Bài giảng Thông tin vô tuyến - Chương 3: Ứng dụng mã khối không gian và thời gian (STBC) trong OFDM

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÃ KHỐI KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN (STBC) TRONG OFDM
I.Giới thiệu về Alamouti:
1.1. Giới thiệu:
Các thế hệ tiếp theo của wireless yêu cầu chất lượng tốt hơn, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Hoạt động tốt trong những môi trường khác nhau như: vi mô, vĩ mô, tế bào; thành phố lớn, thành phố nhỏ, nông thôn; ở trong nhà và ngoài trời. Các thế hệ tiếp theo không chỉ có chất lượng tốt hơn mà còn có công suất cao hơn và sử dụng băng thông hiệu quả hơn, được triển khai trên các loại môi trường khác nhau. Đồng thời các dịch vụ phải có giá cả phải chăng để dễ dàng được sử dụng rộng rãi trong thị trường. Trên thực tế chúng ta sử dụng phân tập theo không gian có vẻ là hiệu quả nhất đối với các thế hệ tiếp theo.
Tăng chất lượng và giảm lỗi trong fading đa đường là vấn đề vô cùng khó khăn.Thêm vào đó còn có nhiễu Gauss trắng. Khi sử dụng các sơ đồ điều chế và mã hóa, giảm BER từ10-2 xuống 10-3thì chỉ yêu cầu phải tăng tỷ số SNR từ 1 đến 2 dB. Trong khi đó để đạt BER như trên và trong cùng môi trường fading đa đường như vậy có thể phải tăng sỷ số SNR lên đến 10dB. Tăng công suất phát và mở rộng băng truyền không phải là cách duy nhất để cải thiện tỷ số SNR, đây là kỹ thuật trá với những yêu cầu của thế hệ tiếp theo. Vì vậy vấn đề đặt ra là vẫn đạt được những tiêu chí ở trên mà không cần tăng công suất phát hay là mở rộng băng thông.
Vế mặt lý thuyết, kỹ thuật hiệu quả nhất để giảm ảnh hưởng của fading là điều khiển công suất. Trên thực tế thì việc tăng công suất bị giới hạn và còn phụ thuộc vào kích thước và chi phí của các bộ khuếch đại.Một vấn đề nữa là bên phát không biết bất kỳ thông tin nào của bên thu. Vì vậy cần một đường truyền hồi tiếp từ bên thu về bên phát. Do đó làm giảm thông lượng của kênh truyền và tăng độ phức tạp của cả bên phát và thu. Hơn nữa, trong một số ứng dụng không có đường truyền hồi tiếp.
Trong những môi trường bức xạ, phân tập không gian bằng cách sử dụng nhiều anten đã được sử dụng rỗng rãi và mang lại hiểu quả trong việc giảm fading đa đường. Phương pháp kinh điển là sử dụng nhiều anten bên thu để kết hợp hoặc chọn lọc để thu được tín hiệu tốt nhất. Một vấn đề lớn khi sử dụng nhiều anten bên thu là chi phí lớn, tăng kích cỡ của máy thu. Do đó, kỹ thuật này được áp dụng đối với bên phát để cải thiện chất lượng dịch vụ. Một trạm phát thường phục vụ hàng trăm đến hàng ngàn máy thu. Dó đó hiệu quả kinh tế đạt được lớn hơn so với khi áp dụng kỹ thuật này đối với bên thu. Đó là lý do làm cho phân tập bên thu trở nên hấp dẫn.
1.2. Sơ đồ phân tập mới với 2 anten phát và 1 anten thu:
1.2.1. Mã hóa và truyền dẫn:
 	Trong cùng một chu kỳ ký tự, hai tín hiệu được truyền đồng thời từ 2 anten. Tín hiệu từ anten 0 ký hiệu S0 và tín hiệu từ anten 2 ký hiệu là S1. Trong chu kỳ ký tự kế tiếp, tín hiệu –S1* được truyền từ anten 0 và tín hiệu S0* được truyền từ anten 1. Bảng mã hóa và truyền tuần tự của 2 anten.
Tại thời điểm t, độ lơi đường truyền đối với anten 0 là h0(t) và anten 1 là h1(t). Giả sử fading không đổi giữa 2 ký tự kế tiếp nhau. Do đó ta có:
Trong đó: T là thời gian tồn tại của ký tự.
Tín hiệu nhận được:
1.3.2. Khối combining:
Tổng hợp 2 tín hiệu nhận được :
Thay h0, h1, r0,r1 ở trên vào ta được:
Xác suất lỗi thu được khi ứng dụng Alamouti ( sử dụng điều chế BPSK) là:
Trong đó: Eb/N0 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu.
1.3.4. Kết quả thu được:
Nhận xét: BER thu được kết quả mô phỏng xuất xỹ BER tính theo công thức ở trên. Khi sử dụng phân tập với 2 anten phát và 1 anten thu thì BER giảm đi đáng kể.
II.Ứng dụng alamouti trong OFDM:
2.1.Mô hình tổng quát:
Sơ đồ tổng quát với n anten phát và m anten thu
2.2.Mô hình với 2 anten phát và 1 anten thu:
	Chúng ta xét một hệ thống OFDM single-user với hai anten phát và một anten nhận được mô ta như trong hình vẽ. 
Điều chế
P/S & Cyclic Prefix
Xoá CP & S/P
Chuỗi bi vào
Giải mã 
STBC
Chuỗi bit ra
FFT
Tx1
Rx
h1(n)
Giải điều
Chề
PS & Cyclic Prefix
Tx2
h2(n)
Mã hóa 
STBC
IFFT
IFFT
2.3. Mô tả hệ thống: 
	Giả sử hệ thống OFDM có N sóng mang con. Băng thông B được chia thành N sóng mang con tại tần số k, với k=0,1,N-1 và =B/N.Tại bên phát, chuỗi bit được sắp xếp và điều chế bởi PSK, hoặc QPSK... trở thành chuỗi số phức:
Ci=[c0,i; c1,i; c2,i.. cQ-1,i]
Trong đó: Q=log2 M với M: số mức điều chế; i:là số kí tự phức thứ i. 
Chuỗi kí tự này sẻ được chuyển đổi từ nối tiếp thành N kí tự song song (nhờ bộ chuyển đổi S/P) tương ứng với N sóng mang con như sau:
Dn,m=[d0,m; d1,m; d2,m; dN-1,m]
Trong đó: m:là ký tự thứ m của OFDM.
Sau đó chuỗi ký tự dk,m với k=0,1,N-1 được đưa đến khối STBC.Tại đây chuỗi ký tự dk,m sẽ được chia thành các nhóm. Mỗi nhóm gòm 2 kí tự lần lượt là {d0,m,d1,m}, {d1,m,d1,m},,{dN-2,m,dN-1}. Đối với mỗi nhóm như vậy sẽ tạo ra các kí tự s1,s2,-s2*,s1*.
Trong khe thời gian thứ nhất 2 kí tự s1,s2 được phát đồng thời trên anten 1 và anten 2,ở khe thời gian tiếp theo 2 ký tự -s2*,s1* được phát đồng thời trên anten 1và anten 2.
Do đó ta có:
Xm,[1,1]= [s1,s3,s5.] 
Xm,[2,1]= [s2,s4,s6.]
Xm,[1,2]=-Xm,[1,2]*=[-s2* ,-s4* ,-s6* .]
Xm,[2,2]= Xm,[1,1]*= [s1*,s3*,s5*..]
Hay:
 Xm[J,t]= Xm,n,[J,t] = 
Trong đó: m: là số kí tự thứ m của OFDM.
 n: là số kí tự thứ n được điều chế trên sóng mang con n.
 J: là số thứ tự anten phát J=1,2.
 T: là khe thời gian tương ứng t=1,2. 
Biến đổi IFFT để để điều chế sóng mang. Để tránh nhiễu xuyên ký tự ta chèn CP(cycle prefix) có chiều dài là NG . Do đó, chiều dài của một ký tự lúc này là: (N+NG)TS. 
Trong đó: n {-Ng,.,0,N-1}. 
 J=1,2 tương đương với anten1,2.
Tín hiệu từ hai anten được truyền trên các kênh truyền độc lập. Tín hiệu từ bên phát đến bên thu có thể được truyền trên nhiều đường khác nhau (multipath). Giả sử đường truyền có L nhóm, và mỗi nhóm có biên độ hi,l[n,p] và thời gian trễ pTs. Trong đó, hi,l[n,p] là biên độ của thành phần biên độ của nhóm thứ l giữa anten phát thứ i và anten nhận tại mẫu n trong chu kỳ của ký tự thứ l. Giả sử, giá trị lớn nhất của lan truyền trễ của hai kênh truyền là như nhau và bằng (L-1)Ts. 
	Sau khi xóa CP. Mẫu thứ n trong ký tự thứ m trong OFDM có thể được viết như sau:
Trong đó: hl,n,m[1]; hl,n,m[2] là hệ số kênh truyền ở anten 1 và anten2
 n=0N-1 tương đương với các sóng mang con
 Zn,m:là nhiễu AWGN(additive white gausian)
Biến đổi FFT ta được
Yk,m=Hk,m[1]Xk,m[1] + Hk,m[2]Xk,m[2] +Zk,m
Trong đó:
Tín hiệu được đưa đến bộ giải mã STBC. Ở khe thời gian thứ nhất và thứ 2 ta thu được Y1 và Y2 lần lượt là:
Y1= Hk,m[1]Xk,m[1] + Hk,m[2]Xk,m[2] +Z1,k,m
 = Hk,m[1]Sn,1 + Hk,m[2]Sn,2 +Z1,k,m
Y2= Hk,m[1]Xk,m[1] + Hk,m[2]Xk,m[2] +Z2,k,m
 = -Hk,m[1] Sn,2* + Hk,m[2]Sn,1* +Z2,k,m
Hay ta có:
Đặt: H= và [Sn,1,Sn,2]T, Y=[Y1,y2*]T ,Z=[Z1,k,m Z2,k,m]
Ta có HH H= 
 =
Gọi x=HH *Y với x=[x1,x2]T ta có: 
x=[x1 x2]T=(I2 S+
Trong đó: =HH Z,; I2 : ma trận đơn vị I2=
	Suy ra: 
Với Si =1- j; 1+ j; -1- j; -1 + j đối với điều chế QPSK. Từ xi thu được ta giải điều chế thua được chuỗi bit truyền.