Đánh giá hiệu năng các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO OFDM

I H C QU C GIA TP.H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA - TR N QUANG THÀNH THU T TÁCH SÓNG TRONG H TH NG MIMO-OFDM Chuyên ngành: K thu nt Mã s : 60 52 70 LU TP H CHÍ MINH, t 2013 c hoàn thành t Các b i H c Bách Khoa ng d n khoa h c: -HCM TS H Cán b ch m nh n xét 1: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 2: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Lu cb ov t ih Thành ph m: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v c a H ng ch m b o v lu Xác nh n c a Ch t ch H ngành sau lu CH T CH H B môn qu n lý chuyên ngành c s a ch a (n u có) NG B MƠN QU N LÝ CHUN NGÀNH I H C QU C GIA TP.HCM C NG HÒA XÃ H I CH I H C BÁCH KHOA cl p _ T T NAM H nh phúc NHI M V LU H tên h c viên: Tr n Quang Thành MSHV: 12140043 Chuyên ngành: K thu Mã s : 605270 I nt TÀI: thu t tách sóng h th ng MIMO-OFDM II NHI M V VÀ N I DUNG: + Tìm hi u v kênh truy n vô ng c a kênh truy n vô m, nguyên nhân nh i v i tín hi u + Kh o sát kênh truy n MIMO h th ng hi c a tín c h th ng MIMO-OFDM + Tìm hi u v k thu t tách sóng ZF, MMSE, ML SD T p trung ch y u + Mô ph ch ng c a thông s h th ng, kênh truy ng h th ng T truy n nh m nâng cao ch a ch n k thu t tách sóng phù h p v ng mà v n cân b cv n ng ph c t p th c hi n III NGÀY GIAO NHI M V : 19/08/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 06/12/2013 V CÁN B CÁN B NG D N: TS H NG D N (h tên ch ký) CH NHI M B MÔN (h tên ch ký) NG KHOA (h tên ch ký) L IC Em xin g i l i c i th y TS H ng d n em su t trình th c hi n lu lịng bi t b môn Vi n n th n n i H c Bách Khoa Thành Ph H Chí Minh, nh t th y cô t cho chúng em nh ng ki n th c quý báu Tp H Chí Minh, ngày 06 tháng 12 H c Viên Tr n Quang Thành -i- ABSTRACT Quality of signal detection is affected by characteristics of wireless channels By mastering these characteristics, errors in detection process can be minimized In addition, some modulation and multiplexing techniques applied to transmited signals have been studied and developed in order to maximize transmission rate and enhance robustness against severe fading Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) was proposed as a solution Moreover, the OFDM technique is often combined with multiple-input multiple-output (MIMO) channel to improve channel capacity and communication reliability Therefore, MIMO-OFDM will be a promising technology for high data rate communications However, the detection process at the receiver in MIMO-OFDM systems becomes complicated, dependent of the number of transmit antennas and the number of bits in a symbol Two linear signal detection techniques, zero-forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE), as well as one non-linear signal detection technique sphere decoding (SD) are addressed in this thesis For the linear case, the detection is done simply by multiplying the received signals by the inverse channel matrix The inverse channel matrix is different for different techniques Meanwhile, the SD is more challenging The SD aims to limit solution space for maximum likelihood detection problem In other words, the SD is to find the closest lattice point to a given point inside the sphere This problem is equivalent to an integer least squares problem The sphere decoding algorithm is presented after geometric interpretation and tree representation Matlab simulation results illustrate that r rate (SER) performance is better than ZF and MMSE ones However, the choice of the modulation constellation size and the number of transmit antennas and receive antennas affects the quality of the detection process in MIMO-OFDM systems -ii- TĨM T T LU Q trình tách sóng b ng nhi u b i tính ch t c a kênh truy n vô n Bi t c tính s giúp cho q trình tách sóng hi u qu Bên c thu phát tri u ch ghép kênh truy n tín hi u t c nghiên c u cao có kh ng ch u t t v i môi ng kênh truy n K thu t ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao (OFDM) gi i quy t v ng k t h p v i kênh truy n (MIMO) ng kênh truy OFDM s h a h n m t công ngh cho vi c truy n d li u t Tuy nhiên, trình tách sóng ph c t p tùy vào s cao u thu h th ng MIMO-OFDM tr nên r t ng anten phát s bit m t ký t Lu p trung vào phân tích hai k thu t tách sóng n tính (ZF, MMSE) m t k thu t tách sóng phi n SD (tách sóng c u) Q trình th c hi n tách sóng n tính n b ng cách nhân ngh Ma tr n ngh c o ma tr n kênh truy n v i tín hi o khác cho t ng k thu sóng c u ph c t t nhi u P c thu t tách tách sóng c u gi i h n khơng gian tìm ki m nghi aximum likelihoo i g n nh t v i m c không gian c nh nh ng h p s nguyên Gi i thu t tách sóng c trình phân tích hình h K t qu mô ph ng b y k thu t tách sóng SD cho k t qu xác su t l i ký t (SER) th i hai k thu t tách sóng ZF MMSE Tuy nhiên, vi c l a ch phát, anten thu có u ch s n ch ng anten ng k thu t tách sóng h th ng MIMO-OFDM -iii- L Tác gi t kì m t cơng trình c -iv- M CL C L IC i ABSTRACT ii TÓM T T LU iii L iv M C L C v DANH M C T VI T T T viii DANH M C HÌNH V ix DANH M C B NG BI U xi U 1.1 Gi i thi u 1.2 Lý ch tài 1.3 M u .2 a th c ti n c tài .3 ng ph m vi nghiên c u u 1.7 C u trúc lu N VÔ TUY N 2.1 Hi ng .6 2.2 Hi u ng Doppler 2.3 Hi ng fading 2.3.1 Fading t m r ng .9 2.3.2 Fading t m h p .10 2.4 Các ki u kênh truy n 14 2.4.1 Kênh truy n nhi u tr ng phân b Gaussian (AWGN) 14 -v- 2.4.2 Kênh truy n phân b Rayleigh .14 2.4.3 Kênh truy n phân b Rician 16 2.5 Nhi u liên sóng mang ICI 17 TH NG MIMO-OFDM 19 3.1 H th ng MIMO 19 3.1.1 Gi i thi u h th ng MIMO 19 3.1.2 Kênh truy n MIMO .19 ng kênh truy n MIMO 22 3.2 H th ng OFDM 23 3.2.1 Gi i thi u h th ng OFDM 23 3.2.2 Tính tr c giao OFDM 24 3.2.3 Kho ng th i gian b o v Cyclic Prefix (CP) .24 m c a OFDM .25 3.2.5 Các thành ph n h th ng OFDM 26 3.3 H th ng MIMO-OFDM .30 THU T TÁCH SÓNG 33 4.1 K thu t tách sóng n tính 33 4.1.1 K thu t tách sóng ZF 33 4.1.2 K thu t tách sóng MMSE 34 4.2 K thu t tách sóng ML 34 35 4.3.1 Gi i thi u 35 g nh nh ng h p s nguyên 35 4.3.3 Tách sóng c u (Sphere Decoding) 39 T QU .49 -vi- 5.1 K t qu SER mô ph ng dùng k thu t tách sóng ZF MMSE .49 5.2 K t qu SER mô ph ng dùng k thu t tách sóng SD 51 5.3 So sánh ba k thu t tách sóng: ZF, MMSE, SD 53 is ng 56 i N bi i FFT 58 5.6 So sánh h th ng MIMO-OFDM v i 60 T LU NG PHÁT TRI TÀI .66 TÀI LI U THAM KH O 67 -vii- t qu 5.4 is GVHD: TS H ng 5.4.1 Thông s mô ph ng Thông s Giá tr N-FFT 64 T ns l ym u 20MHz Kho ng cách sóng mang 312.5 kHz S 3, 6, ng T n s sóng mang 2.4GHz Kênh truy n MIMO (Tx Rx) 2x2 K thu t tách sóng ZF, MMSE, SD u ch 4-QAM 5.4.2 K t qu mô ph ng Nh n xét k t qu mô ph ng: Hình 5.7 cho th y s ng c a kênh truy n ng nk t qu tách sóng cho k thu t tách sóng SD, MMSE ZF Gi i thích k t qu mơ ph ng: Vi u ch tín hi u b ng k thu t OFDM giúp cho tín hi u có th ch ng ch u t t v i kênh truy ng Khi tr i tr ng nh u dài c a kho ng b o v Cyclic Prefix, tín hi u m i sóng mang s kênh truy n fading ph is su t l i ký t ng c a kênh truy n xác t qu response) c a kênh truy n t Lu t ng t n s (frequency 5.8: -56- HVTH: Tr n Quang Thành t qu Hình 5.7: ng c n ch Hình 5.8: Lu GVHD: TS H i giá tr nTap= 3,6,9) ng k thu t tách sóng ng t n s c a kênh truy n nTap= 3, 6, t i SNR = 10 -57- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H K t qu hình 5.8 cho th y, nTap =3, hay 9, vi mang góp ph n làm gi u ch tín hi u sóng ng c a hi ng Nguyên a m i sóng mang khơng l n có th g n b ng v i nh c a kênh truy n 5.5 i N bi i FFT 5.5.1 Thông s mô ph ng Thông s Giá tr N-FFT 32, 64, 128 T ns l ym u 20MHz Kho ng cách sóng mang 625 kHz, 312.5 kHz, 156.25 kHz S 10 ng T n s sóng mang 2.4GHz Kênh truy n MIMO (Tx Rx) 2x2 K thu t tách sóng ZF, MMSE, SD u ch 4-QAM 5.5.2 K t qu mô ph ng Nh n xét k t qu mơ ph ng: Hình 5.9 cho th y xác su t l i ký t SER b cc i i s sóng mang c a h th ng OFDM) Gi i thích k t qu mơ ph ng: i kho ng cách c a sóng mang nh l Lu ,m ng c a kênh truy n ch n t n s -58- HVTH: Tr n Quang Thành t qu s th GVHD: TS H t truy n tín hi u cho m i sóng mang s th m b o r ng công su t phát cho h th ng th i v i cơng su t nhi u m ó, k t qu c nên SER c a k thu t qu truy n t Hình 5.9: n Hình 5.10: Lu ng t n s (frequency response) c a kênh 5.10: ng giá tr N- n ch ng k thu t tách sóng ng t n s c a kênh truy n N= 32, 64, 128 t i SNR = 10 -59- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H K t qu hình 5.10 cho th y, N =32, 64 hay 128, vi sóng mang góp ph n làm gi k u ch tín hi u ng c a hi ng a m i sóng mang khơng l n có th g n b ng v nh c a kênh truy n 5.6 So sánh h th ng MIMO-OFDM v i 5.6.1 K thu t tách sóng ZF h th ng MIMO-OFDM 5.6.1.1 Thông s mô ph ng Thông s Giá tr N-FFT 64 T ns l ym u 20MHz Kho ng cách sóng mang 312.5 kHz S 10 ng T n s sóng mang 2.4GHz Kênh truy n MIMO (Tx Rx) 1x1, x 2, 3x3 K thu t tách sóng ZF u ch 4-QAM 5.6.1.2 K t qu mô ph ng Nh n xét k t qu mơ ph ng: Hình 5.11 cho th y ch ng c a k thu t tách sóng ZF khơng b h th ng MIMOanten thu, v is ng ng anten phát u ki n s anten phát anten thu b ng nhau, xác su t l i ký t SER c a k thu i Lu -60- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H Gi i thích k t qu mơ ph ng: Hình 5.11:Xác su t l i ký t SER c a k thu t tách sóng ZF h th ng MIMOOFDM 1x1,2x2 3x3 V g th c (4.3): ~ xZF WZF y x (H H H ) H H n x n~ZF T công th c (5.1), xác su t l i ký t c a tín hi n~ZF có cơng su E n~ZF NT i n i (5.1) c ph c thu c vào nhi u n (5.2) v i: + NT : s anten phát Lu + n + i a nhi u : tr riêng c a kênh truy n H -61- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H i v i h th ng MIMO-OFDM có NT anten phát NR anten thu b ng xét kênh truy n Rayleigh có ng t n s c a kênh truy n g b ng ph ng cơng su t trung bình nhi u có th nh c phân t p (diversity order) c a h th ng NR NT Khi NT NR , b c phân t p c a h th ng 5.6.2 K thu t tách sóng MMSE h th ng MIMO-OFDM 5.6.2.1 Thơng s mô ph ng Thông s Giá tr N-FFT 64 T ns l ym u 20MHz Kho ng cách sóng mang 312.5 kHz S 10 ng T n s sóng mang 2.4GHz Kênh truy n MIMO (Tx Rx) 1x1, 2x2, 3x3 K thu t tách sóng MMSE u ch 4-QAM 5.6.2.2 K t qu mô ph ng Nh n xét k t qu mơ ph ng: Hình 5.12 cho th y ch t ng c a k thu t tách sóng MMSE b h th ng MIMO-OFDM 1x1, 2x2 3x3 Ch i ng tách sóng h th ng MIMO-OFDM 3x3 cho k t qu t t nh t t nh t 1x1 Gi i thích k t qu mơ ph ng: Lu -62- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H Hình 5.12: Xác su t l i ký t SER c a k thu t tách sóng MMSE h th ng MIMO-OFDM 1x1,2x2 3x3 V ông th c (4.6): ~ xMMSE WMMSEy ~ x (H H H z I ) Hn ~ x n~MMSE T công th c (5.3), xác su t l i ký t c a tín hi n~MMSE có cơng su E n~MMSE 2 n NT i ( i i 2 n ) (5.3) c ph thu c vào nhi u n ( min 2 n ) (5.4) v i: + NT : s anten phát Lu + n + i a nhi u : tr riêng c a kênh truy n H -63- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H c c a ma tr n kênh truy i theo id n giá tr riêng c a ông su t nhi u trung bình thay truy n c a h th i kênh i s anten phát anten thu) 5.6.3 K thu t tách sóng SD h th ng MIMO-OFDM 5.6.3.1 Thông s mô ph ng Thông s Giá tr N-FFT 64 T ns l ym u 20MHz Kho ng cách sóng mang 312.5 kHz S 10 ng T n s sóng mang 2.4GHz Kênh truy n MIMO (Tx Rx) 2x2, 3x3, 4x4 K thu t tách sóng SD u ch 4-QAM 5.6.3.2 K t qu mô ph ng Nh n xét k t qu mơ ph ng: Hình 5.13 cho th y ch t ng c a k thu t tách sóng SD b th ng MIMO-OFDM 2x2, 3x3, 4x4 Ch i h ng tách sóng h th ng MIMO-OFDM 4x4 cho k t qu t t nh t t nh t 2x2 is ng anten phát anten thu xác su t l i ký t SER c a k thu t tách sóng SD thay i Lu -64- HVTH: Tr n Quang Thành t qu GVHD: TS H Hình 5.13: Xác su t l i ký t SER c a k thu t tách sóng SD h th ng MIMO-OFDM 2x2, 3x3 4x4 Lu -65- HVTH: Tr n Quang Thành t lu ng phát tri n GVHD: TS H tài : K T LU NG PHÁT TRI TÀI K t lu n Trong lu n này, h th ng MIMO- c mô ph ng b Matlab kênh truy n fading ch n l c t n s có phân b Rayleigh Bên c phân tích thành cơng bi u th c c a tín hi u thu c a h th ng MIMO-OFDM u c th c hi n b nh ng l i tín hi u phát Qua k t qu mô ph m c hi u qu th c hi n r t ph c t t l i ký t SER dùng k thu th ng MIMO-OFDM cho th y kh n thông tin t cao mà v n có th ch ng ch i t t v ng kênh truy n b ng cách k t h p hai k thu t MIMO OFDM v i ng phát tri Do th i gian h n ch tài tài ch t p trung vào nghiên c u q trình tách sóng h th ng MIMO-OFDM ch y u kênh truy n ch n l c t n s b ng k thu t tách sóng ZF, ng nghiên c u có th phát tri tài này: +M r ng nghiên c u sang kênh truy n fading v a ch n l c t n s v a ch n l c th i gian (kênh truy n fading ch n l c kép) + Nghiên c u thêm v k thu t tách sóng c u nh m Lu ng gi i pháp có th c i ti n k thu t tách sóng c u -66- HVTH: Tr n Quang Thành Tài li u tham kh o GVHD: TS H TÀI LI U THAM KH O [1] M.A Mohamed, A.S Samrah, and M.I Fath-Allah, Study Of Performance Parameters Effects On OFDM Systems, International Journal of Computer Science Issues, vol 9, no 2, pp 410-417, May 2012 [2] G.J Foschini and M.J Gans, environment when using multiple antennas, Wireless Personal Communications, vol 6, pp.311 335, Mar 1998 [3] E Telatar, multi-antenna Gaussian channels, European Trans Telecommunications, vol.10, pp 585 595, Dec 1999 [4] H Bolcskei, -OFDM wireless systems: basics, perspectives, and challenges, IEEE Trans Wireless Communications, vol.13, pp 31 37, Aug 2006 [5] J Mietzner, R Schober, L.Lampe, W Gerstacker and P Hoeher, - antenna techniques for wireless communications - a comprehensive literature survey, IEEE Communications Surveys Tutorials, vol 11, pp 87 [6] R Chang, 105, June 2009 -limited orthogonal signals for multichannel data transmission, Bell Systems Technical Journal, vol 45, pp 1775 1796, 1966 [7] A.J Paulraj, D.A Gore, R.U Nabar, H communications - a key to gigabitwireless, MIMO in Proceedings of the IEEE International Conference on Communication, Feb 2004, vol 92, pp 198 218 [8] Z Liu, J.S Parks, S.A Morrison, K.S Gugel, on of an OFDM-Based MIMO System, in Proceedings of the IEEE Conference on Signal, Systems and Computers, Nov 2004, vol.1, pp 545-548 [9] V.N Richard, V.K Jones, G Awater, A.V Zelst, G James and S Greg, 802.11n MIMO-OFDM Standard for Wireless LAN and Beyond, less Personal Communications, vol 37, pp 445-453, May 2006 Lu -67- HVTH: Tr n Quang Thành Tài li u tham kh o GVHD: TS H [10] N Hajlaoui, I Jabri, M Taieb, M Benjemaa, A frame aggregation scheduler for QoS-sensitive applications in IEEE 802.11n WLANs, in Proceedings of the Communications and Information Technology , June 2012, pp 221-226 [11] S Sendra, G Miguel, C Turro, J Lloret, WLAN IEEE 802.11a/b/g/n Indoor Coverage and Interference Performance Study, International Journal On Advances in Networks and Services, vol 4, pp 209-222, Sept 2011 [12] R.B Marks, I.C Gifford, B Wireless Internet, Internet: http://www.ieee802.org/16/docs/01/80216c-01_10.pdf, 2001 [ Nov 21, 2006] [13] Z.T Sharef, A.E Alaradi, B.T Sharef, Performance Evaluation for WiMAX 802.16 e OFDMA Physical Layer, in Proceedings of the Computational Intelligence, Communication Systems and Networks, July 2012, pp 351-355 [14] B Li, Y Qin, C.P Low , C.L Gwee, mobile WiMAX [wireless broadband access], IEEE Communications Magazine, vol 45, pp 70-75, Dec 2007 descri 2009 [16] G Gómez, D Morales-Jiménez, F.J López-Martinez, J.J Sánchez, J.T io- in Proceedings of the Long Term Evolution: 3GPP LTE Radio and Cellular Technology, Apr 2009, pp 49-98 [17] S Srikanth, P.A.M Pandian, X Fernando, Orthogonal frequency division multiple access in WiMAX and LTE: a comparison, IEEE Communications Magazine, vol 50, pp 153-161, Sept 2012 [18] T Athanasiadis, Systems, Lu Multimedia lia, May 2007 -68- HVTH: Tr n Quang Thành Tài li u tham kh o GVHD: TS H [19] T.S Rappaport, Wireless Communications Principles and Practice, 2nd edition, Delhi, India: Pearson Education Inc., 2002 [20] B Vucetic, J Yuan, Space-Time Coding, John Wiley and Sons Ltd., 2003 [21] E Telatar, -antenna Gaussian channe European Transactions on Telecommunications, vol 10, no 3, pp 585 595, Dec 1999 [22] G.J Foschini and M.J cation in a fading environment Wireless Personal Communication, vol 6, no 3, pp 311-335, Sept 1998 [23] M tem capacity , Artech House, 2004 [24] Y.J Kuang and Y Teng The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, vol 10, no 3, pp 5-8, 2003 [25] Y.J Kou, W.-S Application of sphere decoding in intercarrier-interference reduction for OFDM systems in Proceedings of IEEE Pacific Rim Conference on Communications, Computers and signal Processing, Aug 2005, pp 360-363 [26] Y Li et al., 21, 2012 [27] Y.S Cho, J Kim, W.Y Y and C.G Kang, MIMO-OFDM Wireless Communications with Matlab, John Wiley and Sons Ltd., Oct 2010, pp 319-372 [28] U Fincke and M Pohst, Improved methods for calculating vectors of short length in a lattice, including a complexity analysis, Mathematics of Computation, vol 44, no 170, pp 463-471, Apr 1985 [29] P.V.E Boas, Another NP-complete partition problem and the complexity of computing short vectors in lattices, Tech Rept 81-04, Department of Mathematics, University of Amsterdam, 1981 [30] D Micciancio, The hardness of the closest vector problem with preprocessing, IEEE Trans Information Theory, vol 47, no 3, pp.1212-1215, Mar 2001 Lu -69- HVTH: Tr n Quang Thành Tài li u tham kh o GVHD: TS H [31] E Agrell, T Eriksson, A Vardy and K Zeger, Closest point search in lattices, IEEE Trans Information Theory, vol 48, no 8, pp 2201-2214, Aug 2002 [32] C.P Schnorr and M Euchner, Lattice basis reduction: Improved practical algorithms and solving subset sum problems, Mathematical Programming, vol 66, no 2, pp 181-191, Sept 1994 [33] B Hassibi and H Vikalo, On the Sphere Decoding Algorithm Expected Complexity, IEEE Trans Signal Processing, vol 53, no 8, pp 2806-2818, Aug 2005 [34] F Yao and S Qiao, analysis in sphere decoding, 2009 [35] IEEE Signal Processing Magazine, vol 30, no 1, pp 40-60, Jan 2013 [36] A.A Isiaka, P.J Jide, Bit-Error-Rate and channel capacity of MIMO communication systems over International Journal of Informatics and Communication Technology, vol 2, no 2, pp 57-63, July 2013 Lu -70- HVTH: Tr n Quang Thành ... ph n h th ng OFDM 26 3.3 H th ng MIMO- OFDM .30 THU T TÁCH SÓNG 33 4.1 K thu t tách sóng n tính 33 4.1.1 K thu t tách sóng ZF 33 4.1.2 K thu t tách sóng MMSE ... ng g p : H th ng MIMO- OFDM Khái quát v k thu t OFDM kênh truy n MIMO Bên c toán h c cho tín hi c h th ng MIMO- OFDM : Các k thu t tách sóng T p trung vào phân tích k thu t tách sóng c n thu t toán... h t nh tranh n d a vào MIMO- OFDM [15, 16, 17] 1.5 ng ph m vi nghiên c u + ng c a fading ch n l c t n s lên h th ng MIMO- OFDM + Các k thu t tách sóng u thu h th ng MIMO- OFDM : Zero Forcing, Minimum