TỎNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY

HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY 12 1.1 Mở đầu 12 1.2 Giới thiệu hệ thống MIMO-OFDM 13 1.3 Công nghệ LTE WIMAX 14 1.3.1 LTE 14 1.3.2 WIMAX 15 1.4 Kênh truyền vô tuyến 15 1.4.1 Suy hao đường truyền 16 1.4.2 Fading đa đường (Multipath Fading) 16 1.4.3 Hiệu ứng Doppler 17 1.4.4 Fading hệ thống vô tuyến 18 1.4.5 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean 18 1.4.6 Tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN) 19 1.5 Hệ thống truyền liệu vô tuyến 19 1.5.1 Hệ thống SISO 20 1.5.2 Hệ thống SIMO 20 1.5.3 Hệ thống MISO 20 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC 1.5.4 1.6 Hệ thống MIMO 20 Tổng kết 21 CHƯƠNG HỆ THỐNG MIMO 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Kỹ thuật phân tập 23 2.3 Các kỹ thuật tổ hợp 25 2.4 Dung lượng kênh MIMO 25 2.5 Mã Hóa Khơng Gian-Thời Gian (Space Time Coding) 26 2.6 Mã khối không gian - thời gian STBC 27 2.6.1 Sơ đồ Alamouti 27 2.6.2 Mã khối không gian - thời gian STBC 30 2.6.3 Giải mã STBC 35 CHƯƠNG HỆ THỐNG OFDM 38 3.1 Giới thiệu 38 3.2 Tín hiệu trực giao 39 3.3 Mơ hình hệ thống OFDM 40 3.4 Điều chế/Giải điều chế 41 3.4.1 Kỹ thuật điều chế QAM 42 3.4.2 Sắp xếp 43 3.4.3 Kỹ thuật IFFT/FFT OFDM 44 3.4.4 Tiền tố lặp CP 44 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC 3.4.5 Ước lượng tham số kênh 45 3.4.6 Đồng OFDM 46 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MIMO-OFDM STBC TRONG MÔI TRƯỜNG SUY HAO RAYLEIGH 48 4.1 Mô tả tổng quan hệ thống MIMO - OFDM 48 4.2 Cấu trúc khung (frame) hệ thống MIMO-OFDM 49 4.3 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM STBC 50 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG MIMO-OFDM STBC TRÊN MATLAB SIMULINK 54 5.1 Giới thiệu khối chức 54 5.2 Chức thông số khối 56 5.2.1 Khối Bernoulli Binary Generator 57 5.2.2 Rectangular QAM Modulator Baseband 58 5.2.4 Khối IFFT 59 5.2.5 Khối CP 59 5.2.6 Hiện tượng đa đường nhiễu phân bố theo hàm Rayleigh (Khối H1 Hdelay1) 60 5.2.7 Kênh AWGN 62 5.2.8 Bộ giả lập kênh truyền (khối Channel) 63 5.2.9 Khối Sub CP 64 5.2.10 Khối FFT 64 5.2.11 Khối STBC decode 64 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC 5.2.12 Khối To Frame 65 5.2.13 Khối Retangular QAM demodulation Baseband 66 5.2.14 Khối Error Rate Calculation 66 5.2.15 Khối hiển thị (Display) 68 5.3 Kết chương trình mơ 68 5.3.1 So sánh phương pháp điều chế hệ thống MIMO OFDM STBC 68 5.3.2 MIMO OFDM STBC phân tập thu điều chế 4QAM 69 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 72 4.1 Kết luận: 72 4.2 Hướng phát triển 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 76 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3G Third Generation Thế hệ di động thứ ba 4G Fourth Generation hệ di động thứ tư A AWGN Addtive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng B BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập chia theo mã CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CP Cycle Prefix Tiền tố lặp D DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc E EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi cân F FDM Frequence Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tầnsố FEC Forward Error Correcting Sửa lỗi chuyển tiếp FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh G GI Guard Interval Chuỗi bảo vệ HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC I IMT-2000 International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn thơng tin di động tồn cầu IS-95A Interim Standard 95A Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến Mỹ ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự IFFT Inverse Fast Fourier Transform IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh Biến đổi Fourier ngược rời rạc L LOS Light-Of-Sight Tầm nhìn thẳng M MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu MISO Multiple Input Single Output Đa đầu vào đơn đầu MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp theo tỷ lệ tối đa N NLOS Non Light Of Sight Tầm nhìn khơng thẳng O OFDM Orthogonal Frequence Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao P PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số cơng suất đỉnh trung bình HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC Q QPSK Quarter Phase Shift Keying Khóa dịch pha vng góc QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương S SC Selection combining Kết hợp lựa chọn SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu STBC Space-Time Block Code Mã hóa khối khơng gian thờigian STTC Space –Time Trellis Code Mã hóa lưới không gian thờigian SIMO Single Input Multiple Output Đơn đầu vào, đa đầu T TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thờigian HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Tổng quan hệ thống viễn thông 13 Hình 1.2 Các tượng xảy trình truyền sóng 16 Hình 1.3 Hiệu ứng Doppler 17 Hình 1.4 Mật độ phổ tín hiệu thu 18 Hình 1.5 Phân loại hệ thống thơng tin khơng dây 20 Hình 2.1 Mơ hình hệ thống MIMO 22 Hình 2.2 Hệ thống MIMO sử dụng mã hóa khơng gian thời gian STC 26 Hình 2.3 Sơ đồ khối mã hóa khơng gian-thời gian Alamouti 27 Hình 2.4 Sơ đồ máy thu hệ thống MIMO sử dụng mã STBC Alamouti 29 Hình 3.1a: Kỹ thuật đa sóng mang 38 Hình 3.1b: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 38 Hình 3.2a Bốn sóng mang trực giao 39 Hình 3.2b: Phổ sóng mang trực giao .39 Hình 3.3 Sơ đồ khối OFDM 40 Hình 3.4 Chùm tín hiệu M_QAM 43 Hình 3.5 Tiền tố lặp CP 45 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM 48 Hình 4.2 Cấu trúc khung liệu MIMO-OFDM 49 Hình 4.3 Sơ đồ khối hệ thống MIMO OFDM STBC 50 Hình 4.4 Mơ hình hệ thống MIMO OFDM STBC 2x2 50 Hình 5.1 Mơ hình mơ hệ thống MIMO OFDM STBC 2x2 matlab simulink 54 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC Bảng 3.1 Các dạng điều chế OFDM 41 Bảng 3.2 Các giá trị I, Q kiểu điều chế 64 QAM 43 Bảng 5.1 Bảng thống kê kết phương pháp điều chế sử dụng MIMO OFDM STBC 2x2 68 Bảng 5.2 Bảng thống kê kết phương pháp phân tập thu MIMO OFDM STBC 70 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC LỜI MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Hiện nay, người ngày có nhiều loại hình dịch vụ đa dạng địi hỏi tốc độ cao như: Internet không dây, dung lượng hộp thư ngày lớn, dịch vụ hội nghị truyền hình khơng dây, … Và phát triển đặt nhiều thách thức lớn: Nhu cầu dung lượng ngày tăng Băng thông dành cho nhà cung cấp dịch vụ hạn chế Các yêu cầu công suất mà thiết bị sử dụng phải giới hạn thấp tốt Những thách thức đặt cho nhà thiết kế hệ thống vô tuyến trước vấn đề có hai mặt trái ngược hệ thống vố tuyến thiết kế tương lai phải truyền tốc độ cao cải thiện hiệu suất hoạt động hệ thống băng thông truyền công suất phát tăng chí không tăng Một công nghệ phát phát triển nhằm giải vấn đề cơng nghệ đa đầu vào đa đầu (MIMO) kết hợp với kĩ thuật phân chia theo tần số trực giao OFDM Trong cơng nghệ MIMO kỹ thuật mã hóa khơng gian – thời gian có vai trị quan trọng, có kĩ thuật mã hóa khối khơng gian thời gian STBC nhằm giúp đạt độ lợi phân tập phía phát phía thu, giúp đạt độ tin cậy đường truyền cao mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống Kĩ thuật OFDM phương thức truyền dẫn tốc độ cao có khả chống lại fading chọn lọc tần số, có khả loại bỏ nhiễu ISI sử dụng khoảng bảo vệ lớn Kết hợp hai kĩ thuật làm tảng cho hệ di động 4G Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống MIMO OFDM STBC trở thành nhu cầu tất yếu người làm kỹ thuật viễn thông chuyên ngành vô tuyến Và tính cần thiết để người viết thực đề tài Mục đích đề tài Đề tài viết nhằm mục đích sau: 10 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC Thuật tốn tính tốn giải mã STBC với số anten phát để giải mã giá trị sk tính sau: ∗ ( = | | ∗ , , , , + − ∗ ∗ , , , , Trong M số anten thu, N số anten phát, N=M=2 tín hiệu ước lượng thứ k ma trận mã hóa STBC hệ số kênh truyền từ anten phát thứ i anten nhận thứ j rij tín hiệu thứ i anten thu thứ j | | = 5.2.12 Khối To Frame Khối dùng để thiết lập lại chế độ mẫu cho tín hiệu Ở ta chọn Framebased để tín hiệu truyền qua khối giải điều chế QAM 65 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC 5.2.13 Khối Retangular QAM demodulation Baseband Khối giải điều chế QAM phía phát  KẾT QUẢ TÍNH TỐN THƠNG QUA TÍNH BER 5.2.14 Khối Error Rate Calculation Khối dùng để tính tốn tỉ lệ lỗi bit hay tỉ lệ lỗi symbol liệu lối vào Lối vào Tx , Rx phải đại lượng vô hướng dựa nguyên tắc lấy mẫu vector cột dựa nguyên tắc khung Khối so sánh liệu lối vào phát với liệu lối vào thu Nó tính tỷ lệ lỗi dạng số thay đổi liên tục, cách chia tổng cặp liệu không cho tổng số liệu lối vào nguồn 66 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC Nếu hai tín hiệu vào vơ hướng khối so sánh tín hiệu vơ hướng Tx với tín hiệu vơ hướng Rx Nếu hai tín hiệu vào vector khối so sánh số hay toàn liệu Tx với Rx Đặt thơng số Computation delay Entire frame khối so sánh toàn khung Tx với Rx Dữ liệu Output Data : Port cổng nối tới khối Display Khối đưa vector có mục phù hợp sau -Tốc độ lỗi - Tổng số lỗi số bit khác -Tổng số bit so sánh Độ trễ (delays) Thông số trễ nhận (Receive delay) trễ tính tốn (Computation delay) hai kiểu khác trễ khối Trễ nhận có tác dụng phần hệ thống nguyên nhân trễ liệu nhận trễ tính tốn có tác dụng muốn bỏ qua trễ hai tín hiệu lối vào Ở ta chọn hai thông số 67 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC 5.2.15 Khối hiển thị (Display) Khối hiển thị giá trị lỗi lối vào Khối hiển thị cho ta thấy tỉ lệ lỗi ký tự, tổng số lỗi tổng số ký tự 5.3 Kết chương trình mơ 5.3.1 So sánh phương pháp điều chế hệ thống MIMO OFDM STBC Sử dụng phương pháp điều chế 4QAM, 16 QAM, 64QAM Ở ta xem điều chế 4QAM tương đương điều chế QPSK Bảng tổng hợp kết hệ thống MIMO OFDM STBC anten phát anten thu: Phương pháp điều chế BER THEO SNR (dB) dB 2dB 4db 6dB 8dB 10dB 12dB BPSK 0.0112 0.0035 0.001 0.0001 QPSK 0.0969 0.0556 0.0271 0.011 0.0035 0.001 0.0002 16QAM 0.2265 0.1784 0.1337 0.0924 0.0573 0.0304 0.0136 Bảng 5.1 Bảng thống kê kết phương pháp điều chế sử dụng MIMO OFDM STBC 2x2  Kết mô phỏng: 68 HỆ THỐNG MIMO OFDM STBC  Nhận xét: Tỉ lệ lỗi bit BPSK tốt Xác suất thu lỗi QPSK lớn BPSK, 16QAM lớn QPSK Với M >8, điều chế 16QAM lợi công suất để đạt BER cho Với 4