Phẩm chất của hệ thống Alamouti STBC - OFDM trong môi trường Fading đa đường

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Hoàng Quang Trung và cs

78(02): 105 - 108

PHẨM CHẤT CỦA HỆ THỐNG ALAMOUTI STBC-OFDM
TRONG MÔI TRƢỜNG FADING ĐA ĐƢỜNG
Hoàng Quang Trung1*, Vũ Đức Hiệp2
1

Khoa Công nghệ thông tin – ĐH Thái Nguyên, 2Học viện Kỹ thuật Quân sự

TÓM TẮT
Gần đây, đã có rất nhiều các nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất các sơ đồ truyền dẫn nhằm
nâng cao phẩm chất hệ thống thông tin vô tuyến. 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. Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành tách tín hiệu tại máy thu bằng phƣơng pháp
MLD. Với mô hình hệ thống đƣợc đƣa ra ở trên, nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng đa đƣờng sẽ bị loại
bỏ. Kết quả mô phỏng bằng Matlab cho thấy tham số phẩm chất hệ thống về tỷ số lỗi bit (BER)
dựa trên sơ đồ này là tốt hơn hẳn so với sơ đồ Alamouti 2x1 đơn giản khi ta xét trong môi 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)
và mã khối không gian – thời gian (STBCSpace-Time Block Code) là kỹ thuật sử dụng

trong truyền dẫn đang đƣợc nhiều ngƣời quan
tâm do những lợi ích có đƣợc trong các ứng
dụng truyền thông vô tuyến. OFDM hỗ trợ
khả năng đạt đƣợc tốc độ dữ liệu cao bằng
cách phân bổ luồng dữ liệu nối tiếp vào N
luồng dữ liệu tốc độ thấp song song tƣơng
ứng đƣợc phát trên N sóng mang phụ trực
giao. Trong trƣờng hợp N đủ lớn và khoảng
thời gian bảo vệ là an toàn, các kênh ứng với
mỗi sóng mang phụ khi đó gần nhƣ là phẳng
theo tần số và cho phép thực hiện điều chế bậc
cao [3]. Do khả năng này và một số lợi ích hấp
dẫn khác, OFDM đã đƣợc ứng dụng trong rất
nhiều hệ thống truyền thông thƣơng mại.
Mã khối không gian – thời gian (STBC) là
một trong những kỹ thuật truyền thông dành
cho các hệ thống vô tuyến, thực hiện phân tập
theo không gian (và tăng độ lợi mã hóa) bằng
cách tạo ra sự tƣơng quan về thời gian và
*
Tel: 0904055956; Email:

không gian vào các tín hiệu đƣợc phát từ các
anten phát khác nhau. Sơ đồ thực hiện mã
khối không gian – thời gian điển hình là sơ đồ
Alamouti, cho phép thực hiện phân tập đầy đủ
với hai anten phát. Tuy nhiên với sơ đồ
Alamouti, nhiễu giữa các ký hiệu ISI
(Intersymbol Interference) tại máy thu chƣa
đƣợc loại bỏ, làm ảnh hƣởng tới phẩm chất

BER của hệ thống. Chính vì vậy ý tƣởng kết
hợp OFDM với mã STBC sẽ tạo ra hệ thống
truyền dẫn thực sự tối ƣu. Dƣới đây ta sẽ
nghiên cứu hệ thống nhƣ thế.
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Trong hệ thống Alamouti STBC-OFDM (dựa
trên [3] đƣợc thể hiện ở hình a), sơ đồ
Alamouti đƣợc thực hiện thông qua hai ký
hiệu OFDM liên tiếp trong mỗi sóng mang
phụ. Trƣớc tiên, mỗi khối gồm N ký hiệu
thông tin lối vào đƣợc chuyển đổi từ dạng nối
tiếp sang song song để tạo thành chuỗi các
véc-tơ Ds   Ds 0 , Ds 1 ,, Ds  N  1 , ở
đó, N đƣợc giả thiết là bằng với độ dài biến
đổi IFFT của bộ điều chế OFDM và bằng bội
của 2, s là chỉ 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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Hoàng Quang Trung và cs

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

không gian – thời gian đƣợc phát trên sóng
mang phụ thứ k bởi anten phát thứ l trong
khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m. Bộ

mã hóa A-STBC-OFDM tạo ra các 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,s1  k   Ds1  k   Ds  k 

(1)

ở đó x* biểu diễn liên hợp phức của x.

a. Sơ đồ thực thi bộ phát Alamouti STBC-OFDM

b. Sơ đồ thực thi bộ thu Alamouti STBC-OFDM

Bây giờ chúng ta biểu diễn các véc-tơ đầu ra
của bộ mã hóa Alamouti-STBC-OFDM
Xl ,m   X l ,m 0 , X l ,m 1 ,, X l ,m  N  1 cho
các chu kỳ ký hiệu m  s, s  1 , để đƣa tới
hai khối chuyển đổi IFFT tƣơng ứng với các
anten phát l  1 và l  2 có thể 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 các véc-tơ đầu

n  0,1,, N  1

Trong đó, WNm  e 
, toán tử   biểu
diễn phép lấy liên hợp phức. Cần chú ý rằng
bốn toán tử IFFT đƣợc thực hiện để tạo các
tín hiệu điều chế OFDM cho các chu kỳ s và
s+1 đối với hai anten. Sau đó, xl ,m đƣợc chèn
thêm vào mã bảo vệ CP (Cyclic Prefix) có độ
dài C để để phát trên anten thứ l trong
khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ m.
Quá trình tách tín hiệu tại máy thu đƣợc thực
hiện ngƣợc lại so với các quá trình đã thực
hiện tại máy phát, theo sơ đồ hình b). Giả sử
kênh fading đa đƣờng giữa anten phát và
anten thu gồm p thành phần đa đƣờng

 j 2 m N

 p 0,1,, P 1 , có biên độ là l ,m  p

và độ trễ p.Ts . Để đơn giản, ta giả thiết

Ts  1 khi đó có kênh đƣợc biểu diễn thành

ra của các khối IFFT, để đƣa tới bộ chuyển
đổi song song sang nối tiếp, đƣợc xác định
bởi [1]:


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

ở đó,   là hàm xung Dirac. Do đó, tại

phía thu, tín hiệu thu đƣợc có thêm trễ kênh

106

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Hoàng Quang Trung và cs

và H 2,s  k   H 2,s1  k    2  k  .

2

ym  n    hl ,m  n   xl ,m  n   zm  n 
l 1

(5)

2 P 1

  l ,m  p xl ,m  n  p   zm  n 

Do đó:

l 1 p 0

Trong đó, zm  n  là tạp âm Gauss ngẫu nhiên.
TÁCH TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG
ALAMOUTI STBC-OFDM
Nếu độ dài C của mã bảo vệ CP đƣợc chọn
dài hơn so với trải trễ lớn nhất  max  ( P  1)

thì sau khi loại bỏ CP, tín hiệu ym  n thu

l 1

Trong đó
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) có thể 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    2  k 
2

2

 X k   H

  k    X  k 
Trong đó X
 1

H

k  Z k 

T
X 2  k  .

Tín hiệu đƣợc tách thông qua luật quyết định:
Xl  k   arg min  X l  k    X l  k  , l  1, 2 (16)
X CM

ở đó   1  k    2  k 
2

là đáp ứng tần số kênh truyền giữa anten phát
thứ l và anten thu trong các chu kỳ ký hiệu
thứ m. Và Z m  k  là tạp âm Gauss trên miền
tần số

(14)

 k   H H k  Y k 
X

2

Ym  k    X l ,m  k  H l ,m  k   Z m  k  (6)

  k   2  k  
H  k    1*


*
 2  k  1  k 

Tín hiệu lối ra bộ chuyển đổi FFT đƣợc đƣa
vào bộ giải mã không gian-thời gian Alamouti
STBC-OFDM. Sử dụng phƣơng pháp MLD
(Maximum Likelihook Decoding) [2], ta nhận
đƣợc:

đƣợc trên sóng mang thứ k qua bộ chuyển đổi
nối tiếp-song song sau đó đƣợc cho qua bộ
biến đổi FFT sẽ có dạng:

H l ,m  k    hl ,m  n  e

78(02): 105 - 108

2

và CM là các

chòm sao tín hiệu.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB
Kết quả mô phỏng dƣới đây chủ yếu tập trung
vào đánh giá phẩm chất BER của hệ thống
Alamouti 2x1 STBC-OFDM trong môi
trƣờng có fading đa đƣờng để thấy đƣợc ƣu
điểm nổi bật của nó so với hệ thống dựa trên
sơ đồ Almouti 2x1 khi không sử dụng kỹ
thuật OFDM.

Trong đó

BER Comparison of Almouti and Alamouti-Ofdm Schemes in Multipath Fading Environment

-1

10

X k    X1  k  X 2  k 
Y  k   Y1  k  Y2*  k 
Z  k    Z1  k  Z 2  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, khi đó ta có:

H1,s  k   H1,s1  k   1  k 

-4

10

0

2

4

6

8

10
Eb/No

12

14

16

18

20

Hình 2. So sánh phẩm chất BER giữa hai hệ thống
Alamouti-ofdm và Almouti

107

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Hoàng Quang Trung và cs

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Kết quả mô phỏng ở trên đƣợc thực hiện với
tham số:
Độ dài dữ liệu: 2048.
Số kênh con: 128.
Số kênh đa đƣờng: 2.
Dựa trên kết quả mô phỏng ta nhận thấy
phẩm chất BER của hai sơ đồ giống nhau khi
yêu cầu về tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm
(SNR) thấp. Tuy nhiên với mức yêu cầu
(SNR) cao hơn thì sơ đồ Alamouti STBCOFDM cho kết quả tốt hơn so với sơ đồ
Alamouti đơn giản khi xét trong môi trƣờng
fading đa đƣờng. Nhƣ vậy có nghĩa là hiệu
ứng fading đa đƣờng đã gây ra nhiễu ISI
(Intersymbol Interference) và làm ảnh hƣởng
đến quá trình tách tín hiệu tại máy thu trong

trƣờng hợp sử dụng sơ đồ Alamouti 2x1. Do
đó, nếu nhƣ sử dụng cả mã khối STBC và kỹ
thuật OFDM thì hệ thống sẽ có đƣợc cả ƣu
điểm về độ lợi phân tập và khắc phục đƣợc
ISI dẫn tới phẩm chất hệ thống tốt hơn.

78(02): 105 - 108

KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu mô
hình hệ thống Alamouti 2x1 STBC-OFDM.
Trên cơ sở đó, đã đƣa ra đƣợc mô hình toán
học để thực thi hệ thống khi xét trong môi
trƣờng có fading đa đƣờng và thực hiện tách
tín hiệu bằng cách sử dụng phƣơng pháp
MLD. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã mô phỏng
bằng matlab để đánh giá tham số phẩm chất
hệ thống BER của sơ đồ dựa trên mô hình hệ
thống này khi so sánh với hệ thống STBC đơn
giản Alamouti 2x1 trong môi 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, 2.

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:

108

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên