p độ trễ p.Ts Để đơn giản, ta giả thiết Ts có kênh đƣợc biểu diễn thành khối IFFT, để đƣa tới chuyển đổi song song sang nối tiếp, đƣợc xác định [1]: N 1 xl , m n X l,m k WNnk , (3) N k 0 P 1 hl ,m n l ,m p n p (4) p 0 đó, hàm xung Dirac Do đó, phía thu, tín hiệu thu đƣợc có thêm trễ kênh 106 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Hồng Quang Trung cs H 2,s k H 2,s1 k k ym n hl ,m n xl ,m n zm n l 1 (5) P 1 l ,m p xl ,m n p zm n Do đó: l 1 p 0 Trong đó, zm n tạp âm Gauss ngẫu nhiên TÁCH TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG ALAMOUTI STBC-OFDM Nếu độ dài C mã bảo vệ CP đƣợc chọn dài so với trải trễ lớn max ( P 1) sau loại bỏ CP, tín hiệu ym n thu l 1 Trong N 1 j 2 kn N (7) n 0 N 1 Z m k zm n e j 2 kn N (8) n 0 Biểu thức (6) đƣợc viết lại dƣới dạng ma trận nhƣ sau: Y k H k X k Z k (9) (15) H H k H k X k H H k Z k 1 k k 2 X k H k X k Trong X H k Z k T X k Tín hiệu đƣợc tách thơng qua luật định: Xl k arg X l k X l k , l 1, 2 (16) X CM 1 k k đáp ứng tần số kênh truyền anten phát thứ l anten thu chu kỳ ký hiệu thứ m Và Z m k tạp âm Gauss miền tần số (14) k H H k Y k X Ym k X l ,m k H l ,m k Z m k (6) k k H k 1* * k 1 k Tín hiệu lối chuyển đổi FFT đƣợc đƣa vào giải mã không gian-thời gian Alamouti STBC-OFDM Sử dụng phƣơng pháp MLD (Maximum Likelihook Decoding) [2], ta nhận đƣợc: đƣợc sóng mang thứ k qua chuyển đổi nối tiếp-song song sau đƣợc cho qua biến đổi FFT có dạng: H l ,m k hl ,m n e 78(02): 105 - 108 CM chòm tín hiệu KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB Kết mô dƣới chủ yếu tập trung vào đánh giá phẩm chất BER hệ thống Alamouti 2x1 STBC-OFDM mơi trƣờng có fading đa đƣờng để thấy đƣợc ƣu điểm bật so với hệ thống dựa sơ đồ Almouti 2x1 không sử dụng kỹ thuật OFDM Trong BER Comparison of Almouti and Alamouti-Ofdm Schemes in Multipath Fading Environment -1 10 X k X1 k X k Y k Y1 k Y2* k Z k Z1 k Z k * -2 10 (10) -3 10 T (11) Average BER H k H 2,s k H k *1,s * H 2,s 1 k H1,s 1 k Alamouti-Ofdm Scheme Alamouti Scheme T -5 10 (12) T -6 10 (13) -7 10 Giả sử kênh fading chậm, ta có: H1,s k H1,s1 k 1 k -4 10 10 Eb/No 12 14 16 18 20 Hình So sánh phẩm chất BER hai hệ thống Alamouti-ofdm Almouti 107 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn Hồng Quang Trung cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Kết mơ đƣợc thực với tham số: Độ dài liệu: 2048 Số kênh con: 128 Số kênh đa đƣờng: Dựa kết mô ta nhận thấy phẩm chất BER hai sơ đồ giống u cầu tỷ số cơng suất tín hiệu tạp âm (SNR) thấp Tuy nhiên với mức yêu cầu (SNR) cao sơ đồ Alamouti STBCOFDM cho kết tốt so với sơ đồ Alamouti đơn giản xét môi trƣờng fading đa đƣờng Nhƣ có nghĩa hiệu ứng fading đa đƣờng gây nhiễu ISI (Intersymbol Interference) làm ảnh hƣởng đến q trình tách tín hiệu máy thu trƣờng hợp sử dụng sơ đồ Alamouti 2x1 Do đó, nhƣ sử dụng mã khối STBC kỹ thuật OFDM hệ thống có đƣợc ƣu điểm độ lợi phân tập khắc phục đƣợc ISI dẫn tới phẩm chất hệ thống tốt 78(02): 105 - 108 KẾT LUẬN Trong báo này, giới thiệu mơ hình hệ thống Alamouti 2x1 STBC-OFDM Trên sở đó, đƣa đƣợc mơ hình toán học để thực thi hệ thống xét mơi trƣờng có fading đa đƣờng thực tách tín hiệu cách sử dụng phƣơng pháp MLD Ngồi ra, mô matlab để đánh giá tham số phẩm chất hệ thống BER sơ đồ dựa mơ hình hệ thống so sánh với hệ thống STBC đơn giản Alamouti 2x1 mơi trƣờng truyền dẫn có fading đa đƣờng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Quách Tuấn Ngọc (1999), Xử lý tín hiệu số, Nxb Giáo dục [2].Branka Vucetic (2003), Space-Time Coding, University of Sydney, Australia [3].Jooyeol Yang and Kyungwhoon Cheun (2004), “Complexity Implementation of Alamouti SpaceTime Coded OFDM Transmitters”, IEEE communications letters, Vol 8, No 4, SUMMARY THE PERFORMANCE OF ALAMOUTI STBC-OFDM SYSTEM IN A MULTIPATH FADING ENVIRONMENT Hoang Quang Trung* Faculty of Information Technology, Thai Nguyen University Vu Duc Hiep Academy of Military Engineering Recently, there have been many researchs for proposing transmission schemes for improving the performance of wireless communication systems In this paper, we present the implementing scheme of a system using orthogonal frequency division multiplexing technique combined with space-time block code, it is also called Alamouti 2x1 STBC-OFDM system Then we give MLD method for detecting signal at receiver By implementing this system, we can cancel ISI Simulation result by matlab program showed that this scheme provides better BER performance in the multipath fading environment than the Alamouti 2x1 STBC scheme Key words: space-time block code, orthogonal frequency division multiplexing, Alamouti scheme, Alamouti stbc-ofdm system, Intersymbol Interference * Tel: 0904055956; Email: hoangquangtrung@yahoo.com 108 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... diễn liên hợp phức x a Sơ đồ thực thi phát Alamouti STBC- OFDM b Sơ đồ thực thi thu Alamouti STBC- OFDM Bây biểu diễn véc-tơ đầu mã hóa Alamouti- STBC- OFDM Xl ,m X l ,m 0 , X l ,m 1 ,,... mơ matlab để đánh giá tham số phẩm chất hệ thống BER sơ đồ dựa mơ hình hệ thống so sánh với hệ thống STBC đơn giản Alamouti 2x1 mơi trƣờng truyền dẫn có fading đa đƣờng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Quách... dụng sơ đồ Alamouti 2x1 Do đó, nhƣ sử dụng mã khối STBC kỹ thuật OFDM hệ thống có đƣợc ƣu điểm độ lợi phân tập khắc phục đƣợc ISI dẫn tới phẩm chất hệ thống tốt 78(02): 105 - 108 KẾT LUẬN Trong báo