Mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO bằng Matlab

Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ Lời mở đầu Chương 1: Giới thiệu sơ lược hệ mạng di động 1.1.Tổng quan hệ thống thông tin di động 1.2.Tổng quan hệ thống HSDPA 10 1.2.1.Giới thiệu 10 1.2.2.Khả HSDPA 11 1.2.3.Đặc tính kỹ thuật HSDPA 11 1.2.3.1.Kỹ thuật MIMO 12 1.2.3.2.Điều chế bậc cao HOM 13 1.2.3.3.Kết nối gói liên tục CPC 13 1.2.3.4.Trạng thái CELL_FACH nâng cao 14 1.2.3.5.Mã hóa điều chế thích nghi-AMC 14 1.2.3.6.Cơ chế lai yêu cầu truyền lại tự động Hybrid_ARQ 15 1.2.3.7 Khoảng thời gian truyền dẫn ngắt TTI 15 1.3.Tổng quan công nghệ LTE 15 1.3.1 Giới thiệu 15 1.3.2.Các mục tiêu yêu cầu LTE 17 1.3.2.1.Tốc độ số liệu đỉnh LTE 18 1.3.2.2.Hiệu hệ thống 18 1.3.2.2.1.Thông lượng 18 1.3.2.2.2.Hỗ trợ di động 19 1.3.2.2.3.Vùng phủ 19 1.3.2.2.4.MBMS tăng cường 19 1.3.2.3.Các khía cạnh liên quan tới triển khai 19 1.3.2.3.1.Triển khai phổ tần 19 1.3.2.3.2.Các vấn đề tồn tương tác với 3GPP RAT 20 1.3.2.4.Quản lí tài nguyên vô tuyến 21 1.4.Tổng kết 21 Chương 2: Lý thuyết anten 23 2.1.Sự phát triển kĩ thuật anten 23 2.2.Các vấn đề kênh truyền vô tuyến 24 2.2.1.Suy hao đường truyền 24 2.2.2.Các chế lan truyền 25 2.2.3.Kênh truyền fading chọn lọc tần số kênh truyền SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp fading phẳng 26 2.2.4.Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm 29 2.2.5.Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Rician 31 2.3.Các mơ hình hệ thống thơng tin khơng dây 32 2.3.1.Hệ thống SISO 33 2.3.2.Hệ thống SIMO 33 2.3.3.Hệ thống MISO 34 2.3.4.Hệ thống MIMO 34 Chương 3:Tổng quan hệ thống MIMO 35 3.1.Giới thiệu hệ thống MIMO 35 3.1.1.Giới thiệu 35 3.1.2.Lịch sử MIMO 35 3.1.3.Những ưu hệ thống MIMO 36 3.2.Mơ hình hệ thống MIMO 36 3.3.Dung lượng hệ thống MIMO 38 3.4.Dung lượng kênh MIMO với cơng suất phát thích nghi 41 3.5.Dung lượng kênh MIMO có hệ số cố định 41 3.5.1.Kênh anten đơn 42 3.5.2.Kênh MIMO với ma trận kênh đơn vị 42 3.5.2.1.Với kết hợp tương kết 42 3.5.2.2.Với kết hợp không tương kết 42 3.5.3.Kênh MIMO với truyền dẫn trực giao 43 3.5.4.Phân tập thu 43 3.5.5.Phân tập phát 44 Chương 4:Mã không gian-thời gian 45 4.1.Giới thiệu 45 4.2.Mơ hình kênh fading 45 4.2.1.Truyền dẫn đa đường 45 4.2.2.Hiệu ứng Doppler 45 4.2.3.Mơ hình hệ thống kê kênh fading 46 4.2.3.1.Fading Rayleigh 46 4.2.3.2.Fading Ricean 47 4.3.Phân tập 48 4.3.1.Các kĩ thuật phân tập 48 4.3.1.1.Phân tập thời gian(Time Diversity) 48 4.3.1.2.Phân tập tần số(Frequency Diversity) 49 4.3.1.3.Phân tập không gian(Space Diversity) 50 SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp 4.4.Các độ lợi hệ thống MIMO 50 4.4.1.Độ lợi beamforming 50 4.4.2.Độ lợi ghép kênh theo thời gian (Spatial multiplexing) 51 4.4.3.Độ lợi phân tập không gian(Spatial diversity) 51 Chương 5:Mô 53 5.1.Mô dung lượng hệ thống MIMO Matlab 53 5.2.Đoạn code mô dung lượng hệ thống MIMO 53 5.3.Mô phân tập thu Matlab 56 5.4.Đoạn code mô phân tập thu 59 Chương : Kết luận hướng phát triển đề tài 59 6.1.Kết luận 59 6.2.Hướng phát triển đề tài 59 Tài liệu tham khảo 60 SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp Danh mục từ viết tắt: A/D AFC ADSL AEX AMPS AWGN BER BLAST BPF BPSK BS CDM CEPT CSI D/A DAB D-BLAST DFT DPSK DVB -H DVB -T EDGE FDM FEC FFT FIR GPRS GSM HDSL HiperLAN2 HSDPA HS-DPCCH ICI IDFT IEEE IFFT Analog to Digital Auto-Correlation Function Asymmetric Digital Subscriber Line Average Excess Delay Analog Mobile Phone Systems Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bell-Laboratories Layered Space-Time Code Band Pass Filter Binary Phase Shift Keying Base Station Code Division Multiplexing Conference Europeene de Postes et Telecommunication Channel State Information Digital to Analog Digital Analog Broadcasting Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code Discrete Fourier Transform Differential Phase Shift Keying Digital Video Broadcasting - Handheld Digital Video Broadcasting – Terrestrial Enhaned Data Rates for GSM Evolution Frequency Division Multiplexing Forward Error Correction Fast Fourier Transform Finite Impluse Response General Packet Radio Service Global System Mobile Hight-bir-rate Digital Subscriber Line High Performance Radio Local Area Network Type High Speed Downlink Packet Acess High Speed Dedicated Physical Control Channel InterCarrier Interference Inverse Discrete Fourier Transform Institute of Electrical and Electronics Engineers Inverse Fast Fourier Transform SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp I.I.D IMT-2000 ISI LAN LOS LPF MIMO MISO ML MMSE MMSE-IC MS NLOS OFDM P/S PAPR PDF QAM QPSK RF SIMO SISO S/P SINR SC STBC STMLD TGn TDMA UMTS V-BLAST WCDMA WSSUS ZF ZF-OIC Independent and Identically Distributed International Mobile Telecommunication 2000 InterSymbol Interference Local Area Network Light Of Sight Low Pass Filter Multiple Input Muliple Output Multiple Input single Output Maximum Likelihood Minimum Mean Sqare Error MMSE-Interference Cancellation Mobile Station Non Light Of Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Parallel to Serial Peak to Average Power Ratio Probability Density Function Quadrature Amplitute Modulation Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Single Input Multiple Output Single Input Single Output Serial to Parallel Signal to Interference plus Noise Ratio SingleCarrier Communication Space-Time Block Code Space-Time Maximum Likelihood Decoder Task Group N Time Division Multiple Access Universal Mobile Telecommunication System Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time Wideband Code Division Multiple Acess Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter Zero-Forcing Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp Danh mục hình vẽ: Hình 1.1.Qúa trình phát triển hệ mạng di động xu hướng Hình 1.2.Thơng tin phát hành 3GPP 10 Hình 1.3.Băng tần hoạt động LTE 20 Hình 2.1.Kênh truyền chọn lọc tần số biến đổi theo thời gian 26 Hình 2.2.Tín hiệu tới phía thu theo L đường 27 Hình 2.3.Kênh truyền thay đổi theo thời gian 30 Hình 2.4.Hàm mật độ xác suất Rayleigh Ricean 32 Hình 2.5.Phân loại hệ thống thơng tin khơng dây 33 Hình 3.1.Hệ thống anten MIMO làm tăng đáng kể dung lượng 36 Hình 3.2.Sơ đồ hệ thống MIMO 37 Hình 4.1.Phân tập theo thời gian 49 Hình 4.2.Các phương pháp phân tập 50 Hình 4.3.Kĩ thuật Beamforming 51 Hình 4.4.Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền 51 Hình 4.5.Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 51 Hình 5.1.Mơ dung lượng hệ thống MIMO 53 Hình 5.2.BER AWGN với phân tập thu 56 SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp Lời mở đầu Nhu cầu dung lượng hệ thống thông tin không dây thông tin di động, internet hay dịch vụ đa phương tiện tăng lên nhanh chóng phạm vi tồn giới Tuy nhiên phổ tần vô tuyến lại hạn chế, muốn tăng dung lượng ta bắt buộc phải tăng hiệu sử dụng phổ tần Những tiến mã hóa mã Turbo, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp tiếp cận tới giới hạn dung lượng Shannon hệ thống với anten Tuy nhiên đạt hiểu phổ tần cao với hệ thống có nhiều anten máy phát máy thu Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) định nghĩa tuyến thơng tin điểm-điểm với đa anten phía phát phía thu Những nghiên cứu gần cho thấy hệ thống MIMO tăng đáng kể tốc độ truyền liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thơng hệ thống Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền liệu việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệ thống tăng lên, độ phức tạp hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều tăng lên SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ THẾ HỆ CÁC MẠNG DI ĐỘNG 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động Thế hệ điện thoại di động (1G) đời thị trường vào năm 70/80 Đấy điện thoại analog sử dụng kỹ thuật điều chế radio gần giống kỹ thuật dùng radio FM Trong hệ điện thoại này, thoại khơng đượcbảo mật Thế hệ 1G cịn thường nhắc đến với "Analog Mobile Phone System (AMPS)" Chuẩn kỹ thuật số D-AMPS sử dụng TDMA (Time Division Mutiple Access).Sau Châu Âu chuẩn hóa GSM dựa TDMA Cái tên GSM ban đầu xuất phát từ "Groupe Spéciale Mobile" (tiếng Pháp), nhóm thành lập “CEPT- Conférence Européene de Postes et Telécommunications”, tổ chức chuẩn hóa Châu Âu vào năm 1982 Nhóm có nhiệm vụ xây dựng tiêu kỹ thuật cho mạng điện thoại di động toàn châu Âu hoạt động dải tần 900MHz Sau đó,GSM chuyển thành Global System Mobile vào năm 1991 tên tắt cơng nghệ nói Năm 2001, để tăng thông lượng truyền nhằm phục vụ nhu cầu truyền thông tin (phi thoại) mạng di động, hệ thống GPRS đời General Packet Radio Service (GPRS) dịch vụ liệu di động dạng gói dành cho người dùng hệ thống thơng tin di động toàn cầu GSM điện thoại di động IS-136 Nó cung cấp liệu tốc độ từ 56Kbps đến 114Kbps.GPRS tích hợp vào GSM Release 97 phiên phát hành Ban đầu Viện tiêu chuẩn Viễn thơng châu Âu (ETSI) đặt tiêu chuẩn, Dự án đối tác hệ thứ ba (3GPP) Đến năm 2003, EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution gọi Enhanced GPRS (EGPRS) đời với khả cung cấp dung lượng liệu gấp lần GPRS Khi sử dụng EDGE nhà điều hành quản lý gấp lần số thuê bao GPRS, gấp lần giá trị liệu thuê bao, thêm dung lượng đáng kể cho truyền thông thoại Tốc độ cho phép truyền liệu lên đến 384Kbps cho người dùng cố định 144Kbps cho người di chuyển (trên lý thuyết) EDGE cho phép truyền tải dịch vụ di động tiên tiến tải video, clip nhạc, tin nhắn đa phương tiện hoàn hảo, truy cập internet, e-mail di động tốc độ cao 3G thuật ngữ dùng để hệ thống thông tin di động hệ thứ viết tắt Third-Generation technology chuẩn công nghệ truyền thông hệ thứ SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp ba,cho phép truyền ngồi liệu chuẩn đàm thoại cịn truyền liệu phi thoại (tải liệu, gửi email,tin nhắn nhanh,hình ảnh, nhạc,internet ) Cơng nghệ 3G vừa cho phép triển khai dịch vụ cao cấp vừa làm tăng dung lượng mạng điện thoại nhờ vào việc sử dụng hiệu hiệu suất phổ Mạng 3G cung cấp hai hệ thống chuyển mạch gói (PS) chuyển mạch kênh (CS) Hệ thống mạng 3G yêu cầu mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G Điểm mạnh công nghệ so với công nghệ 2G 2.5G cho phép truyền, nhận liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho thuê bao cố định thuê bao di chuyển tốc độ khác Với công nghệ 3G, nhà cung cấp mang đến cho khách hàng dịch vụ đa phương tiện, âm nhạc chất lượng cao, hình ảnh video chất lượng truyền hình số, dịch vụ định vị toàn cầu (GPS), e-mail, video streaming,high-ends games, Khả di động 1985 1995 2000 GSM CdmaOne 1G 2005 HSPA 3G 3G+ 2G LTE Triển khai LTE WCDMA WCDMA Cdma2000 Cdma2000 AMPS Thời gian 2010 Wifi/IEEE LAN 802.11 W E3G IMT-Avd 4G ax WiM WiMAX 802.16e Tốc độ liệu 0; % loi nErr(jj,ii) = size(find([ip- ipHat]),2); end TheoryBerAWGN(jj,:) = 0.5*erfc(sqrt(Rx(jj)*10.^(Eb_N0_dB/10))); %theoretical ber end % plot close all figure SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 57 Luận văn tốt nghiệp semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(1,:),'bp','LineWidth',2); hold on semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(2,:),'rd','LineWidth',2); semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(3,:),'mo','LineWidth',2); semilogy(Eb_N0_dB,TheoryBerAWGN(4,:),'b+','LineWidth',2); axis([-3 12 10^-6 0.5]) grid on legend('Rx=1', 'Rx=2', 'Rx=3', 'Rx=4'); xlabel('Eb/No, dB'); ylabel('Bit Error Rate'); title('PHAN TAP THU'); SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 58 Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 6:KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1.Kết luận Việc xử lý phân tập, hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền thông qua việc cải thiện tỷ số SNR đầu thu từ nâng cao dung lượng hệ thống Cũng cho phép khai thác thành phần không gian mà không làm hao tổn tài nguyên tần số, thời gian phương pháp khác Đây kỹ thuật quan tâm công nghệ truyền thông đại Với đề tài luận văn bao gồm phần lý thuyết mô chứng minh kết lý thuyết trình bày cho nhìn tổng quan kỹ thuật phân tập thu hệ thống MIMO Hầu hết hệ thống tin di động, thơng tin vơ tuyến sử dụng kỹ thuật phân không gian để nâng cao chất lượng đường truyền tin hiệu từ tăng dung lượng hệ thống Bên cạnh kỹ thuật phân tập thu hệ thống MIMO có độ phức tạp thi cơng: Giải thuật cho xử lý tín hiệu phức tạp , chi phí cho thiết bị cao (do nhiều anten thu phát…) Điều địi hỏi phải có đánh giá chuyên sâu hiệu kinh tế lựa chọn phương pháp kết hợp để triển khai thực tế 6.2.Hƣớng phát triển đề tài Nghiên cứu sâu áp dụng triệt để phân tập thu hai anten, lúc gia tăng độ lợi anten tốt Số anten giảm chi phí đầu tư giảm mức độ thi cơng Nếu có điều kiện nghiên cứu lý thuyết song song với mơ hình thực tế cần thiết SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 59 Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo: [1.] Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, “Multicarrier Techniques for 4G Mobile“, Artech House, ISBN 1-58053-482-1, 2003 [2.] Hồng Đình Chiến, “Mạch Điện Tử Thơng Tin”, Nhà Xuất Bản ĐH Quốc Gia TP HỒ Chí Minh, 2004 [3.] Inaki Berenguer*, Xiaodong Wang, “ Space-Time Coding and Signal Processing for MIMO Communications” [4.] Ta-Sung Lee “MIMO Techniques for Wireless Communications” Department of Communication Engineering, National Chiao Tung University [5.] Siavash M Alamouti, “A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications” IEEE Journal On Select Area In Communications [6.] A.Bruce Carlson, “Communicaton Systems" McGraw-Hill,ISBN 0-07009960-X, 1986 SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 60 ... phát triển đề tài 59 Tài liệu tham khảo 60 SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp Danh mục từ viết tắt: A/D AFC ADSL AEX AMPS AWGN BER BLAST BPF BPSK BS CDM CEPT... Zero-Forcing Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation SVTH: Nguyễn Công Danh Trang Luận văn tốt nghiệp Danh mục hình vẽ: Hình 1.1.Qúa trình phát triển hệ mạng di động xu hướng Hình... tin di động hệ SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 21 Luận văn tốt nghiệp tương lai Với kỹ thuật MIMO, hiệu hệ thống mức liên kết nâng cao lên đáng kể SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 22 Luận văn tốt nghiệp