thiết kế mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao kết hợp điều chế không gian

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay kỹ thuật truyền dẫn nhiều đầu vào - nhiều đầu ra
(MIMO) là những giải pháp đầy triển vọng và hiện tại đã được ứng
dụng trong mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) có thể đáp ứng nhu cầu ngày
càng tăng về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên các kênh vô
tuyến pha-đinh mà vẫn đảm bảo độ tin cậy cao và hiệu quả sử dụng phổ
tần lớn. Để khai thác ưu điểm của hệ thống MIMO, các nhà nghiên cứu
trên thế giới đã đề xuất các giải pháp để cải thiện chất lượng truyền tin,
giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống, kỹ thuật điều chế không gian mã khối
không gian thời gian (STBC-SM) bằng cách kết hợp SM với mã
Alamouti (làm mã STBC hạt nhân) của Basar và các cộng sự là một
trong những bước tiến quan trọng nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy truyền
tin. Tiếp tục phát triển các nghiên cứu của nhiều công trình trước đây,
tác giả tập trung nghiên cứu khai thác tính đơn giản trong tách sóng của
mã khối không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao (OSTBC) và
kết hợp với điều chế không gian nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng phổ
tần, tăng chất lượng của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo tính đơn giản
trong tách sóng khôi phục tín hiệu ở máy thu.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu Kỹ thuật mã hóa mã khối không gian thời gian trực
giao (OSTBC) kết hợp với điều chế không gian (SM) nhằm được các
mục tiêu: tăng hiệu suất sử dụng phổ tần; đạt được phân tập phát; tách
sóng ML đơn giản.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa mô hình hóa, giải tích với mô phỏng Monte-Carlo.
Phương pháp mô hình hóa, giải tích được sử dụng để thiết lập phương
1
trình hệ thống, kết hợp và khôi phục tín hiệu ở máy thu cũng như tính
toán các giới hạn trên của tỷ lệ lỗi bit (BER). Mô phỏng Monte-Carlo sẽ
được sử dụng để ước lượng được các tham số đánh giá chất lượng hệ

thống như BER và sai số bình phương trung bình (MSE).
Đối tượng nghiên cứu
Kênh vô tuyến; các hệ thống phân tập; các hệ thống mã hóa khối
không gian thời gian; các hệ thống điều chế không gian; các hệ thống
kết hợp giữa mã khối không gian thời gian (STBC) và điều chế không
gian/khóa dịch không gian (SM/SSK).
Phạm vi nghiên cứu
Các mã khối không gian thời gian, mã khối không gian thời gian
cấu trúc trực giao, các tiêu chuẩn thiết kế. Các phương pháp điều chế
không gian, điều chế không gian kết hợp mã khối không gian thời gian.
Bố cục luận án
Luận án được trình bày 97 trang ngoài phần mở đầu và kết luận,
luận án chia thành 3 chương. Chương 1: Tổng quan về kênh MIMO và
mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao. Chương 2: Điều chế
không gian và điều chế không gian mã khối không gian thời gian.
Chương 3: Mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế
không gian.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH MIMO VÀ MÃ KHỐI
KHÔNG GIAN THỜI GIAN CẤU TRÚC TRỰC GIAO
1.1. Hệ thống MIMO và kỹ thuật phân tập không gian.
1.1.1. Hệ thống MIMO.
Để tăng dung lượng các hệ thống thông tin không dây ta bắt buộc
phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Các hệ thống có nhiều ăng-ten cả ở
2
máy phát và máy thu (gọi là hệ thống MIMO) có thể giúp tăng hiệu quả
sử dụng phổ tần lên gấp nhiều lần so với các hệ thống đơn ăng-ten
truyền thống.
Véc-tơ tín hiệu thu
y
với kích thước

×1
R
n
của một hệ thống
MIMO điểm điểm với
T
n
ăng-ten phát và
R
n
ăng-ten thu như Hình 1.1
được cho bởi biểu thức:
= +y Hx n
(1.5)
Trong đó giả thiết kênh truyền MIMO là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng,
biến đổi chậm,
x
là tín hiệu phát trong mỗi chu kỳ ký hiệu có kích
thước
1
T
n ´
.
H
và
n
tương ứng là kênh truyền MIMO kích thước
R T
n n´
và véc-tơ tạp âm kích thước

1
R
n ´
.
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO.
1.1.2. Kỹ thuật phân tập không gian.
Phân tập không gian được chia thành 2 loại: phân tập thu và phân
tập phát. Phân tập phát là kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều ăng-ten ở phía
phát để truyền đi các tín hiệu được tổ chức theo một phương thức nào đó
nhằm tạo ra các tín hiệu chịu pha-đinh không tương quan ở phía máy
thu. Máy thu có thể kết hợp các tín hiệu thu được để làm giảm các tác
động của pha-đinh và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống.
3
1.2. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian
- Mã Alamouti.
1.2.1. Các tiêu chuẩn thiết kế mã khối không gian thời gian.
A. Tiêu chuẩn hạng và định thức.
Mã có bậc phân tập đầy đủ
T R
n n
khi ma trận
,
1 2
( )
D
C X X
có
hạng đầy đủ. Khoảng độ lợi mã (CGD) giữa hai từ mã
1
X

và
2
X
là
CGD , =
1 2
( )X X
det ,
1 2
( ( ))
D
C X X
, nên độ lợi mã hóa liên quan tới
định thức của ma trận
,
1 2
( )
D
C X X
.
Vì vậy, một tiêu chuẩn thiết kế tốt đảm bảo bậc phân tập đầy đủ là
với các giá trị từ mã có thể
i
X
và
j
X
,
i j¹
, ma trận

,( )
i j
D
C X X
có
hạng đầy đủ - Tiêu chuẩn hạng.
Để tăng độ lợi mã hóa cho một mã có bậc phân tập đầy đủ, một
tiêu chuẩn thiết kế tốt khác là cực đại hóa định thức cực tiểu của các ma
trận
,( )
i j
D
C X X
với tất cả các giá trị
i j¹
- Tiêu chuẩn định thức.
B. Tiêu chuẩn vết.
Xác suất lỗi cặp liên quan tới metric
,
1 2
|| ( ) ||
F
D X X
. Tiêu chuẩn
vết nói rằng cần phải cực đại hóa khoảng cách cực tiểu
,|| ( ) ||
i j
F
D X X
trong tất cả

i j¹
. Tiêu chuẩn này gọi là tiêu chuẩn vết vì
,
1 2 2
|| ( ) ||
F
=D X X
,
1 2
tr[ ( )]
D
C X X
.
1.2.2. Mã Alamouti.
Mã Alamouti là mã khối không gian thời gian đầu tiên dùng cho
các hệ thống có hai antenna phát. Đặc tính cơ bản của mã Alamouti là
đạt được bậc phân tập đầy đủ với thuật toán giải mã hợp lý cực
đại đơn giản.
4
Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát cho mã Alamouti.
Từ mã truyền là:
* *
2 1
-
1 2
x x
x x
æ ö
÷
ç

÷
ç
÷
ç
÷
ç
÷
÷
ç
è ø
=X
(1.18)

Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ thu cho mã Alamouti với MRC.
1.3. Các cấu trúc trực giao.
Để thu được bậc phân tập đầy đủ
T
n
do
T
n
ăng-ten phát cung cấp,
ma trận mã truyền
X
được thiết kế trên cơ sở trực giao sao cho:
H 2
1
| |
T
N

i n
i
k x I
=
=
å
X.X
(1.28)
trong đó
N
là số lượng phần tử của tập hợp ký hiệu phát phức mà bộ mã
hóa STBC ánh xạ sang ma trận phát
X
,
k
là một hằng số. Loại mã này
được gọi là mã STBC trực giao (OSTBC). Với mã STBC trực giao, các
véc-tơ phát từ các ăng-ten trực giao với nhau. Tốc độ truyền dẫn tối đa
của các mã STBC trực giao có bậc phân tập đầy đủ là 1, tức là,
1R £
,
trong đó mã Alamouti là bộ mã cho tín hiệu phức duy nhất cho phép đạt
được đồng thời cả bậc phân tập đầy đủ và tốc độ đầy đủ.
5
Hình 1.4: Sơ đồ bộ mã hóa cho mã khối không gian thời gian trực giao.
Tuỳ theo chòm sao tín hiệu, có thể thiết kế được các bộ mã STBC
trực giao khác nhau dành cho tập tín hiệu thực và tập tín hiệu phức.
1.3.1. Mã OSTBC cho tập tín hiệu thực.
Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ
thống

T
n
ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu thực thoả mãn điều kiện trực
giao như sau:

T 2
1
| |
T T T
N
n n i n
i
k x
=
=
å
X X I
(1.30)
1.3.2. Mã OSTBC cho tập tín hiệu phức.
Để đạt được bậc phân tập đầy đủ, các bộ mã O-STBC cho các hệ
thống
T
n
ăng-ten phát sử dụng tập tín hiệu phức thoả mãn điều kiện trực
giao như sau:

H 2
1
| |
T T T

N
n n i n
i
k x
=
=
å
X X I
(1.31)
1.4. Kết luận.
Chương 1 trình bày về hệ thống MIMO, mô hình hệ thống và các
giả thiết về kênh truyền, về tạp âm. Giới thiệu sơ lược phân tập ăng-ten,
mã không gian thời gian và các tiêu chuẩn thiết kế. Mã khối không gian
thời gian trực giao là các lớp mã hấp dẫn đối với việc thực hiện phân tập
6
nhờ vào tính phân tập đầy đủ và các thuật toán giải mã đơn giản của
chúng. Đây là một phần nền tảng lý thuyết cho phép nghiên cứu sinh
thực hiện các nghiên cứu ở các chương tiếp theo.
Chương 2: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ ĐIỀU CHẾ
KHÔNG GIAN MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN
2.1. Giới thiệu.
Kỹ thuật ghép kênh theo không gian V-BLAST gây ra hiện tượng
nhiễu đồng kênh (ICI) làm cho độ phức tạp của bộ giải mã hợp lệ cực
đại (ML) tăng lên theo hàm mũ với số lượng ăng-ten phát. Trong
chương này, luận án giới thiệu về kỹ thuật điều chế không gian (SM),
đây là phương pháp hiệu quả để loại bỏ ICI. Trình bày phương pháp
điều chế không gian mã khối không gian thời gian (STBC-SM) do Basar
và các cộng sự đề xuất nhằm phát huy những lợi thế của SM cũng như
STBC. Luận án đề xuất mã STBC-SM tốc độ cao, gọi là mã HR-STBC-
SM. Trong đó giới thiệu khái niệm mới về các ma trận từ mã chòm sao

tín hiệu không gian (từ mã SC). Khi đó, các ma trận từ mã của hệ thống
HR-STBC-SM sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trận từ mã Alamouti
với các ma trận từ mã SC. Để minh họa, nghiên cứu sinh đề xuất hai hệ
thống HR-STBC-SM cho 4 và 6 ăng-ten phát với số từ mã SC lần lượt là
8 và 16.
2.2. Kỹ thuật điều chế không gian.
2.2.1. Mô hình hệ thống.
Hình 2.1 trình bày nguyên lý hoạt động của kỹ thuật điều chế
không gian (SM). Trong mỗi chu kỳ tín hiệu, một ăng-ten được kích
hoạt và phát đi một ký hiệu trong chòm sao QAM hoặc PSK. Với
4
T
n =
ăng-ten phát và sử dụng điều chế BPSK, hệ thống SM có thể
truyền đi 3 bit trong mỗi chu kỳ tín hiệu.
7

Hỡnh 2.5: Mụ hỡnh h thng mó húa khụng gian v bng ỏnh x ti ch s
ng-ten v cỏc t mó BPSK.
2.2.2. Cỏc thut toỏn khụi phc tớn hiu cho k thut iu ch
khụng gian.
Thut toỏn khụi phc tớn hiu gn ti u:
Thut toỏn ny gi l thut toỏn i-MRC v c mụ t nh sau:
H
, 1:
j j T
g j n= =h y với
(2.4)
T
1 2

T
n
g g g
ộ ự
ờ ỳ
ở ỷ
=g L
(2.5)
argmax | |
j
k =
%
g
(2.6)
( )
k
j k
s q
=
ổ ử
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ố ứ
= g
%
%

(2.7)
Khụi phc
x
%
da vo
k
%
v
k
s
%
, trong ú
(.)q
biu th toỏn t quyt
nh hay lng t húa.
Thut toỏn khụi phc tớn hiu ti u:
8
B tỏch ti u da trờn nguyờn tc hp l cc i nh sau:
( )
{ }
,
2
H
,


, argmin | ,
argmin 2
Y jq
j q

jq jq
j q
j q p s
r
ộ ự
ờ ỳ
ở ỷ
=
= -
y H
g y g
(2.8)
vi
,1 ,1
jq j q T
s j n q M= Ê Ê Ê Êg h
.
Ta cú th thy rng phng phỏp tỏch ti u khụi phc ng thi
c ch s ng-ten v ký hiu phỏt.
2.3. K thut iu ch khụng gian mó khi khụng gian thi gian.
2.3.1. Thit k v ti u h thng STBC-SM.
Thut toỏn thit k mó STBC-SM c túm tt nh sau:
1. Vi
T
n
ng-ten phỏt, s t hp chp 2 ca
T
n
ng-ten l
2

2
p
n
T
c
ổ ử
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ữ
ỗ
ố ứ
ờ ỳ
ờ ỳ
ờ ỳ
ở ỷ
=
, trong
ú
p
l mt s nguyờn dng.
2. S t mó trong mi sỏch mó
, 1,2, , 1
i

i nc = -L
,
2
T
n
a
ờ ỳ
ờ ỳ
ở ỷ
=
v tng s sỏch
mó
c
a
n
ộ ự
=
ờ ỳ
ờ ỳ
. S lng t mó trong sỏch mó cui cựng l
' ( 1)a c a n= - -
.
3. Khi u xõy dng sỏch mó
1
c
vi
a
t mó khụng can nhiu ln nhau.
4. Tng t, xõy dng
, 2, , ,

i
i nc = L
da trờn cỏc iu kin: mi sỏch mó phi
bao gm cỏc t mó khụng can nhiu ln nhau c chn t cỏc t hp chp
2 ca
T
n
ng-ten phỏt v cha c s dng trong cỏc sỏch mó ó xõy dng
trc ú.
5. Xỏc nh gúc quay
i
q
cho mi
i
c
,
2 i nÊ Ê
, sao cho
( )
min
d c
t giỏ tr
cc i ng vi mt chũm sao tớn hiu v mt cu hỡnh ng-ten cho trc:
tc l,
( )
min
argmax
opt
d c=

.
2.3.2. B gii mó ti u cho h thng STBC-SM.
Xột mt h thng MIMO gm
T
n
ng-ten phỏt v
R
n
ng-ten thu
trong kờnh truyn pha-inh Rayleigh phng, bin i chm.
9
Ma trận tín hiệu thu
Y
, kích thước
2
R
n ´
:
c
r
m
= +Y HX N
(2.16)
Giả thiết mã STBC-SM bao gồm
c
từ mã. Bộ giải mã hợp lệ cực
đại (ML) lựa chọn ra ma trận tối thiểu hóa phương trình sau:
2
ˆ

argmin
c
c c
c
r
m
Î
= -
X
X Y HX
(2.17)
Nhờ tính trực giao, (2.16) trở thành:
1
2
x
x
c
r
m
é ù
ê ú
ê ú
ê ú
ë û
= +y H n
(2.18)
Máy thu ước lượng tối ưu của các ký hiệu
1
x
và

2
x
như sau:
1 2
2 2
1, ,1 1 2, ,2 2
;
ˆ ˆ
argmin argmin
l l l l
x x
x x x x
g g
r r
m m
Î Î
= - = -y h y h
(2.20)
Các khoảng cách ML
1,l
m
và
2,l
m
tương ứng với
1
x
và
2
x

là
1 2
2 2
1, ,1 1 2, ,2 2
;min min
l l l l
x x
m x m x
r r
m m
g gÎ Î
= - = -y h y h
(2.21)
Khoảng cách ML tổng ứng với một phiên bản của kênh truyền là
1, 2,
,0 1
l l l
m m m l c= + £ £ -
. Máy thu quyết định chọn khoảng cách
ML tối thiểu theo biểu thức
ˆ
argmin
l
l
l m=
và từ đó quyết định các ký
hiệu phát là
ˆ ˆ
1 2
1, 2,

ˆ ˆ ˆ ˆ
( , ) ( , )
l l
x x x x=
. Tổng số phép tính trong (2.17) giảm từ
2
cM
xuống
2cM
.
2.4. Đề xuất điều chế không gian mã khối không gian thời gian
tốc độ cao.
10
2.4.1. Mô hình hệ thống và khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu
không gian.
A. Mô hình hệ thống.
Xét một hệ thống nhiều ăng-ten với
T
n

ăng-ten phát và
R
n

ăng-
ten thu, được gọi là hệ thống
( , )
T R
n n
, hoạt động trong một kênh truyền

MIMO pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm. Luận án sử dụng các từ
mã Alamouti
2 2´

X
WÎX
làm từ mã hạt nhân, với các phần tử trong
từ mã được lấy từ chòm sao tín hiệu
M
-QAM hoặc
M
-PSK. Khi đó,
ma trận tín hiệu thu
2
R
n ´

Y
được cho bởi biểu thức:
g g= + = +Y HC N HSX N
(2.22)
B. Đề xuất khái niệm từ mã chòm sao tín hiệu không gian.
Đặt
=
%
H HS
là ma trận kênh tương đương. Ta gọi
S
là các từ
mã chòm sao tín hiệu không gian (hay từ mã SC). Do

X
đã được biết
trước, bài toán thiết kế các từ mã STBC-SM tốc độ cao
C
quy về bài
toán thiết kế các từ mã SC đơn giản hơn. Đây chính là ý tưởng xuyên
suốt của luận án cho phép nghiên cứu sinh thiết kế được các từ mã
trong các hệ thống SM-MIMO khác nhau.
2.4.2. Hệ thống HR-STBC-SM và kỹ thuật khôi phục tín hiệu.
A. Thiết kế các từ mã SC.
Đặt các
q
s
và
*
q
s

có dạng:
0
jq
q
e
a
æ ö
÷
ç
÷
ç
÷

ç
÷
ç
÷
ç
è ø
=s
;
*
0
jq
q
e
a-
æ ö
÷
ç
÷
ç
÷
ç
÷
ç
÷
ç
è ø
=
-
s
trong đó

q
là
một số nguyên bất kỳ và
a
là góc pha cần được xác định.
Chòm sao tín hiệu không gian
S
W
cho
4
T
n =
ăng-ten phát bao
gồm
8Q =
từ mã SC như sau:
11
( ) ( )
( )
( )
T
*
3 1 1
T T
* *
1 0 0 2 0 0
T
*
4 1 1 5:8 1:4
;

; ;
j
e
q
=
= =
= =0 s s 0
s s 0 0 0 0 s s
s 0 0 s
S S
S S S S
Tương tự như vậy, chòm sao tín hiệu không gian
S
W
cho
6
T
n =

ăng-ten phát bao gồm
16Q =
từ mã SC như sau:
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
* *
1 0 0 2 0 0
* *
3 0 0 4 1 1

* *
5 1 1 6 1 1
* *
7 2 2 8 2 2 9:16 1
T T
T T
:
T
8
T
T T
;
;
;
; ;
j
e
q
= =
= =
= =
= = =
s s 0 0 0 0 0 0 s s 0 0
0 0 0 0 s s 0 s s 0 0 0
0 0 0 s s 0 s 0 0 0 0 s
s 0 s 0 0 0 0 s 0 s 0 0
S S
S S
S S
S S S S

Dựa trên các tiêu chí về hạng ma trận và định thức ma trận và sử
dụng tìm kiếm triệt để bằng máy tính, nghiên cứu sinh tìm được các giá
trị tối ưu
opt
a
và
opt
q
dựa trên công thức (2.25) và trình bày như trên
Bảng 2.2.
( )
( )
( )
( )
H
min
min
,
,
,
,
mindet ( ) ( )
max
k l
opt opt
k l k l
a q
a q
a q
a q

d
d
¹
=
= - -
C C
C C C C
(2.25)
trong đó
k
C

và
l
C
là hai từ mã HR-STBC-SM khác nhau.
Bảng 2.2: Các giá trị góc pha tối ưu của các từ mã SC ứng với các chòm sao
tín hiệu QAM khác nhau.
T
n
M
opt
a
opt
q
( )
min
,
opt opt
a qd

4
2 1.323 0.844 1.4
4 0.963 1.318 3.99
8 0.963 1.318 3.99
16 0.75 1.318 3.97
6
2 0.785 1.178 1.21
4 1.178 1.408 1.68
8 1.178 1.36 1.04
12
16 1.178 0.948 0.44
B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống HR-STBC-SM.
Giả sử máy thu biết chính xác kênh truyền. Quá trình giải mã, khôi
phục tín hiệu được tóm tắt như sau:
1. Ứng với mỗi ma trận
q
H
và mỗi cặp tín hiệu
1, 2,
( , )
m m
x x
trong chòm sao tín
hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau:
a.
2
1,q 1,q 1,
m
m
d xg= -y h

với
1, ,m M= L
.
b.
2
2,q 2,q 2,
m
m
d xg= -y h
với
1, ,m M= L
.
2. Tìm
min
1,q
d
trong số
M
giá trị
1,q
m
d
và
1
ˆ
q
x
tương ứng với
min
1,q

d
.
3. Tìm
min
2,q
d
trong số
M
giá trị
2,q
m
d
và
2
ˆ
q
x
tương ứng với
min
2,q
d
.
4. Tính
min min
1, 2,q q q
d d d= +

với
1, ,q Q= L
.

5. Tìm chỉ số
ˆ
q
tương ứng với khoảng cách tối thiểu
min
q
d
trong tổng số
Q
giá
trị khoảng cách
q
d
.
6. Ma trận SC và các ký hiệu phát được xác định bởi
ˆ
ˆ
=
q
S S

và
( )
( )
1 2 1 2
ˆ ˆ
ˆ ˆ ˆ
, ,
q q
x x x x=

.
2.4.3. Phân tích phẩm chất hệ thống HR-STBC-SM.
Phân tích phẩm chất lỗi bit của hệ thống HR-STBC-SM đề xuất
bằng cách đánh giá xác suất lỗi cặp ký hiệu (PEP) và xây dựng một giới
hạn trên cho xác suất lỗi bit của hệ thống.
( )
1
,
1
2
N N
b i j i j
i j i
P P w
bN
-
= =
£ ®
å å
C C
(2.35)
2.4.4 . Kết quả mô phỏng và thảo luận.
Sử dụng mô phỏng Monte Carlo để đánh giá BER của mã đề xuất
và so sánh với các hệ thống hiện có với giả thiết thông tin về trạng thái
kênh truyền được máy thu biết rõ.
13
0 3 6 9 12 15 18 21
10
-6
10

-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
E
b
/N
0
(dB)
BER
(n
T
, n
R
) = (4, 2), 4-QAM, Theory
(n
T
, n
R
) = (4, 4), 4-QAM, Theory
(n
T
, n

R
) = (4, 2), 4-QAM, Simul
(n
T
, n
R
) = (4, 4), 4-QAM, Simul
(n
T
, n
R
) = (6, 2), 8-QAM, Theory
(n
T
, n
R
) = (6, 4), 8-QAM, Theory
(n
T
, n
R
) = (6, 2), 8-QAM, Simul
(n
T
, n
R
) = (6, 4), 8-QAM, Simul
Hình 2.4: Các đường giới hạn trên theo lý thuyết và kết quả mô phỏng phẩm
chất lỗi bit của hệ thống HR-STBC-SM đề xuất ứng.
Qua mô phỏng thấy rằng có thể sử dụng biểu thức (2.35) làm công

cụ đánh giá BER của các hệ thống HR-STBC-SM khi
0b
E N
đủ lớn.
2.5. Kết luận.
Luận án đưa ra khái niệm mới là các từ mã chòm sao tín hiệu
không gian (từ mã SC) và dựa vào khái niệm này đề xuất mã điều chế
không gian mã khối không gian thời gian tốc độ cao (HR-STBC-SM).
Kết quả cho thấy, hệ thống HR-STBC-SM đạt được phân tập phát bậc 2
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
E
b
/N
0
(dB)
BER

OSTBC, (n
T
, n
R
) = (4, 2), 64-QAM
OSTBC, (n
T
, n
R
) = (4, 4), 64-QAM
HR-STBC-SM, (n
T
, n
R
) = (4, 2), 8-QAM
HR-STBC-SM, (n
T
, n
R
) = (4, 4), 8-QAM
Basar, (n
T
, n
R
) = (6, 2), 8-QAM
Basar, (n
T
, n
R
) = (6, 4), 8-QAM

Hình 2.5: Các đường BER của mã HR-
STBC-SM đề xuất so với các đường
BER của mã STBC-SM đề xuất bởi
Basar và của mã STBC trực giao.
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
E
b
/N
0
(dB)
BER
V-BLAST, (n
T
, n
R
) = (4, 4), BPSK

Alamouti, (n
T
, n
R
) = (2, 4), 16-QAM
Basar, (n
T
, n
R
) = (4, 4), 8-QAM
Basar, (n
T
, n
R
) = (8, 4), 4-QAM
HR-STBC-SM, (n
T
, n
R
) = (6, 4), 4-QAM
Hình 2.6: Các đường BER của mã đề
xuất so với các đường BER của mã
STBC-SM đề xuất bởi Basar, V-BLAST
của mã STBC của Alamouti.
14
tương tự như với hệ thống STBC-SM nhưng có hiệu quả sử dụng phổtần
cao hơn 0,5 bpcu khi có cùng số ăng-ten phát. Nhờ đó, mã HR-STBC-
SM cho phép tiết kiệm được một số ăng-ten phát khi có cùng hiệu quả
sử dụng phổ tần mà phẩm chất lỗi bit vẫn đạt xấp xỉ so với mã STBC-
SM. Kết quả mô phỏng còn cho thấy, trong hầu hết các trường hợp, mã

HR-STBC-SM có phẩm chất lỗi bit tốt hơn rất nhiều so với phẩm chất
lỗi bit của các mã Alamouti, OSTBC tốc độ 3/4 và V-BLAST.
Chương 3: MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRỰC GIAO
KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN
3.1. Giới thiệu.
Trong chương này, luận án đề xuất hai loại mã khối không gian
thời gian mới gọi là mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều
chế không gian (SM-OSTBC). Đối với các mã SM-OSTBC do nghiên
cứu sinh đề xuất, các ma trận từ mã phát đi (hay còn gọi là các từ mã
SM-OSTBC) được tạo ra bằng cách nhân các ma trận từ mã SC với các
ma trận OSTBC.
3.2. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều
chế không gian cho 4 ăng-ten phát (SM-OSTBC
4,3
C
).
3.2.1. Mô hình hệ thống.
Máy phát SM-OSTBC tạo ra ma trận từ mã SM-OSTBC
4 4´
,
C
,
như sau:
=C SX
, trong đó
X
là mã OSTBC tốc độ 3/4;
S
là một ma
trận từ mã SC. Ma trận tín hiệu thu

Y
tại máy thu được cho bởi biểu
thức:
g g= + = +Y HC N HSX N
với
H
và
N
tương ứng
biểu thị ma trận kênh truyền
4
R
n ´
và ma trận tạp âm
4
R
n ´
. Từ mã
phát đi
C
được chuẩn hóa sao cho trung bình tập hợp của vết của
H
C C
15
bằng 3, tức là
H
E{tr( )} 3=C C
.
g
là tỷ số SNR trung bình tại mỗi

ăng-ten thu.
3.2.2. Các từ mã SM đề xuất và thuật toán khôi phục tín hiệu.
A. Thiết kế các ma trận từ mã SC.
Gọi
( ),
m n
D C C
là ma trận hiệu giữa hai từ mã
m
C
và
n
C
xác định
theo biểu thức:
( ),
m n m n
= -D C C C C
. Dựa trên các tiêu chí về hạng
ma trận và định thức ma trận, tiêu chí thiết kế cho các từ mã SC được
tóm tắt như sau:
1. Hạng của ma trận
H
( ) (, , ,) ( )
m n m n m nD
=C D D
C C C C C C
bằng 3 xét
trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC
4,3

C
khác nhau.
2. Tích số tối thiểu,
3
min
1
i
i
d l
=
=
Õ
, của ma trận
( , )
m nD
C C C
được cực đại
hóa trên tất cả các cặp từ mã SM-OSTBC khác nhau, trong đó
i
l
là các
trị riêng khác không của
( , )
m nD
C C C
.
Dựa vào các mã OSTBC cho 3 ăng-ten phát, nghiên cứu sinh định
nghĩa các ma trận
4 3´
cơ sở

1
( )G s
,
2
( )G s
,
3
( )G s
. Sử dụng phương
pháp “thử và sai” (trial and error) với sự trợ giúp của máy tính để xác
định
min
d
theo tiêu chí thiết kế trình bày ở trên, nghiên cứu sinh thu
được chòm sao tín hiệu không gian,
S
W
, bao gồm
16Q =
từ mã SC
như sau:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
1 1 2 1 3 1
4 1 5 2 6 2
7 2 8 2 9 2
1 0 0 ; 1 1 0 ; 1 1 1
1 0 ; 1 1 0 ; 1 1 1
1 1 1 ; 1 1 1 ; 1 1 1

j
é ù é ù é ù
= = =
ê ú ê ú ê ú
ë û ë û ë û
é ù é ù é ù
= = =
ê ú ê ú ê ú
ë û ë û ë û
é ù é ù é ù
= - = - = - -
ê ú ê ú ê ú
ë û ë û ë û
S G S G S G
S G S G S G
S G S G S G
16
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
10 3 11 3 12 3
13 3 14 3
15 3 16 3
1 1 0 ; 1 0 ; 1 1
1 1 ; 1 1
1 1 ; 1 0 1
j j
j j
j
é ù é ù é ù

= = = -
ê ú ê ú ê ú
ë û ë û ë û
é ù é ù
- - = - -
ê ú ê ú
ë û ë û
é ù é ù
= =
ê ú ê ú
ë û ë û
=
S G S G S G
S G S G
S G S G
Ở đây, các từ mã SC tạo ra bởi các ma trận sinh
1
G
,
2
G
hoặc
3
G
sẽ
không được sử dụng nếu chúng không thỏa mãn tiêu chí thiết kế.
B. Tách sóng ML tối ưu cho hệ thống SM-OSTBC
4,3
C
.

Quá trình giải mã, khôi phục tín hiệu được tóm tắt như sau:
1. Ứng với mỗi ma trận
k
H
và mỗi ký hiệu
,
, 1, 2, 3
i m
x i =
, trong chòm sao
tín hiệu phát, tính các khoảng cách Euclide sau:
2
,q ,q ,
m
i i i m
d xg= -y h
với
1, ,m M= L
.
2. Tìm
min
,i q
d
trong số
M
giá trị
,q
m
i
d

và
ˆ
q
i
x
tương ứng với
min
,i q
d
.
3. Tính
min
3
1
,q
i
i q
d d
=
=
å
với
1, ,q Q= L
.
4. Tìm chỉ số
ˆ
q
tương ứng với khoảng cách tối thiểu
min
q

d
trong tổng số
Q
giá
trị khoảng cách
q
d
.
5. Ma trận SC và các ký hiệu phát được xác định bởi:
ˆ
ˆ
=
q
S S
,
ˆ
ˆ ˆ
,
q
i i
x x=
1, 2, 3i =
.
3.2.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận.
Luận án sử dụng giới hạn trên trong chương 2 (2.35) và mô phỏng
Monte-Carlo để đánh giá phẩm chất lỗi bit (BER) của hệ thống SM-
OSTBC
4,3
C
đề xuất và so sánh với phẩm chất lỗi bit của các hệ thống

MIMO hiện có.
17
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
BER
E
b
/N
0
OSTBC 3/4, (n
T
, n
R
) = (4, 2), 8-QAM, 2,25 bpcu
OSTBC 1/2, (n
T
, n

R
) = (4, 2), 32-QAM, 2,5 bpcu
HR-STBC-SM, (n
T
, n
R
) = (4, 2), BPSK, 2,5 bpcu
C
4, 3
, (n
T
, n
R
) = (4, 2), 4-QAM, 2,5 bpcu
Hình 3.2: Các đường BER của mã SM-
OSTBC
4,3
C

đề xuất so với các đường
BER của mã HR-STBC-SM, mã
OSTBC ½ và mã OSTBC 3/4.
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27
10
-6
10
-5
10
-4
10

-3
10
-2
10
-1
10
0
E
b
/N
0
(dB)
BER
Alamouti STBC, (n
T
, n
R
)=(2,2), 16-QAM
STBC-SM, (n
T
, n
R
)=(4, 2), 8-QAM
Ismail STBC, (n
T
, n
R
)=(4,2), 16-QAM
SM, (n
T

, n
R
)=(4,2), 4-QAM
VBLAST, (n
T
, n
R
)=(4,2), BPSK
C
4,3
, (n
T
,n
R
)=(4,2), 16-QAM
Hình 3.3: Các đường BER của mã SM-
OSTBC
4,3
C
đề xuất so với các đường
BER của mã SM, V-BLAST, mã
Alamouti, Ismail STBC và STBC-SM.
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21
10
-6
10
-5
10
-4
10

-3
10
-2
10
-1
10
0
E
b
/N
0
(dB)
BER
SM, (n
T
,n
R
)=(4,4), 4-QAM
VBLAST, (n
T
, n
R
)=(4, 4), BPSK
STBC-SM, (n
T
, n
R
) = (4, 4), 8-QAM
Ismail STBC, (n
T

, n
R
) = (4, 4), 16-QAM
C
4,3
, (n
T
,n
R
)=(4,4), 16-QAM
Hình 3.4: Các đường BER của mã SM-OSTBC
4,3
C

đề xuất so với các đường
BER của mã SM, V-BLAST, Ismail STBC và STBC-SM trong hệ thống (4, 4).
18
3.3. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều
chế không gian với định thức không triệt tiêu (SM-OSTBC
T R T
C n ,n ,n( )
).
3.3.1. Mô hình hệ thống.
Hình 3.5 trình bày kiến trúc máy phát của hệ thống SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n

với
T

n
ăng-ten phát do nghiên cứu sinh đề xuất. Từ mã
SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n

C
được tạo ra bằng cách nhân
S
với
X
,
tức là
=C SX
, sau đó được truyền đi qua
T
n
ăng-ten phát trong 2 chu
kỳ tín hiệu.
Ma trận tín hiệu thu
2
R
n ´

Y
được xác định theo công thức:
g g= + = +Y HC N HSX N
(3.18)
Hình 3.5: Sơ đồ khối của máy phát SM-OSTBC.

3.3.2. Thiết kế các từ mã SC.
Trước hết, luận án định nghĩa ma trận sinh
2
T
n ´

( )G s
như
(3.19). Dựa trên ma trận sinh
( )G s
, thủ tục tổng quát dùng để thiết kế
19
các từ mã SC cho
T
n

ăng-ten phát cùng kích hoạt đồng thời được đề
xuất như sau:
1 2
* *
2 1
1
* *
1
1
( )
T T
T T
n n
n n

s s
s s
s s
s s
-
-
é ù
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ë û
-
=
G
-
M M
G s
(3.19)
1. Gán hai phần tử đầu tiên của véc-tơ
1
T
n´

q

s
bằng 1, tức là
,1 ,2
1
q q
s s= =
.
2. Gán
( 2)
T
n -
phần tử còn lại của
q
s
với các giá trị trong tập
{ }1, j± ±
được
lựa chọn một cách ngẫu nhiên.
3. Tạo các từ mã SC tương ứng
( )
q q
=S G s
,
1,2 ,( ),q Q= L
.
Việc gán hai phần tử đầu của các véc-tơ
q
s
bằng 1 là nhằm đảm
bảo rằng mã SM-OSTBC

( , , )
T R T
C n n n
có được tính chất “định thức
không triệt tiêu”, và do đó đạt được phân tập phát bậc 2.
Hiệu quả sử dụng phổ tần của mã SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
là
2
1
2
( ) (2 2 log )
T
e l m n M= + = - +
bpcu.
Tính chất phân tập của mã SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
được mô tả
bởi định lý sau:
Định lý: Mã SM-OSTBC
T R T
C(n ,n ,n )
đạt phân tập phát bậc 2 và
có định thức tối thiểu được cho bởi công thức:
20

ì
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
î
min
4
=
16sin -PSK, 8


d
p
³
M
4

4
64
G
16
G
víi ®iÒu chÕ - QAM
víi ®iÒu chÕ BPSK vµ QPSK
víi ®iÒu chÕ
M
M M
(3.
20)
3.3.3. Khôi phục tín hiệu trong hệ thống SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
.
Bộ giải mã SO-ML được tóm tắt như sau:
1. Với mỗi ma trận
q
%
H
và mỗi cặp tín hiệu
1, 2,
( , )
m m
x x
trong chòm sao tín
hiệu
x

W
, tính hai khoảng cách Euclide:
( )
1, 1,
m
q q m
d d x=

với
1, ,m M= L
( )
2, 2,
m
q q m
d d x=

với
1, ,m M= L
2. Tìm
min
1,q
d
trong số
M
giá trị
1,
m
q
d
và

1
ˆ
q
x
tương ứng với
min
1,q
d
.
3. Tìm
min
2,q
d
trong số
M
giá trị
2,
m
q
d
và
2
ˆ
q
x
tương ứng với
min
2,q
d
.

4. Tính
min min
1, 2,q q q
d d d= +
, với
1, ,q Q= L
.
5. Tìm
ˆ
q
tương ứng với khoảng cách tối thiểu
min
q
d
trong số
Q
giá trị
q
d
.
6. Các ký hiệu và từ mã SC thu được như sau:
ˆ
ˆ
=
q
S S
,
( )
( )
ˆ ˆ

1 2 1 2
ˆ ˆ ˆ ˆ
, ,
q q
x x x x=
.
7. Sử dụng
ˆ
S
và
1 2
ˆ ˆ
,( )x x
để khôi phục lại
(2 )m l+
bit dữ liệu.
3.3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận.
Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để đánh giá BER của mã
SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
với các cấu hình ăng-ten khác nhau và so
sánh với nhiều hệ thống MIMO hiện tại bao gồm V-BLAST, mã
Alamouti, QOSTBC, SM, STBC-SM, Srinath STBC, và G-STSK v.v
21
3.4. Kết luận.
Trong chương này, nghiên cứu sinh đã đề xuất và phát triển mã
khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế không gian cho 4
ăng-ten phát và mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế

không gian với định thức không triệt tiêu, xây dựng các bộ giải mã tối
ưu ML với độ phức tạp tính toán thấp.
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
BER
E
b
/N
0
(dB)
C(4, 2, 4), 4-QAM
QO-STBC, (n
T
, n
R
)=(4, 2), 16-QAM
Ismail STBC, (n

T
, n
R
)=(4,2), 16-QAM
Srinath STBC, (n
T
, n
R
)=(4,2), 4-QAM
G-STSK(4,2,2,4,2), 8-PSK
Alamouti STBC, (n
T
, n
R
)=(2,2), 16-QAM
STBC-SM, (n
T
, n
R
)=(4, 2), 8-QAM
Hình 3.6: Các đường BER của SM-
OSTBC
(4,2,4)C
, G-STSK(4,2,2,4,2),
STBC-SM, QOSTBC, Ismail STBC và
Srinath STBC và mã Alamouti.
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21
10
-6
10

-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
E
b
/N
0
(dB)
BER
C(4, 4, 4), 16-QAM
STBC-SM, (n
T
, n
R
)=(4, 4), 32-QAM
Alamouti, (n
T
, n
R
)=(2, 4), 64-QAM
Srinath STBC, (n
T

, n
R
)=(4, 4), 16-QAM
SM, (n
T
, n
R
)=(4, 4), 16-QAM
Ismail STBC, (n
T
, n
R
)=(4, 4), 64-QAM
QO-STBC, (4, 4) system, 64-QAM
Hình 3.7: Các đường BER của hệ thống
SM-OSTBC
(4,4,4)C
, STBC-SM,
QOSTBC, và Ismail STBC, Srinath
STBC, SM và mã Alamout.
Họ mã SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
với định thức không triệt tiêu có
phẩm chất lỗi bit tốt hơn nhiều so với nhiều mã khối không gian thời
gian hiện có khi có cùng hiệu quả sử dụng phổ tần và cấu hình ăng-ten.
Vì vậy, cùng với ưu điểm là có bộ giải mã ML đơn giản, mã SM-
OSTBC
( , , )

T R T
C n n n
có thể là một mã tiềm năng cho ứng dụng trong
các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới.
KẾT LUẬN
Luận án đã đề xuất và xây dựng được các hệ thống truyền dẫn
MIMO vô tuyến có hiệu quả sử dụng phổ tần và phẩm chất lỗi bit cao
22
bằng cách kết hợp giữa kỹ thuật điều chế không gian với kỹ thuật mã
khối không gian thời gian trực giao.
A. Các kết quả của luận án.
1. Đề xuất khái niệm mới từ mã chòm sao tín hiệu không gian để làm
nền tảng xây dựng các hệ thống truyền dẫn MIMO có hiệu quả sử dụng
phổ tần và phẩm chất lỗi bit cao.
2. Đề xuất mã điều chế không gian mã khối không gian thời gian tốc độ
cao, HR-STBC-SM, cho 4 và 6 ăng-ten phát dựa trên mã khối không
gian thời gian trực giao Alamouti. Mã HR-STBC-SM đạt bậc phân tập
2
R
n
. So với mã Alamouti, mã HR-STBC-SM có hiệu quả sử dụng phổ
tần cao hơn từ 1,5 đến 2 bpcu. Bên cạnh đó, để đạt được cùng một hiệu
quả sử dụng phổ tần mà phẩm chất lỗi bit vẫn đạt xấp xỉ mã HR-STBC-
SM dùng ít ăng-ten phát hơn mã STBC-SM.
3. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế
không gian cho 4 ăng-ten phát, SM-OSTBC
4,3
C
, dựa trên trên mã
OSTBC tốc độ mã 3/4 đã được xây dựng cho 3 ăng-ten phát. Mã này đạt

được bậc phân tập là
3
R
n
và có hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn 1 bpcu
so với mã OSTBC tốc độ mã 3/4 đã được đề xuất cho 3 ăng-ten
phát là 1 bpcu.
4. Đề xuất mã khối không gian thời gian trực giao kết hợp điều chế
không gian cho số lượng ăng-ten phát là một số chẵn bất kỳ, lớn hơn
hoặc bằng 4, dựa trên mã Alamouti, SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
. Mã có
tính chất “định thức không triệt tiêu”, đạt bậc phân tập
2
R
n
và hiệu quả
sử dụng phổ tần rất cao so với hiệu quả sử dụng phổ tần của mã STBC-
SM đề xuất bởi Basar với cùng
T
n
. Mã SM-OSTBC
( , , )
T R T
C n n n
được chứng minh là có phẩm chất lỗi bit tốt hơn nhiều hệ
thống MIMO hiện có.
23

5. Xây dựng các bộ giải mã ML đơn luồng có độ phức tạp thấp nhờ tính
chất trực giao của mã Alamouti và mã OSTBC tốc độ 3/4.
Ba mã được đề xuất trong luận án có những đặc điểm khác nhau, vì
vậy chúng có những phạm vi ứng dụng khác nhau:
- Mặc dù mã HR-STBC-SM được thiết kế cho 4 và 6 ăng-ten phát,
nó chỉ yêu cầu sử dụng 02 máy thu phát RF. Vì vậy, nó có thể được sử
dụng hệ thống MIMO ít máy phát hơn số ăng-ten, cấu trúc hệ thống đơn
giản, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
- Mã SM-OSTBC
4,3
C
có bậc phân tập phát cao và có phẩm chất
lỗi bit tốt hơn một số loại mã không gian thời gian hiện có như
VBLAST, SM, Alamouti, Ismail STBC Bên cạnh đó, mã SM-OSTBC
4,3
C
còn cho phép tách sóng ML đơn giản. Vì vậy, mã SM-OSTBC
4,3
C
có thể là ứng viên để thay thế các mã hiện có như VBLAST hay Ismail
STBC trong hệ thống MIMO với 4 ăng ten phát.
- Mã SM-OSTBC
( )
, ,
T R T
C n n n
có thể được ứng dụng trong các
trường hợp yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao, phẩm chất tốt, sử dụng được
với mọi loại điều chế và không yêu cầu giới hạn về số lượng máy thu
phát RF, tức là số lượng máy thu phát RF có thể bằng với số lượng ăng-

ten phát.
B. Hướng phát triển của luận án.
Các hướng phát triển tiếp theo của luận án có thể được xác định
như sau:
- Xây dựng các mã mới dựa trên các mã OSTBC có bậc phân tập
phát cao hơn.
- Nghiên cứu, nâng cao hơn nữa số lượng từ mã SC của mã HR-
STBC-SM bằng cách sử dụng các giá trị
q
lớn hơn hoặc đề xuất
các véc-tơ gốc
q
s
và
*
q
s
mới.
24
- Xây dựng các mã mới dựa trên các mã khối không gian thời
gian hiện có như mã Golden Code, V-BLAST, v.v…
- Xây dựng các bộ mã khối không gian thời gian sai phân
(differential STBC).
- Áp dụng mã SM-OSTBC vào thông tin chuyển tiếp.
25