Phân tập không gian-thời gian-tần số (STFC) trong hệ thống MIMO-OFDM

Nội dung text: Phân tập không gian-thời gian-tần số (STFC) trong hệ thống MIMO-OFDM

1. PHÂN TẬP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN-TẦN SỐ (STFC) TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM PGS.TS. Phạm Hồng Liên Giảng viên Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vũ Văn Quang Học viên Cao Học Đại học sư phạm kỹ thuật Tóm tắt: Hệ thống MIMO-OFDM hiện nay đã được biết như là một chuẩn cung cấp tốc độ, hiệu quả và chất lượng dịch vụ cao cho các hệ thống vô tuyến băng rộng thế hệ kế tiếp (như 4G). Bài báo này tập trung nghiên cứu việc mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC và STF dưới môi trường truyền dẫn fading Rayleigh. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC đã đạt được hiệu quả BER tốt hơn hệ thống MIMO- OFDM khi không sử dụng mã hóa STBC. Kết quả mô phỏng đã chứng mình được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi sử dụng mã STF được cải thiện hơn so với mã STBC và SFC. ABSTRACT MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next generation (4G) broadband wireless communication systems. This paper presents the methods of coding for MIMO-OFDM system models based on STBC, and STFC under Rayleigh fading channel. The simulation results show that the MIMO- OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system without STBC in BER performance. By the simulation results, we have demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes was improved more than the system which used STBC and SFC codes. I.Giới thiệu nhằm nâng cao độ lợi phân tập, cải thiện Trong hệ thống thông tin vô tuyến, tín hiệu dung lượng, do đó cải thiện được tốc độ kênh được truyền từ máy phát đến máy thu. Trong truyền. quá trình lan truyền, tín hiệu bị ảnh hưởng Hệ thống OFDM/MIMO cung cấp cả hai bởi các hiện tượng như: phản xạ, nhiễu xạ, và phân tập không gian và tần số. Để khai thác tán xạ. làm xấu đi các tín hiệu ban đầu, ảnh những lợi thế này, một loạt các mã STBC hưởng đến chất lượng của hệ thống. Trong (Space Time Block Code), STF/SF (Space những năm gần đây, với sự phát triển nhanh Time Frequency/Space Frequency) được đề chóng của các dịch vụ thông tin di động, dịch xuất[4 – 6] . Ở băng hẹp (narrowband), kênh vụ đa phương tiện trên internet và các ứng fading là không chọn lựa tần số, phương dụng truy nhập Internet trên các thiết bị di pháp mã hóa không gian-thời gian (ST) [2] động băng rộng đã hòi hỏi nhu cầu cấp đã được đề xuất để khai thác phân tập không thiết cần phải tối ưu hóa hệ thống vô tuyến, gian và thời gian. Còn ở broadband (băng
2. thông rộng) kênh fading là chọn lựa tần số. ss * ss 12 Tuy nhiên kỹ thuât điều chế OFDM được sử  12 * ss21 dụng để chuyển đổi các kênh chọn lựa tần số (1) sang tập hợp các kênh fading phẳng song Các tín hiệu thu được tại hai anten thu song, sử dụng hiệu quả băng tần và loại bỏ ứng với thời điểm t và t+T là r1, r2, r3, r4 và các thuật toán cân bằng phức tạp. Kết hợp được biểu diễn như sau: các ưu điểm của hệ thống MIMO và các ưu r h s h s n điểm của điều chế OFDM người ta cho ra đời 1 1 1 2 2 1 hệ thống MIMO-OFDM. Đây là một trong r h s h s n 2 2 2 2 1 2 (2) các giải pháp hứa hẹn cho các thế hệ thông tin không dây băng rộng trong tương lai. r h s h s n 3 3 1 4 2 3 Hiện tại, hệ thống MIMO-OFDM đã được r h s h s n chọn làm nền tảng cho sự phát triển hệ thống 4 3 2 4 1 4 thông tin di động thế hệ thứ tư - 4G [2]. Theo sơ đồ trên tín hiệu đưa đến bộ phát II. Mô hình hệ thống hiện tương đồng tối đa như sau: s h r h r h r h r 1 1 1 2 2 3 3 4 4 s h r h r h r h r 2 2 1 1 2 4 3 3 4 (3) Giải mã theo luật tương đồng tối đa ML cho s1 và s2 được xác định : sˆˆ arg min h2 h 2 h 2 h 2 1 s 2 Hình 1: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa 1 1 2 3 4 1 scˆ 1,sˆ 2 STBC/STFC 2  ˆ (4) d s11 ,s A. Mã hóa khối không gian-thời gian sˆˆ arg min h2 h 2 h 2 h 2 1 s 2 STBC 2 1 2 3 4 2 scˆ ˆ 1,s2 2  ˆ Phân tập không gian của hệ thống nhiều d s22 ,s anten đã đạt hiệu quả rất tốt trong việc chống B. Mã hóa không gian-tần số STFC lại ảnh hưởng của fading chon lọc tần số. STBC mã hóa các ký hiệu vào thành 2 nhóm. Vectơ symbol phát S dài Ns = NcNB được {s ,s } của mỗi nhóm sẽ được phát đồng thời NN 1 2 chia làm J khối ( J cc) [17, 18]. trong khoảng chu kỳ T. s được phát từ anten 1 NL N fc 1 và s2 được phát từ anten 2. Tương tự, -s*2 T sẽ được phát từ anten 1 và s*1 được phát từ TTT SSSS 12 J (5) anten 2. T Si sN N i 1 1 s N N i 1 2  s N N i fc B fc B fc B , i = 1, 2, , J (6) NNfc B Mỗi khối Si (Si A ) được mã hóa Hình 2: Sơ đồ mã hóa STBC tương ứng sang ma trận mã STF Bi
3. N NN A. Kết quả mô phỏng ( B C fc B ). Mã STF-rate 1 i NcB NN So sanh he thong MIMO-OFDM voi MIMO-STBC, dieu che QPSK C C có dạng sau: 0 10 MISO-OFDM-4x1 T TTT MIMO-OFDM-4x2 -1 CBBB 12 J (7) 10 MIMO-STBC 4x1 MIMO-STBC 4x2 -2 B1 (NfcxNNB) 10 S1 NcxNNB (NfcNNB) Ghép n IFF 1 -3 Block STF 10 Ns = T SER NcNNB C ố -4 i N 10 S ST FF FC T -5 BJ (NfcxNNB) 10 SJ (NfcNNB -6 Hình 3: Mã hóa STF-rate N 10 ) 0 5 10 15 20 25 Vì việc mã hóa STF trên các khối Bi là như SNR,(dB) nhau nên ta chỉ khảo sát trên 1 khối Bi. Hinh4: So sánh hệ thống MIMO-OFDM Phân tập phát Mã hóa LP khối Si tạo ra X dài NfcNB: i He thong SFC: thay doi so anten thu, dieu che QPSK X ΘS, i = 1, 2, , J (8) 0 i Nfc N B i 10 SF-rate 1 2x1 SF-rate 1 2x2 T -1 10 SF rate 1 2x3  XXXNNi 12 i  i fc B  ΘNN fc B (9) SF-rate 1 2x4 T -2 10 * s s sN N i Nfc N B i 1 1 N fc N B i 1 2 fc B -3 10 được chia tiếp thành NNB vector có chiều -4 10 dài L: Symbol Probability Error -5 T 10 TTT XXXXi  (10) i12 i iNNB -6 10 0 5 10 15 20 25 SNR,(dB) Xi L j 11 X  (11) ij Hình5: SER hệ thống MIMO-OFDM X Lj i STF phân tập thu Ma trận con mã STF-rate 1 phân tập đầy thứ i được cho như sau: Truong hop he thong STFC-rate 1: 2x2, nL , dieu che 4 psk 0 10 STF2x2-L=2 N NN BBBB NC fc B STF2x2-L=8 i 12 i i N i  (12) -1 B 10 STF2x2-L=16 X 0 0 -2 i, k 1 N 1 L L 10 0L X i, k 1 N 2  0 L NN fc -3 B NC (13) 10 ki     -4 0 0 X 10 L L i,1 k N N Symbol Probability Error -5 10 0L là vector cột số 0 chiều dài L. Mã này sẽ có thể đạt phân tập NML. -6 10 0 5 10 15 20 III Các kết quả mô phỏng SNR,(dB)
4. Hinh6: SER hệ thống MIMO-OFDM không đạt được phân tập đầy NMNBL. Tuy STFC phân tập tần số nhiên, mã STFC-rate 1&N có độ lợi phân tập He thong MIMO ma hoa STBC, SFC, STFC, dieu che 4 psk 0 lớn hơn STBC khi phát trên cùng hệ thống 10 STBC-2x2 2x2 và hiệu quả sử dụng phổ 2bit/s/Hz.Từ đó SF-rate1-2x2-L=8 -1 10 STF-rate1-2x2-NB=4-L=8 cho thấy, sử dụng mã STFC trong hệ thống MIMO-OFDM với thuật toán giải mã phù -2 10 hợp sẽ tốt hơn STBC. -3 10 Tài liệu tham khảo -4 10 [1] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Symbol Probability Error Young Yang, Chung-Gu Kang, “ MIMO- -5 10 OFDM Wireless Communications With -6 Matlab “ John Wiley & Son ( Asia ) Pte 10 0 5 10 15 20 Ltd©2010 SNR,(dB) Hình7: So sánh hệ thống MIMO-OFDM [2] ZHANG jie, LIU liang, LI jin “ mã hóa STBC/STFC Performance analysis of space time block code in MIMO-OFDM systems “ 978-1- B. Nhận xét 61284-486-2/11/$26.00 ©2011 Từ hình 4 ta thấy khi tăng số anten phát, độ lợi phân tập tăng lên rõ rệt. Tại 10-3 dB, SNR [3] ] W. Zhang, X. G. Xia, and P. C. Ching, của hệ thống MIMO-OFDM-STBC 4x2 tốt High-Rate Full-Diversity Space-Time- hơn MIMO-OFDM-STBC 4x1 khoảng Frequency Codes for Broadband MIMO 7,135dB. Hình 5 là kết quả mô phỏng hệ Block-Fading Channels, IEEE Transactions thống MIMO-OFDM sử dụng mã SFC phân on Communications, vol. 55, no. 1, pp. 25– tập thu. Tại 10-3 dB, SNR của hệ thống 34, 2007 MIMO-OFDM-SFC 2x4 tốt hơn MIMO- [4] Imran Khan, Shujaat Ali Khan OFDM-STBC 2x1 khoảng 17,569 dB. Kết Tanoli,and Nandana Rajatheva, Capacity quả mô phỏng trên hình 6 cho thấy hệ thống and performance analysis of space time phân tập tần số có độ lợi sẽ tăng theo số block code MIMO-OFDM system over đường fading. Rician fading channel, World academy of Hình 7 so sánh SER giữa hệ thống MIMO- Sience, Engineering and Technology OFDM mã hóa STBC, mã hóa SFC và hệ 46.2008 thống MIMO-OFDM mã hóa STFC. Kết quả [5] V. Tarokh, N. Seshadri, and A. R. khi sử dụng mã STFC là tốt nhất, đạt Calderbank, “Space-time codes forhigh data 1,037dB so với mã STBC và khoảng rate wireless communication: Performance 3,384dB so với mã SFC. criteria and codeconstruction,” IEEE Trans. IV Kết luận Inform. Theory, Mar. 1998. Từ kết quả mô phỏng, ta thấy hệ thống [6] M. Alamouti, "A simple transmitdiversity MIMO khi chưa mã hóa chỉ đạt được phân technique for wireless communications", tập thu, còn khi mã hóa với STBC thì đạt IEEE JSAC, Vol. 16, No.8, October 1998. được phân tập đầy NM. Hệ thống MIMO- OFDM với mã hóa SF, STF-rate 1&N, do thuật toán giải mã MMSE không tối ưu, đã
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.