Mã Hóa Khối Không Gian Thời Gian (Space Time Block Codes)

3.3.1. Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Là sự truyền cùng một tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau.

Hình 3.6: Sơ đồ phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading.

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading.

1 c

f d v. fc

Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể.

 Nhận xét:

 Độ lợi phân tập tăng lên

 Tác động của kênh truyền lên tín hiệu được cải thiện

 Tuy nhiên, phân tập thời gian làm giảm tốc độ dữ liệu

3.3.2. Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắp xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập. Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số. Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng. Phân tập không gian không gây tổn thất trong sử dụng hiệu quả băng tần như phân tập thời gian.

x(n

Y (n)

Y2(n

x(nT)

Tín

hiệu vào

H12

combination

(nT)

x’(nT)

Hình 3.7: Mô hình phân tập không gian Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten.

Phân tập không gian gồm có: Phân tập phân cực

Trong phân tập phân cực, tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang được phát bằng hai anten phân cực khác nhau và cũng thu bằng 2 anten phân cực khác nhau.

Điều đó đảm bảo tạo ra 2 tín hiệu không tương quan mà vẫn không cần đặt hai anten cách xa nhau.

Phân tập anten phát

Trong phân tập phát, nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát. Tín hiệu được xử lí ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.

Phân tập anten thu

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading nhiều đường.

3.3.3. Phân tập tần số

Là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tín hiệu. Các tần số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với các tần số còn lại. Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảo đặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau. Trong thông tin di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số để tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang, nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ. Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thì trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ symbol. Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hiệu quả để tạo ra phân tập tần số. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số gây ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số.

3.3.4. Các phương pháp kết hợp phân tập

3.3.4.1. Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn (SC)

 Bộ tổ hợp lựa chọn

Trong bộ tổ hợp lựa chọn, từ một tập hợp M phần tử anten, nhánh có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất được chọn ra và kết nối trực tiếp với máy thu. Như vậy số anten càng lớn hoặc số phần tử càng lớn của anten mảng thì khả năng có được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn. Trong thực tế, tín hiệu có năng lượng (tín hiệu + nhiễu) lớn nhất sẽ được chọn. Vì thế tại đầu ra, dữ liệu sẽ thu được có chất lượng tốt nhất.

Hình 3.8: Mô hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn

 Bộ tổ hợp kiểu quét

Trong bộ tổ hợp kiểu quét, một bộ quét sẽ quét tất cả các nhánh nhận được từ anten nhận và lựa chọn nhánh có tỉ số SNR lớn hơn một ngưỡng đã được cho trước. Đến khi nào nhánh ra này có SNR nhỏ hơn mức ngưỡng thì bộ quét sẽ quét lại tất cả các nhánh để chọn ra nhánh có SNR lớn hơn mức ngưỡng đã cho.

Hình 3.9: Bộ tổ hợp kiểu quét

3.3.4.2 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC)

Là kỹ thuật chuyển đổi tất cả các giá trị độ lợi của các nhánh đều bằng nhau và không thay đổi trong quá trình hoạt động. Đầu ra là tổng của các tín hiệu đồng pha của tất cả các nhánh. Là một trường hợp của phương pháp tổ hợp với tỉ số tối đa.

3.3.4.3 Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa (MRC)

Phương pháp tổ hợp tỉ số tối đa tận dụng tốt nhất khả năng của các nhánh phân tập trong hệ thống. Tất cả M nhánh được nhân trọng số với các tỉ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng. Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha sao cho tín hiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất. Tín hiệu tổng chính là tín hiệu ra thu được.

Phương pháp tổ hợp tỉ số tối đa có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tập lựa chọn nhưng phức tạp hơn; do phải đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồng pha với nhau và các trọng số phải được cập nhật chính xác.

Gọi ri, r, i

Hình 3.10: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại

là tín hiệu ngõ vào nhánh i, tín hiệu ngõ ra cuối cùng ở bộ nhận tín

hiệu, hệ số đối trọng của tín hiệu vào nhánh i.

Gọi Ai và i

r i.ri

i1

là pha của tín hiệu nhánh i (ri)

Lúc đó giá trị i

là:

A eji

Suy ra, giá trị của r là:

r Ai

i1

Trong kết hợp tỉ số cực đại (MRC), tín hiệu ở các nhánh được lấy trọng số và kết hợp sao cho đạt được CNR tức thời cao nhất có thể với các kỹ thuật kết hợp tuyến tính.

3.4. MÃ HÓA KHÔNG GIAN - THỜI GIAN

Mã hóa không gian – thời gian (Space time Coding), viết tắt là STC. STC là phương pháp cải thiện độ tin cậy của tín hiệu truyền trong hệ thống liên lạc không dây bằng cách sử dụng đa anten. Mã hoá không gian-thời gian dùng nhiều đường truyền và nhiều phiên bản của tín hiệu truyền, gửi chúng đến bộ thu với mong muốn khi truyền

qua kênh không gian vật lí thì ít nhất một trong các tín hiệu thu được sẽ ở trạng thái đủ tốt để thực hiện giải mã tại máy thu với độ tin cậy cao.

Mã hoá không gian - thời gian có 2 loại chính:

 Mã hoá khối không gian-thời gian (Space Time Block Code - STBC).

 Mã hoá lưới không gian-thời gian (Space Time Trellis Code - STTC).

3.4.1. Mã hóa khối không gian thời gian (Space time block Codes)

STBC là một kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông không dây 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. Thực tế thì các tín hiệu truyền bị thay đổi trong môi trường truyền như tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ và nhiễu nhiệt tại bộ thu, do vậy chất lượng của vài phiên bản dữ liệu sẽ tốt hơn số còn lại.

STBC thì dữ liệu sẽ được truyền trong các khối đã được mã hoá và chúng được phân phối qua các anten không gian theo thời gian.

STBC được biểu diễn dưới dạng ma trận. Mỗi hàng là một khe thời gian, mỗi cột là các tín hiệu truyền của một anten theo thời gian.

Các khe thời gian

Các anten truyền

s11 s12….....s1nT s21 s22…….s2nT

. .

Sij là kí tự trên khe thời gian i, được truyền từ anten j

T là số khe thời gian, nT là số anten truyền, nR số anten thu

Tỉ lệ mã hoá (R) của STBC được tính bằng số kí tự được mã hoá trong một khối

(k) trên số khe thời gian (T):

R k

STBC sử dụng phương pháp sắp xếp trực giao lại thứ tự các tín hiệu tại các anten phát. Nghĩa là hai vectơ của hai cột bất kì trong ma trận là trực giao với nhau.

 Giải mã STBC trong máy thu

Bộ giải mã trực giao STBC là giải mã tối ưu (maximum likelihood decoding) được thực hiện tại bộ thu với quá trình xử lí tuyến tính.

Hình 3.11: Sơ đồ giải mã của hệ thống STBC

Nhằm làm rõ phương pháp mã hoá này, một hệ thống liên lạc không dây mẫu được xây dựng như sau:

Tại thời điểm t, tín hiệu

r j , nhận tại anten j, được cho bởi:

r j ci j

t ij t t

i1

Trong đó ij là độ lợi đường từ anten truyền đến anten nhận j, cti là tín hiệu được truyền tại anten i và ntj là nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN).

Giả sử rằng thông tin trạng thái kênh là hoàn hảo, bộ thu sẽ tính độ thông suốt quyết định:

l m n

r j ci

t 1

j 1

i1

ij t

Thông qua tất cả các từ mã: c1c2 ...cnc1c2 ...cn ...c1c2 ...cn

1 1 1 2 2 2 l l l

Và quyết định chọn từ mã thích hợp sao cho tổng trên là nhỏ nhất.

3.4.2. Mã lưới không gian thời gian STTC

STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được mở rộng cho trường hợp MIMO. Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông vũ trụ và vệ tinh, do chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp.

Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu vào để tạo ra một chuỗi các vevtor mã độc lập, thì STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra từng chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa.

Bộ mã hóa tạo các vector mã bằng cách dịch chuyển các bit dữ liệu qua thanh ghi dịch qua K tầng mỗi tầng có k bit. Một bộ n phép cộng nhị phân với đầu vào là K tầng sẽ tạo ra vector mã n bit cho mỗi k bit đầu vào. Tại một thời điểm, k bit dữ liệu đầu vào sẽ được dịch vào tầng đầu tiên của thanh ghi dịch, k bit của tầng đầu sẽ được dịch vào k bit của tầng kế. Mỗi lần dịch k bit dữ liệu vào sẽ tạo ra một vector mã n bit.

Tốc độ mã là Rc = k/n.

K là số tầng của thanh ghi dịch được gọi là constraint length của bộ mã. Hình dưới cho ta thấy rõ mỗi vector mã trong mã lưới phụ thuộc vào kK bit, bao gồm k bit dữ liệu vào tần đầu tiên và (K-1)k bit của K-1 tầng cuối của bộ mã hoá, K-1 tầng cuối này gọi là trạng thái của bộ mã hoá, trong khi đó chỉ có k bit dữ liệu đầu vào trong mã khối ảnh hưởng tới vector mã.

n bit

T ôùi boäđieàu cheá