Ước lượng kênh truyền sử dụng mô hình bộ lọc kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm nhiễu ICI theo tiêu chuẩn wimax di động

I H C QU C GIA G THÀN NH PH T TR NG G H CHÍ M MINH I H C BÁCH KHOA K o0o - NGU UY N M NH TH H NG CL NG KÊNH K TRUY T N S D NG G MƠ HÌNH H B L C KALMA K AN M R N NG K T H P PH NG PHÁP P G M NHI U ICI THEO GI O TIÊU U C CHU N WIM MAX DI D N NG Chuyêên ngành : K thu t n t Mã s : 60527 70 L N V N TH C S LU TP.HCM M, tháng 12 n m 2013 Ngày 30 Ch t ch H n- nt - - Tp HCM, ngày 06 13 MSHV: 12143168 - 10 - 1988 I- II- Tìm hi u nghiên c u v k thu c s d ng WiMAX, chu n ng, mơ hình kênh truy n B, ITU-R - Nghiên c u v b l c Kalman m r ng, t ng kênh truy n d a b l c Kalman m r ng áp d ng cho chu i hu n luy n pilot d c - Phân tích ng c a nhi xu mm c m nhi u ICI cho h th ng, k t h p v ng kênh truy n s d ng b l c Kalman m r ng xây d ng m t h th ng hồn ch nh - Th c hi n mơ ph ng nh t qu c tri t nhi u ICI so v i ng b qua ng c a nhi u ICI III- NGÀY GIAO NHI M V : 19-08-2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 06 12 - 2013 VQL CHUYÊN NGÀNH - L u tiên,tôi xin g i l i c Bách khoa Thành ph H n tình gi ng d y, truy n Quý th ih c c bi t th y cô b n t - Vi n t cho nh ng ki n th c vô quý báu su t th i gian v a qua,giúp tơi có nh ng ki n th trình th c hi n lu t ch Tơi xin bày t lịng bi ng d ng s nghi p sau n cô Ph m H ng Liên, ng nghiên c ng th ích tơi có th i l i c Quang nh ng l i ch b hoàn thành lu n n anh Nguy n, h tr tài li u, trình tơi th c hi n lu Cao H c K thu n c i su t n h c viên l p n t 2012 nh i quan tr ng trình th c hi n lu Cu i xin g i l i c bên c ng viên, chia s , t Tôi xin g i thân b ng l c cho tơi hồn thành lu y cơ, b n bè, i thân l i kính chúc s c kh e h nh phúc thành cơng TP H Chí Minh, H c viên Nguy n M nh Th ng Abstract Mobile WiMAX is a rapidly growing broadband wireless access technology based on IEEE 802.16-2004 and IEEE 802 16e-2005 air-interface standards The OFDM has been chosen to be used in WiMAX since it shows many advantages OFDM divides the overall frequency band into a number of sub-band and transmits a low- rate data stream in each sub-band In addition, OFDM allows overlap of the sub-channels but keeps the orthogonality of the sub-carriers Therefore,high spectral efficiency is achieved It has been adopted in state-of-art communication standards Under the condition of same data rate, the symbol of an OFDM system is much longer than that of a single-carrier system OFDM systems with long symbol durations are more vulnerable to time-selective fading than Single-carrier systems This is specially the case in mobile environments and closely related to Doppler spread Under this condition, the orthogonality between subchannels cannot be maintained and the inter-carrier interference (ICI) will be introduced ICI will decrease the signal to interference ratio (SIR) Low SIR will introduce an error floor in signal detection Therefore, ICI suppression has a great significance for WiMAX system This thesis introduce the channel estimation system for mobile WiMAX and the method for ICI suppression The channel estimation can be performed by inserting pilot tones into OFDM symbol.In this thesis, channel estimation is studied for comb-type pilot The comb-type pilot channel estimation consists of al gorithms to estimate the channel at pilot frequencies and to interpolate the channel.The interpolation of the channel for comb-type can use one of the different interpolation methods such as linear interpolation, second order interpolation, low-pass interpolation, spline cubic interpolation, and time domain interpolation In this thesis,we introduce an ICI analysis in both time and frequency-domain while existing literatures analyze the ICI effects mainly in frequency domain Based on this analysis,we proposed a method to reduce ICI in mobile WiMAX system Then, I proposed a improvement algorithm based Extended Kalman Filter to estimate channel in mobile WiMAX system TÓM T T LU Ngày nay,v i s phát tri n c a khoa h c k thu u thông tin liên l i h th c bi t v vi n thông ngày phát tri n nhanh chóng,chính xác.Nhi u k thu t,cơng ngh m i i nh ng nh ng nhu c th ph i m t ngo i l H th ng mobile WiMAX h th ng v a m 5, h a h n có m t s phát tri n m nh m ic ng cho s thông tin liên l c vùng sâu,vùng xa, nh c h n ch Trên th gi i, công ngh Vi t Nam n o sát,nghiên c c ng d ng r ng rãi WiMax cung c p kh tn i WiFi, t d c nhi u ng d tr ng vùng ph sóng r n, khơng b ng b a hình WiMAX có th i m t cách t u ch có th b ng cách gi m t truy c l i.WiMAX h tr n song công FDD TDD s d ng k thu t truy nh p TDMA/OFDMA mc a n lên ho c xu ng ch không ph i c K thu ng l n t d li thông cho phép l c m r ng ng th ng truy n d n vô n l i r t ph c t p hi u Phading ,hi u ng c nh n d ng tín hi u m b o nâng cao vi c nh n d ng tín hi u thu có nhi u ph áp d ng k thu t phân t p,mã hóa nh ng kênh truy n ,c i thi n hi u qu ph mà không ph c l a ch n nghiên c gi m s sai l ch tín hi u gi c ng kênh truy n d a vào b l c Kalman m r ng k t h p v m nhi u ICI cho h th ng Trong thông tin vô ng kênh truy ng vi m b o nâng cao ch ng tín hi u thu ng kênh truy n có bi ng d a chu i hu n luy ng ng kênh bán mù Trong gi i h tài này,tôi t p trung nghiên c ng kênh truy n d a chu i hu n luy n pilot d c s d ng b l c Kalman m r ng m c a b l c Kalman m r ng s d ng ng kênh truy cs i kênh truy n,cho k t qu ng t i gi i thu m thi u sai l ch gi a tín hi u phát thu M t khác WiMAX s d ng k thu u ch theo t n s tr c giao OFDM OFDM chia dòng d li u t cao thành dòng d li u song song t th ng b o v l tr kênh truy n, u nh m lo i b nhi u liên ký t ISI Trong OFDM, ph c a sóng mang ch ng l n tr c giao v u it ns c i ph m i sóng mang khác b ng khơng Máy thu l y m u ký t d li u sóng mang riêng l t mc u ch chúng tránh nhi u t sóng mang khác Nhi u gây sóng mang k c n c g i nhi u xuyên kênh ICI Nhi u x ng thay i th i gian ký t OFDM D ch Doppler m i thành ph ng gây d ch t n s m i sóng mang, k t qu d n m t tính tr c giao gi a chúng y ký t OFDM b nhi u ISI Vi c xu t hi n nhi u ICI q trình truy n d ng khơng nh ng n tín hi u thu,d n n sai sót q trình khơi ph c d li u Vì v y vi c tri t nhi u làm gi m ng c a nhi t quan tr tài này, tơi s phân tích ng c a nhi u ICI, t ng m m i nh m làm gi m nhi u ICI k t h p v ng kênh truy n d a b l c Kalman m r ng cho h th ng tài s t p trung nghiên c u v sau : - Tìm hi u nghiên c u v k thu c s d ng WiMAX, chu ng, mơ hình kênh truy n B, ITU-R - Nghiên c u v b l c Kalman m r ng, t c ng kênh truy n d a b l c Kalman m r ng áp d ng cho chu i hu n luy n pilot d c - Phân tích ng c a nhi xu pháp nh m m m nhi u ICI cho h th ng, k t h p v c ng kênh truy n s d ng b l xây d ng m t h th ng hồn ch nh - Th c hi n mơ ph ng nh t qu c d ng tri t nhi u ICI so v ng b qua ng c a nhi u ICI L t qu nghiên c u c a cá nhân th c hi is ng d n PGS.TS Ph m H ng Liên K t qu nêu lu c ch a t c cơng b b t k cơng trình khác Tơi hồn tồn ch u trách nhi m v n i dung c a lu Tp H Chí Minh, ngày 30 tháng 12 Nguy n M nh Th ng M CL C i thi tv tài 1.2 Các n i dung nghiên c 1.3 N i dung nghiên c u ng quan v WiMAX 2.1 S i c a công ngh Wimax 2.2 Các chu n khác c a WiMAX 2.3 ng d ng công ngh WiMAX 2.3.1 M ng tr c: 10 2.3.2 K t n i m ng không dây doanh nghi p: 10 ng theo nhu c u: 10 2.3.4 M r ng nhanh vùng ph sóng 11 2.3.5 Roaming dich v 11 c m c a h th ng WiMAX 12 2.5 Tình hình chu n hóa công ngh Wimax 17 thu 3.1 Gi i thi u ch OFDM 19 19 thu t OFDM 19 3.2.1.Gi i thi u v k thu t OFDM 19 3.2.1.1.L ch s phát tri n 19 3.2.1.2.Khái ni m 20 mc t OFDM 21 u ch OFDM 21 n c a OFDM 21 h th ng OFDM 23 3.2.3 Mô t toán h c - ng d t OFDM 30 3.2.4 Các thông s ng h th ng truy n d n OFDM 32 3.2.4.1 C u trúc tín hi u OFDM 32 3.2.4.2 Các thông s mi n th i gian TD 33 3.2.4.3 Các thông s mi n t n s FD 33 3.2.4.4 Quan h gi a thông s mi n th i gian mi n t n s 34 ng c a h th ng OFDM 35 3.2.5 Kho ng b o v (guard interval) k thu t OFDM 36 3.2.5.1.Kho ng b o v 36 3.2.5.2 ng d ng c a kho ng b o v 37 u ch tín hi u OFDM 38 3.2.6.1 u ch BPSK 39 u ch QPSK 40 u ch QAM 42 c tính kênh vơ 4.1 Gi i thi ng 44 44 c tính kênh truy n vơ n k thu t OFDM 44 c tính chung kênh truy n vô n 45 4.2.2 Các y u t n ch ng kênh truy n 45 4.2.2.1 Tr i tr hi ng 45 4.2.2.2 Hi ng Doppler 46 4.2.3 Các lo i Fading ph m vi h p 48 4.3 K t lu 51 th 5.1.Gi i thi ng kênh truy ng 52 52 5.2.H th ng kênh truy n 52 h th ng kênh truy n 52 5.2.2.C c chèn vào d li u 55 5.2.2.1 Block type pilot 55 5.2.2.2 Comb type pilot 56 5.2.3.K thu t n ng kênh truy n s d ng chu i hu n luy n d ng c ( comb pilot) 57 5.2.3.1 N i suy nearest neighbor 57 5.2.3.2 Nôi suy n tính (linear interpolation) 57 5.2.3.3 N i suy b c (second order) 58 5.2.3.4 N i suy lowpass 58 5.2.3.5 N i suy spline cubic 58 5.3 Mơ hình kênh truy n ITU s d 5.4 K t lu ng 58 61 ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng Khi k t h p gi i thu ICI k t qu m ng Kalman m r ng v c t t cho c ki nhi u u ch 4QAM 16 QAM BER 10 LS Jing Xu ' method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 20 SNR[dB] Hình 7.4 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF improvement with ICI suppression 25 30 35 n pedestrian 4QAM 0.277 0.2611 0.2444 0.1374 0.1241 0.1137 10 15 20 25 30 0.0477 0.014 0.0039 0.0007 0.0001 0.0412 0.0122 0.0032 0.0006 0.0001 0.0382 0.0103 0.0027 0.0007 0.0001 0 0.2165 0.0938 0.0302 0.0088 B ng 7.4 : D li u BER cho kênh truy n pedestrian 0.002 0.0003 u ch 4QAM 93 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN 35 ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m BER 10 LS Jing Xu'method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 20 SNR[dB] Hình 7.5 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF improvement with ICI suppression 25 30 n pedestrian 0.369 0.362 0.355 0.337 35 16QAM 10 15 20 25 30 35 0.2666 0.1473 0.0616 0.0214 0.0068 0.002 0.001 0.2537 0.1381 0.055 0.0181 0.0051 0.0016 0.0008 0.241 0.13 0.0525 0.0155 0.0049 0.0015 0.0005 0.2251 0.1141 0.042 0.0138 0.0044 0.0015 0.0006 B ng 7.5 : D li u BER cho kênh truy u ch 16QAM 94 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mô hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m Kênh truy n Vehicular : Trong kênh truy n này, s mô ph ng gi i thu t cho v n t c mobile 10km/h, 20km/h, 50km/h 100km/h Ki u ch c s d ng 4QAM,16 QAM BER 10 LS Jing Xu ' method EKF improvement EKF improvement with IC suppression -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 20 25 SNR[dB] Hình 7.6 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF improvement with ICI suppression 0.2759 0.257 0.2448 0.134 0.1223 0.1097 10 15 20 0.0385 0.0047 0.0001 0.0316 0.0036 0.0001 0.0267 0.003 0.0001 25 0 30 0 35 0 0.2159 0.0892 0.0196 0.0015 0 B ng 7.6 : D li u BER cho kênh truy n vehicular 10 u ch 4QAM 95 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m BER 10 LS Jing Xu ' method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 20 25 30 35 SNR[dB] Hình 7.7 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF improvement with ICI suppression n vehicular 20km/h 4QAM 10 15 20 25 30 0.2742 0.1309 0.0401 0.0099 0.0029 0.0011 0.0007 0.2548 0.1193 0.0342 0.0085 0.0027 0.001 0.0007 0.243 0.1078 0.0304 0.0078 0.0024 0.0011 0.0007 35 0.0005 0.0006 0.0006 0.2125 0.0879 0.0234 0.0062 0.0018 0.0006 B ng 7.7 : D li u BER cho kênh truy 0.001 0.0006 u ch 4QAM 96 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m BER 10 LS Jing Xu' method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 Hình 7.8 : SNR(dB) LS EKF EKF-new EKF -new with ICI suppression 15 20 SNR[dB] 25 30 n vehicular 20km/h 35 16QAM 10 15 20 25 30 0.3697 0.2597 0.1421 0.0545 0.0115 0.0014 0.0001 0.3636 0.2498 0.1318 0.0469 0.0088 0.001 0.0001 0.36 0.2417 0.1254 0.044 0.0088 0.001 0.0001 35 0 0.3409 0.2172 0.103 0.0348 0.006 B ng 7.8 : D li u BER cho kênh truy n vehicular 20 0.0007 u ch 16QAM 97 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mô hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m BER 10 LS Jing Xu' method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 BER 10 -2 10 -3 10 10 15 20 SNR[dB] Hình 7.9 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF rovement with ICI suppression 25 30 35 n vehicular 50km/h 4QAM 10 15 20 25 30 35 0.3052 0.2891 0.2753 0.1844 0.1723 0.1608 0.0921 0.083 0.0769 0.0379 0.0341 0.0329 0.0147 0.0141 0.0134 0.0059 0.0064 0.0069 0.0037 0.0043 0.0048 0.0025 0.0034 0.0037 0.2511 0.139 0.0638 0.0272 0.0115 0.0063 0.0044 0.0038 B ng 7.9 : D li u BER cho kênh truy u ch 4QAM 98 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m BER 10 LS Jing Xu'method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 BER 10 -2 10 -3 10 10 15 20 SNR[dB] Hình 7.10 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF improvement with ICI suppression 25 30 35 n vehicular 50km/h 16QAM 10 15 20 25 30 35 0.3675 0.3617 0.3564 0.2615 0.2506 0.2455 0.1454 0.1334 0.1266 0.0584 0.0541 0.0489 0.0187 0.017 0.0157 0.0064 0.0065 0.007 0.0034 0.0037 0.0041 0.0022 0.0028 0.0029 0.3341 0.2193 0.1111 0.0373 0.013 0.0063 0.0037 0.0031 B ng 7.10 : D li u BER cho kênh truy u ch 16QAM 99 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng m BER 10 LS Jing Xu ' method EKF improvement EKF improvement with ICI suppression -1 BER 10 -2 10 -3 10 10 15 20 SNR[dB] Hình 7.11 : SNR(dB) LS EKF improvement EKF improvement with ICI suppression 25 r ng k t h 35 n vehicular 100km/h 10 15 20 0.3164 0.3037 0.2928 0.2033 0.1916 0.1788 0.1025 0.0954 0.0874 0.0409 0.0379 0.0377 0.2691 0.1564 0.0752 0.0319 4QAM 30 35 0.0154 0.0159 0.0164 0.0068 0.0039 0.0086 0.0064 0.0092 0.0074 0.0031 0.0055 0.0066 0.0148 0.0089 0.0069 0.0066 B ng 7.11 : D li u BER cho kênh truy D a vào k t qu 30 25 u ch 4QAM c , th y r ng gi i thu ng Kalman m pháp gi m nhi u ICI cho k t qu BER t t nh iv iv n t c 10km/h 20km/h.V i v n t c 50km/h tr qu BER t t kho ng SNR t t n 25dB.V i SNR t 25 dB tr lên k t 100 HVTH: NGUY N M NH TH NG GVHD: PGS.TS PH M H NG LIÊN ng kênh truy n s d ng mơ hình b l c Kalman m r ng k t h nhi u ICI theo tiêu chu ng qu BER c c hi n mô ph ng thu t LS v n cho k t qu t d ng, m c dù gi i ng h p SNR cao cao gi i thu t Kalman m r ng k t h m yv iv nt c m nhi u ICI s cs ng có t s tín hi u nhi u SNR th p (SNR