Xem mẫu
- CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014
TỶ LỆ LỖI BIT TRONG HỆ THÔNG TIN MIMO - OFDM QUA KÊNH RAYLEIGH
BIT ERROR RATE OF MIMO – OFDM COMMUNICATION SYSTEMS OVER
THE RAYLEIGH CHANNEL
ThS. NGUYỄN THANH VÂN
Khoa Điện – ĐT, Trường ĐHHH Việt Nam
ThS. LƯƠNG THỊ MINH THÚY
Đại học Khoa học Tự nhiên
ThS. PHÍ THỊ NHƯỜNG
Học viện An Ninh
Tóm tắt
Kỹ thuật MIMO với nhiều ăng ten ở cả phần phát và phần thu là một giải pháp hiệu quả
cải thiện dung lượng hệ thống. OFDM là kỹ thuật thường dùng để giảm fading gây ra bởi
kênh truyền. Trong bài này, chúng tôi xét tỷ lệ lỗi bit (BER) theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu
(SNR) của hệ thống MIMO – OFDM sử dụng kỹ thuật mã hóa không - thời gian (STBC)
với điều chế QAM và so sánh với hệ thống OFDM. Kết quả cho thấy chất lượng của hệ
thống MIMO – OFDM cao hơn.
Abstract
MIMO technique with multiple antennas at both transmitter and receiver is effective
solution to improve the system capacity . OFDM is a popular technique for mitigating
channel fading. In this paper we analyze BER versus SNR of MIMO – OFDM system
using STBC technique with QAM modulation and compare with OFDM system. The
results show that the MIMO – OFDM system is better .
Keywords: MIMO - OFDM system, QAM modulation, Space Time Block Code STBC.
1. Đặt vấn đề
Hệ thống thông tin di động luôn luôn phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về
tốc độ, sự tin cậy và dịch vụ đa dạng [3], [6]. OFDM đã được ứng dụng trong truyền hình số mặt
đất DVB-T, thông tin hữu tuyến DSL, thông tin vô tuyến IEEE 802.11a/g/n... MIMO cũng đã được
sử dụng trong 3G. Việc kết hợp MIMO – OFDM để phát huy những ưu điểm của chúng nhằm dùng
trong các thế hệ tiếp sau: 4G, IEEE 802.16… đã có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm với hệ này,
chẳng hạn như: [7] nghiên cứu về chất lượng hệ MIMO – OFDM dùng điều chế BPSK. Phần
nghiên cứu của chúng tôi về hệ MIMO – OFDM trong đó chú ý đến xét tỷ lệ lỗi bit (BER) phụ thuộc
vào SNR qua môi trường fading Rayleigh dùng điều chế QAM và STBC nhằm đánh giá chất lượng
của hệ thống này.
2. Nội dung, phương pháp và mục đích nghiên cứu
2.1. Nội dung
MIMO-OFDM là sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO và OFDM để lợi dụng các ưu điểm như:
hiệu suất phổ cao, độ lợi phân tập ăng ten lớn nên thích hợp cho môi trường đòi hỏi hệ thống băng
rộng, chịu fading đa đường, phụ thuộc tấn số [2].
Một chuỗi tín hiệu đầu vào sẽ được khối MIMO (điều chế và mã hoá) thành các dãy tín hiệu
riêng biệt. Từng dãy tín hiệu này sẽ được đưa vào khối phát OFDM tương ứng để chuyển thành
các tín hiệu MIMO-OFDM băng gốc. Sau đó được đưa đến khối TX để chuyển thành tín hiệu cao
tần (khi cần thiết) và truyền đi qua các ăng ten. Ngược lại với khối phát, ở khối thu sẽ giải mã và
tổng hợp các dãy tín hiệu thành chuỗi tín hiệu ban đầu.
Trong thực tế hệ MIMO thường dùng khối STBC (Space Time Block Code) - một kỹ thuật
được sử dụng để truyền nhiều phiên bản của dòng dữ liệu qua nhiều anten và sử dụng các phiên
bản của dữ liệu nhận khác nhau để nâng cao chất lượng tín hiệu nhận [8]. Dữ liệu sẽ được truyền
trong các khối đã được mã hoá và chúng được phân phối qua các ăng ten trong không gian theo
thời gian [4].
Về mặt toán học để đơn giản ta xét trường hợp 2 ăng ten phát và 2 ăng ten thu dùng STBC
(kiểu Alamouti) với hệ OFDM gồm NC sóng mang. Dữ liệu ban đầu được đưa vào bộ STBC từng
khối gồm 2NC ký hiệu x1, x2,…, x2NC .
Ở lối ra bộ mã hóa STBC ký hiệu được sắp xếp lại thành 2 luồng:
32 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014
- CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014
Luồng 1: x1, -x2*…,x2k-1, -x2k*…, x2NC-1, -x2NC*
Luồng 2: x2, x1*…,x2k, x2k-1*…,x2NC, x2NC-1*
Các luồng tín hiệu này được đưa đến hệ thống phát OFDM với các kỹ thuật cần thiết để
phát ra ăng ten. Tín hiệu thu được từ ăng ten qua hệ thống thu OFDM với các kỹ thuật cần thiết
được tách ra thành 2 luồng:
Luồng 1: y1,1, y1,2….y1,2NC
Luồng 2: y2,1, y2,2….y2,2NC
Các luồng tín hiệu này được đưa đến bộ giải mã nếu kênh truyền đã biết. Trong trường hợp
kênh truyền không biết phải chèn tín hiệu pilot theo quy tắc trực giao để tại nơi thu tín hiệu nhận
được chỉ do 1 ăng ten phát. Như vậy, nhờ tín hiệu pilot xác định được kênh truyền.
Nhờ đó việc giải mã được thực hiện cùng một lúc với 4 tín hiệu ở 2 chu kỳ liên tiếp tại ăng
ten thu [1] qua bộ tổ hợp với:
2 2 2
hi, j h
2 *
x1 = x1 + j ,1 W1j + h j ,2 (W2j ) * (1)
i 1 j 1 j 1
2 2 2
h j ,i h
2
x2 = x2 +
*
j ,2 W1j - h j ,2 (W2j ) * (2)
i 1 j 1 j 1
Trong đó: W ij tập âm Gauss, trung bình bằng 0, có giá trị ngẫu nhiên nên các thành phần thứ
hai trong (1) và (2) sẽ tự bù trừ phần lớn, còn các thành phần thứ nhất sẽ được tăng cường.
Việc quyết định tín hiệu ban đầu đã phát theo nguyên lý hợp lý nhất ML (Maximum
Likelihood) khi biết x1 và x2 .
2
xˆ1 arg min{[ ( h j ,1 h j ,2 ) 1] x1 d 2( x1 , xˆ1 )}
2 2 2
(3)
xˆ1s
j 1
2
xˆ2 arg min{[ ( h j ,1 h j ,2 ) 1] x2 d 2( x2 , xˆ 2 )}
2 2 2
(4)
xˆ2 s
j 1
Trong đó: S là tập tín hiệu xét, d: là khoảng cách Euclide giữa x và xˆ .
Cuối cùng ta thu được 2NC ký hiệu : xˆ1 ,…, xˆ2 Nc
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ MIMO – OFDM dùng trong mô phỏng
2.2. Phương pháp thực hiện, mục đích
Thực hiện chương trình mô phỏng dùng ngôn ngữ Matlab [5] cho hệ thống OFDM và MIMO-
OFDM, trong đó MIMO (dùng STBC) qua kênh truyền fading Rayleigh với điều chế 16QAM. Hiệu
năng của hai hệ thống được đánh giá thông qua đồ thị BER theo SNR.
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 33
- CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014
3. Kết quả Hình 3.1. Giản đồ chòm sao tín hiệu 16 QAM (bên trái: phát, bên phải: thu)
Hình 3.1. Giản đồ chòm sao tín hiệu 16 QAM (bên trái: phát, bên phải: thu)
Hình 3.2. So sánh hiệu năng của hệ thống OFDM và MIMO - OFDM
Kết quả cho thấy với điều chế QAM thì tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống MIMO - OFDM nhỏ hơn
đáng kể so với OFDM.
4. Kết luận và hướng phát triển
Hệ thống MIMO - OFDM rõ ràng là có hiệu năng tốt hơn (phức tạp hơn). Hướng phát triển
sẽ là tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số khác lên hệ thống và nghiên cứu hệ MIMO quy mô lớn
(Massive - MIMO) kết hợp với OFDM.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Branka Vucetic & Jinhong Yuan, “Space-time coding”, 2003.
[2] John R.Barry, “Broadband MIMO OFDM wireless communications”, 2004.
[3] ThS. Lê Văn Ninh, PGS. TS. Nguyễn Viết Kính, “Đồng bộ tần số trong miền tần số cho OFDM”,
chuyên san Các công trình nghiên cứu – triển khai viễn thông và công nghệ thông tin, pp.29-34.
[4] ThS. Nguyễn Anh Tuấn, “Phương pháp mã hóa không gian thời gian trong các hệ thống MIMO
và một số hướng nghiên cứu”, bài báo trình tại hội nghị khoa học lần thứ VI.
[5] Phạm Hồng Liên, Đăng Ngọc Khoa, Trần Thanh Phương, “Matlab và ứng dụng trong Viễn
Thông”, Nhà xuất bản Đại Học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh 2006.
[6] TS. Phan Hồng Phương, KS. Lâm Chi Thương, “Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung
lượng hệ thống MIMO”, bài báo năm 2004.
[7] Shruti Trivedi Mohd. Sarwar Raeen , Shalendra Singh pawar, “BER Analysis of MIMO-OFDM
System using BPSK Modulation Scheme”, International Journal of Advanced Computer
Research, September - 2012.
[8] Vahid Tarokh, Hamid Jafarkhani, and A. R. Calderbank, "Space–time block code from
orthogonal designs", IEEE Transactions on Information Theory : 744–765, July 1999.
Người phản biện: TS. Trần Xuân Việt
34 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014
nguon tai.lieu . vn
