Luận văn thạc sĩ VNU UET hệ thống MIMO điều chế không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI LÊ PHƢƠNG LINH HỆ THỐNG MIMO ĐIỀU CHẾ KHƠNG GIAN Ngành: Cơng Nghệ Điện Tử Viễn Thơng Chun ngành: Kĩ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀ NỘI, THÁNG 10 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU 1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO 10 1.1 Hệ thống MIMO 10 1.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 10 1.1.2 Mơ hình tốn học 11 1.1.3 Dung lƣợng kênh MIMO 12 1.2 Một số kĩ thuật hệ thống MIMO 13 1.2.1 Phân tập thời gian 14 1.2.2 Phân tập tần số 15 1.2.3 Phân tập không gian 16 1.3 Độ lợi hệ thống MIMO 17 1.3.1 Độ lợi tạo búp(Beamforming) 17 1.3.2 Độ lợi ghép kênh không gian 18 1.3.3 Độ lợi phân tập 18 1.4 Lý thuyết tổ hợp tín hiệu thu 19 1.5 Kết luận chƣơng 21 CHƯƠNG II: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN 23 TRONG HỆ THỐNG MIMO 23 2.1 Điều chế không gian hệ thống MIMO 23 2.2 Nguyên lý kĩ thuật điều chế không gian 24 2.3 Cách tính gần tối ƣu để ƣớc lƣợng đồng thời ký hiệu phát số anten phát 29 2.4 Tính tốn SER trƣờng thợp gần tối ƣu dùng MRRC 34 Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.4.1 Tính SER trình ƣớc lƣợng ký hiệu phát 36 2.4.2 Tính lỗi q trình ƣớc lƣợng số ăng-ten phát 36 2.5 Ƣu, nhƣợc điểm điều chế không gian hệ thống MIMO 39 2.5.1 Ƣu điểm 39 2.5.2 Nhƣợc điểm 39 2.6 Kết luận chƣơng: 40 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SO SÁNH GIỮA CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ MIMO-SM VỀ TỈ LỆ LỖI BIT (BER) 41 3.1 MIMO thông thƣờng không sử dụng SM 41 3.2 MIMO SM với tín hiệu 16-QAM, 32-QAM 64-QAM 42 3.3 So sánh MIMO SM sử dụng hệ có số lƣợng ăng-ten thu phát khác 43 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống MIMO 11 Hình 1.2: Mơ hình toán học hệ thống MIMO 11 Hình 1.3: Phân tập theo thời gian 14 Hình 1.4: Kỹ thuật tạo búp 17 Hình 1.5: Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền 18 Hình 1.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 18 Hình 2.1: Điều chế khơng gian ánh xạ chuỗi bit thành điểm chịm tín hiệu chịm khơng gian Các điểm chịm khơng gian đóng ngoặc đơn Mỗi điểm chịm khơng gian tạo thành lớp chịm tín hiệu hình vẽ có lớp dành cho ăng-ten thứ (00) ăng-ten thứ (11) 25 Hình 2.2: Bộ phát SM lựa chọn ăng-ten lựa chọn loại tín hiệu phát 26 Hình 2.3: Kênh khơng dây thu 28 Hình 2.4 : Sơ đồ khối SM có sử dụng thu i-MRC 31 Hình 2.5 Ví dụ điều chế BPSK ăng-ten phát điều chế 4-QAM ăng-ten phát 33 Hình 2.6: Lƣu đồ tính tốn SER theo MMRC 35 Hình 3.1: So sánh BER MIMO SM MIMO khơng sử dụng SM 41 Hình 3.2: So sánh BER điều chế QAM 42 Hình 3.3: So sánh hệ MIMO SM MtxMr lần lƣợt 4x2, 4x4, 8x8, 8x4, 8x2 43 Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào, nhiều đầu MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào, đầu ICI Inter-Channel Interference Can nhiễu kênh IAS Inter-Anten-Synchronize Đồng ăng-ten STBC Space-Time Block Code Mã khối không thời gian SM Spatial Modulation Điều chế không gian BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit SER Symbol Error Ratio Tỷ lệ lỗi ký tự SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín ồn BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha bốn mức SSK Space Shift Keying Khóa dịch khơng gian QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phƣơng Maximum Likelyhood Hợp lệ cực đại Maximum Ratio Combining Tổ hợp tỉ lệ cực đại MMRC Multiplexing Maximum Ratio Combining Ghép tổ hợp tỉ lệ cực đại i-MRC Iterative-Maximum Ratio Combining Lặp tổ hợp tỉ lệ cực đại ML MRC Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn cơng trình nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn cán hƣớng dẫn Các số liệu kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình trƣớc Các kết sử dụng tham khảo đƣợc trích đầy đủ theo quy định Hà Nội, Ngày tháng năm 2014 Tác giả Bùi Lê Phƣơng Linh Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành luận án này, tác giả nhận đƣợc nhiều giúp đỗ đống góp quý báu Đầu tiên, tác giải xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Viết Kính thầy giáo mơn Thơng Tin Vơ Tuyến tận tình giúp đỡ tác giả q trình hồn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Phịng Đào tạo, mơn Thơng tin Vô tuyến, Khoa Điện tử Viễn thông tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hồn thành nhiệm vụ Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lịng cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng chí, đồng nghiệp ln động viên, giúp đỡ tác giả vƣợt qua khó khăn để đạt đƣợc kết nghiên cứu Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt truyền thông đa phƣơng tiện tốc độ cao kênh vơ tuyến fading ngày tăng địi hỏi nhiều kĩ thuật đời đáp ứng đƣợc nhu cầu ngƣời sử dụng.Các kỹ thuật truyền nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) với nhiều ăng-ten đƣợc trang bị máy phát máy thu giải pháp đầy triển vọng Trong kĩ thuật truyền dẫn MIMO, máy phát máy thu vô tuyến đƣợc trang bị nhiều ăng-ten, từ hình thành hệ thống MIMO đƣợc gọi kênh MIMO Ƣu điểm bật hệ thống MIMO dung kênh tăng tuyến tính với số lƣợng ăng-ten truyền đƣợc chứng minh Foschini Tetalar Để khai thác ƣu điểm hệ thống MIMO, ba chiến lƣợc truyền dẫn MIMO đƣợc nhà nghiên cứu giới đề xuất là: Truyền dẫn sử dụng mã khối không thời gian (STBC) để cải thiện chất lƣợng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit hệ thống Truyền dẫn sử dụng ghép kênh theo không gian để tăng tốc độ truyền tin Truyền dẫn tổ hợp đồng thời ghép kênh theo khơng gian mã hóa khơng thời gian nhằm tăng tốc độ độ truyền tin cậy Tuy nhiên hệ thống MIMO gặp phải số vấn đề nhƣ Can nhiễu kênh (ICI), chồng chuỗi thông tin độc lập đƣợc truyền nhiều ăng-ten phát Đồng ăng-ten (IAS), đại diện cho giả định sở cho không-thời gian trễ phân tập phƣơng pháp mã hóa; Cần thiết nhiều chuỗi tần số vô tuyến cần thiết để truyền tải tất tín hiệu đồng thời Trong năm trở lại Mesleh [7] giới thiệu khái niệm điều chế không gian (SM) nhằm khắc phục vấn đề hệ thống MIMO trƣớc Trong hệ thống MIMO-SM, phát kích hoạt ăng-ten Đại học Cơng Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát chu kì tín hiệu phát tín hiệu điều chế kĩ thuật điều chế truyền thống nhƣ BPSK hay QAM Do có tín hiệu đƣợc phát chu kì bit nên vấn đề ICI đƣợc giải Vì vậy, tách sóng ML độ phức tạp thấp thực đƣợc máy thu Ý tƣởng điều chế không gian mẻ mà khắc phục đƣợc nhiều nhƣợc điểm hệ thống MIMO lại làm giảm độ phức tạp thu tăng dung kênh mà không cần tăng băng thơng Chính tác giả chọn tìm hiểu hệ thống MIMO sử dụng điều chế không gian làm đề tài nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu mơ hình hệ thống MIMO-SM, ngun lý hoạt động phát thu, mô đồ thị tỉ lệ lỗi bit theo tỉ lệ tín ồn để so sánh đánh giá Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến MIMO - Nghiên cứu kỹ thuật phân tập - Nghiên cứu kỹ thuật điều chế không gian - Mô điều chế để đƣa tỉ lệ lỗi bit Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, tác giả xin trình bày nội dung nghiên cứu đƣợc luận văn gồm chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan hệ thống MIMO Chƣơng II: Điều chế không gian hệ thống MIMO Chƣơng III: Mô so sánh điều chế MIMO-SM tỉ lệ lỗi bit Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO 1.1 Hệ thống MIMO Do phát triển dịch vụ đa phƣơng tiện, thiết bị kết nối không dây toàn giới nên nhu cầu dung lƣợng hệ thống thông tin không dây tăng lên nhanh Tuy nhiên phổ tần vô tuyến lại hạn chế, muốn tăng dung lƣợng ta bắt buộc phải tăng hiệu sử dụng tần số Những tiến mã hóa nhƣ mã Turbo, mã kiểm tra chẵn lẽ mật độ thấp (LDPC) tiệm cận tới giới hạng dung lƣợng Shannon hệ thống với ăng-ten Tuy nhiên đạt đƣợc hiệu phổ tần cao việc sử dụng hệ thống nhiều ăng-ten máy phát máy thu 1.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO MIMO hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten máy phát máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền Chuỗi tín hiệu phát đƣợc mã hóa theo hai miền khơng gian thời gian nhờ mã hóa khơng gian thời gian (STE: Space-Time Encoder) Tín hiệu sau đƣợc mã hóa khơng gian thời gian đƣợc phát nhờ N ăng-ten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với M ăng-ten thu Kênh tổng hợp máy phát (Tx) máy thu (Rx) có N đầu vào M đầu đƣợc gọi kênh MIMO M ×N Trong trƣờng hợp đặc biệt N = M = 1, tƣơng ứng có hệ thống phân tập thu SIMO phân tập phát MISO Để tránh ảnh hƣởng ăng-ten phát ăng-ten thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu phần tử ăng-ten mảng ăng-ten phát thu ⁄ Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.4 : Sơ đồ khối SM có sử dụng thu i-MRC Nguyên lý i-MRC dựa điều có ăng-ten phát thời điểm Chỉ số ăng-ten thay đổi khoảng truyền nhƣng thời điểm ăng-ten đơn đƣợc truyền số ăng-ten nhận đƣợc xem xét riêng biệt thu Bộ thu tính tốn lặp lặp lại kết MRC kênh đa đƣờng từ ăng-ten ten phát để tƣơng quan ăng-ten thu Giả sử toàn kênh truyền đƣợc biết thu, thu chọn số ăngten phát có tƣơng quan cao Ở mơ hình Điều chế khơng gian hình 2.4 q(k) vector n bit đƣợc truyền Vector nhị phân đƣợc ánh xạ vào vector x(k) khác có kích thƣớc Nt có phần tử khác tất phần tử cịn lại Ở Nt số phần tử ăng-ten mảng ăng-ten truyền Kí hiệu thứ l vector kết x(k) xl l ánh xạ ăng-ten phát thứ l với l thuộc [1:Nt] Kí hiệu xk đƣợc phát từ ăng-ten thứ k thơng qua kênh MIMO, H(k) H(k) đƣợc viết thành vector mà vector tƣơng quan với độ lợi đƣờng kênh ăng-ten phát ăng-ten thu theo công thức [ Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN ] (2.2) 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hv=[h1,v h2,v….hNr,v]T Vector thu (2.15) Với w(k) ồn Gauss trắng cộng tính Số thơng tin bit truyền, n, điều chỉnh theo cách độc lập khác hẳn nhau- vừa cách thay đổi tín hiệu điều chế thay đổi điều chế khơng gian Ví dụ với bit kí hiệu gửi từ ăng-ten phát sử dụng điều chế BPSK Lặp lại điều với ăng-ten phát thay bit gửi kĩ thuật điều chế 4QAM Tƣơng tự , cách truyền bit, điều chế BPSK ăng-ten dung 4QAM ăng-ten phát Cùng hiệu suất phổ đạt đƣợc với ăng-ten điều chế 8QAM đƣợc dùng Nói chung nhƣ nói phần nguyên lý SM, số bit truyền sử dụng điều chế không gian đƣợc đƣa theo công thức Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 32 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.5 Ví dụ điều chế BPSK ăng-ten phát điều chế 4-QAM ăng-ten phát n=log2(Nt)+log2(M) (2.16) Ƣớc lƣợng số ăng-ten phát Với liệu điều chế không gian đƣợc điều chế thông tin ký tự số ăng-ten phát Do đó, ƣớc lƣợng ăng-ten phát nhiệm vụ quan trọng Theo đó, lý thuyết để phát đƣợc số ăng-ten phát đƣợc giới thiệu sau Với vector nhận y(k) đƣơc lặp lại nhiều lần độ tăng đƣờng kênh đƣợc giải sử biết thu, nhờ ƣớc lƣợng đƣợc ký tự truyền số ăng-ten gj= hjHy với j=1:Nt (2.17) g=[g1 g2 …gNt]T ̃ =argmax|g| ̃ =q(g(j=l)) Với q(.) hàm lƣợng tử chòm Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giả sử ƣớc lƣợng với ̃ ̃ , thu giải mã trực tiếp thông tin bit gốc Bộ tách tối ƣu dựa nguyên tắc hợp lệ cực đại nhƣ sau [3], [11] [ ] ( | ) (2.6) √ ‖ Với ,1 ( | ‖ { √ ‖ ) } , q M ) ( ‖ Là hàm mật độ xác xuất y, điều kiện xjq H Nhƣ thuật tốn ƣớc lƣợng đồng thời kí hiệu phát số ăng-ten phát để phục vụ giải điều chế khơng gian 2.4 Tính tốn SER trƣờng thợp gần tối ƣu dùng MRRC Ta tính SER môi trƣờng kênh Rayleigh, phân bố độc lập đồng (idd Rayleigh) idd tƣờng hợp lý tƣởng để dễ dàng cho việc tính tốn [7] Tính theo phƣơng pháp giải tích hiệu SM khơng phải đơn giản SM gồm q trình nhƣ ta biết: ƣớc lƣợng số ăng-ten, sau thực ƣớc lƣợng ký hiệu phát Bít đƣợc khơi phục xác q trình ƣớc lƣợng xác Cách tính tốn thực theo lƣu đồ hình 2.6 với giải thiết :khi trình tính tốn độc lập với Đại học Cơng Nghệ-ĐHQGHN 34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.6: Lƣu đồ tính tốn SER theo MMRC Tuy nhiên giả thiết nói chung khơng xác Thí dụ L đƣờng truyền kênh có tƣơng quan với hai q trình tính tốn phụ thuộc nhau, phƣơng trình suy theo cách giới han hiệu thực Để tính tốn xác suất lỗi tổng Pe, ta kí hiệu Pa xác suất lỗi ƣớc lƣợng số anten phát, Pd xác xuất lỗi ƣớc lƣợng kí hiệu Khi xác suất ƣợc lƣợng chuỗi bít thu đƣợc xác Pc ƣớc lƣợng số anten phát (1-Pa) ƣợc lƣợng kí tự phát (1-Pd) ) (2.7) Xác suất bit giải ánh xạ khơng xác 1-Pc, tức xác suất lỗi (2.8) Điều rõ ràng rằng, có ăng-ten phát tồn tại, Pa=0 xác suất lỗi tổng cộng giống trƣờng hợp MMRC với nhiều ăng-ten thu Ta thấy rõ điều từ công thức 2.8, ý Pa 1, Pd phép nhân đƣa đến số nhỏ Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com SM tăng SER so với MRRC lƣợng Pa-PdPa 2.4.1 Tính SER q trình ƣớc lƣợng ký hiệu phát Ƣớc đoán ký hiệu phát với loại điều chế M-QAM q trình 1xNr MRRC, có phần tử tƣơng ứng vectơ tổng sau trình MRRC SER với M-QAM qua kênh fading tổng quát hóa ( √ )∫ ∏ ̅) ( (2.9) √ Ở , ∫ ∏ ( ̅) ( ̅) ( ) hàm sinh moment cho kênh Rayleigh fadinh 2.4.2 Tính lỗi trình ƣớc lƣợng số ăng-ten phát Ta tính Pa, đơn giản ta xét trƣờng hợp ăng-ten Có thể mở rộng cho trƣờng thợp ăng-ten thảo mãn SM Số ăng-ten phát, đƣợc ƣớc lƣợng nhƣ ví trí giá trị tuyệt đối Bƣớc thứ nhất: Tính giá trị tuyệt đối , cực đại véctơ sau thực MMRC gồm phần ảo phần thực vectơ g Cực đại phần tử vectơ tổng sau MMRC Điều tƣơng đƣơng với việc có biên độ cao miền không gian tập hợp Nt phần tử Tại thời điểm cụ thể, với giả thiết kịch 4x4 có H=[h1,h2, h3, h4] ma trận kênh hi=[h1i,h2i , h3i, h4i ] vector kênh từ ăng-ten phát thứ Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 36 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com i tới tất ăng-ten thu Để minh họa, ta giả thiết chuỗi bit liệu đƣợc ánh xạ thành S2 kí hiệu chọn từ chịm vng QAM tới ăng-ten phát thứ ⃗⃗⃗⃗⃗ Khi đó, vectơ thứ ⃗ ⃗⃗ coi lối vào ăng-ten thu Áp dụng MRRC nhƣ trình bày ta có ⃗ (2.10) ( ) Giả thiết độ lợi kênh đơn vị nhiễu Gauss, phần tử vectơ ⃗ có giá trị trung bình s2 phƣơng sai Phần tử lại (phần tử thứ thực tế đƣợc phân tích thành thành phần độc lập, giống biên độ điều chế I(thành phần pha), Q(thành phần ngƣợc pha) Nhƣ phần thực chòm đƣợc tính tới Gọi giá trị tuyết đối phần thực kí hiệu s2 giản đồ chịm Chiều dài vector ⃗⃗ vector có độ dài chứa phần thực dƣơng phần tử giản đồ chòm Gọi P( ) xác suất ƣớc lƣợng lỗi phát Vậy xác suất tổng cộng ƣớc lƣợng số ăng-ten phát xét phần thực Par ∑ (2.11) Phần ảo, tính tƣơng tự phần thực Xác suất phát xác phần thực phần ảo (1-Par)(1-Par) tƣ suy ra, xác suất lỗi tổng cộng xét phần thực phần ảo: (2.12) Ƣớc lƣợng số ăng-ten phát Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN thời điểm rời rạc k, tính theo giả 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thiết Gọi x=|ν| , ν biến ngẫu nhiên tuân theo phân bố Gauss với trung bình μi phƣơng sai σ2n (2.13) = √ = + √ Bƣớc thứ 2, việc tìm số ăng-ten phát tìm vị trí có giá trị tuyệt đối cực đại phần tử vectơ g Điều thực cách tính hàm mật độ xác suất Nt biến số ngẫu nhiên mà chúng có giá trị trung bình khác Đó tốn thơng kê theo cấp Gọi X1, …XNt ký hiệu thống kê theo cấp mẫu ngẫu nhiên từ tập hợp liên tực với hàm phân bố tích lũy FX(x| ) X(Nt)>X(Nt-1)>….X1, Khi hàm mật độ xác suất Xj [ ] [ ] (2.14) Hàm mật độ xác suất thông kê theo trình tự đƣợc giả thiết độc lập, xác suất ƣớc lƣợng số anten sai tìm đƣợc từ phép lấy tích phân theo cách tính số diện tích cắt với phân bố khác cho giá trị trung bình Tuy nhiên giả thiết độc lập thống kê gần đúng, hàm mật độ xác suất suy xác suất có điều kiện X(Nt)>X(Nt-1)>….X1 Giả thiết x3, x2, x1 giao điểm , , tƣơng ứng x3>x2> x1>0 Xác xuất lỗi cho μi cách lấy trung bình lỗi giả thiết cho trƣờng hợp ăng-ten Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com P(μi)= (∫ ( | ) ∫ ( | ) ∫ ( | ) ) (2.15) 2.5 Ƣu, nhƣợc điểm điều chế không gian hệ thống MIMO 2.5.1 Ƣu điểm - Điều chế không gian tránh đƣợc ICI IAS mà cần chuỗi RF để truyền - Với hệ thống đơn ăng-ten, giản đồ chịm khơng gian giới thiệu độ lợi ghép kênh miền không gian tăng theo hàm logarit với số phần tử ăng-ten mà không làm tăng băng thơng - Điều chế khơng gian hoạt động số ăng-ten thu nhỏ số ăng-ten phát số ăng-ten nhận sử dụng để tăng độ phân tập Trên lý thuyết, cần ăng-ten nhận đủ để thực thi mơ hình SM: làm cho SM phù hợp với việc hƣớng xuống thiết bị di động có độ phức tạp thấp - Nhờ độ lợi ghép kênh đạt đƣợc thực thi miền không gian để chuyền đạt phần bit thông tin nên SM cung cấp dung lƣợng lớn lý thuyết mã hóa độ phức tạp thấp thông thƣờng cho hệ thống MIMO nhƣ STBC 2.5.2 Nhƣợc điểm - Cần ăng-ten phát số ăng-ten phát phải lũy thừa để thực thi mơ hình điều chế khơng gian - Bộ thu yêu cầu kênh biết để phục vụ cho việc phát liệu, điều hạn chế độ phức tạp đơn vị ƣớc lƣợng kênh vào mào đầu nƣớc lƣợng kênh - Khi so sánh với kĩ thuật V-BLAST, điều chế không gian có tỉ lệ liệu tăng theo hàm logarit với số ăng-ten phát thay tuyến tính nhƣ VBLAST Nó làm điều chế khơng gian bị giới hạn để đạt đƣợc hiệu suất phổ cao số ăng-ten phát Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 39 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.6 Kết luận chƣơng Trong chƣơng này, trình bày đƣợc số phấn đề lý thuyết điều chế không gian hệ thống MIMO, trình bày nguyên lý đƣa sơ đồ khối hệ thống phát thu Tìm hiểu cách tính tốn SER cho hệ SM.Chƣơng đánh giá số ƣu nhƣợc điểm việc điều chế không gian Đây chƣơng làm tảng sở lý thuyết phục vụ phần mô chƣơng sau Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG SO SÁNH GIỮA CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ MIMO-SM VỀ TỈ LỆ LỖI BIT (BER) 3.1 MIMO thông thƣờng không sử dụng SM Điều kiện mô ban đầu : Số ăng-ten phát: Số ăng-ten thu : Điều chế 64-QAM Không sử dụng điều chế không gian Kênh truyền biết nơi thu So sánh với điều kiện nhƣng sử dụng điều chế không gian để thấy tỉ lệ lỗi bit Hình 3.1: So sánh BER MIMO SM MIMO không sử dụng SM Với kết đồ thị hình 3.1 ta thấy rõ ràng tỉ lệ lỗi bit đƣợc cải thiện đáng kể sử dụng kĩ thuật MIMO-SM Ví dụ tỉ số SNR nhỏ cụ thể BER chênh lệch đƣờng cong MIMO SM MIMO thông thƣờng khoảng 0.05 Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sự chênh lệch mở rộng SNR lớn Tại SNR=25 độ chênh lệch BER 10-1 với MIMO thƣờng 10-3với MIMO-SM 3.2 MIMO SM với tín hiệu 16-QAM, 32-QAM 64-QAM Số ăng-ten phát: Số ăng-ten thu : Điều chế 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM Sử dụng điều chế không gian Kênh truyền biết nơi thu Hình 3.2: So sánh BER điều chế QAM Theo kết đồ thị thấy với số lƣợng ăng-ten thu phát, loại điều chế khác cho tỉ lệ lỗi bít có chênh lệch.Tại SNR nhỏ đƣờng cong thể BER hầu nhƣ giống độ chênh lệch không kể Tại SNR=20, BER lần với điều chế 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM lần lƣợt 0.7x10-3, 0.5x10-3, 10-2 Khi sử dụng 16-QAM số bit ký tự điều chế đƣợc với 64-QAM nhƣng tỉ lệ lỗi bit đạt tốt Khi thực mã hố phải có đánh đổi cân Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nhắc dung kênh tỉ lệ lỗi bit để phù hợp với yêu cầu mã hóa 3.3 So sánh MIMO SM sử dụng hệ có số lƣợng ăng-ten thu phát khác Số lƣợng ăng-ten phát-thu hệ MIMO-SM ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu Tỉ lệ lỗi bit so sánh trƣờng hợp MtxMr với loại điều chế 64-QAM đƣợc thể hình dƣới Hình 3.3: So sánh hệ MIMO SM MtxMr lần lƣợt 4x2, 4x4, 8x8, 8x4, 8x2 Theo kết điều kiện tốt số ăng-ten thu số ăng-ten phát tỉ lệ lỗi bit cho kết tốt Tuy nhiên lần vấn đề đánh đổi, thỏa hiệp yếu tố phải đƣợc tính đến tùy vào mục đích dụng thiết kế hệ thống Khi hệ thống nhiều ăng-ten làm phức tạp hệ thống Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Luận văn thạc sĩ trình bày đƣợc lý thuyết chung hệ thống MIMO, số kĩ thuật phân tập hệ thống MIMO nhằm tăng dung kênh hiệu đƣờng truyền Luận văn trình bày điều chế không gian hệ thống MIMO phƣơng pháp đƣợc khai thác mạnh mẽ nhằm cải thiện nhƣợc điểm có hệ thống MIMO Điều chế không gian đƣợc thể việc mã hóa khối bit thơng tin ánh xạ vào điểm chịm miền tín hiệu điểm chịm miền khơng gian Tại thu sử dụng biện pháp lặp tỉ lệ tổ hợp tối đa để ƣớc lƣợng đồng thời số ăng-ten phát kí hiệu phát để giải điều chế khơng gian Kĩ thuật điều chế khơng gian MIMO có ƣu điểm nhƣng có nhƣợc điểm mà luận văn số điểm so sánh tham khảo cáo tải liệu Từ lý thuyết tìm hiểu chƣơng đầu để đƣa mơ hình hệ thống MIMO SM để mô so sánh BER trƣờng hợp MIMO thông thƣờng MIMO SM MIMO SM với điều chế QAM mức khác MIMO SM sử dụng số lƣợng ăng-ten thu phát thay đổi Hƣớng phát triển đề tài: Để tận dụng đƣợc ƣu điểm không gian cải thiện nhƣợc điểm tổ hợp điều chế không gian với việc sử dụng mã không gian Có thể tổ hợp với kĩ thuật điều chế khác nhƣ OFDM để cải thiện đƣợc hiệu hệ thống Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Phạm Minh Triết, “Nghiên cứu kĩ thuật MIMO-OFDM ứng dụng trọng hệ thống thông tin không dây”, Luận văn thạc sĩ kĩ thuật Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải ,2011 Đỗ Đình Thuấn, “Ƣớc lƣợng kênh truyền MIMO dùng thuật toán bán mù cải tiến”, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG TP.Hồ Chí Minh 2012 Mai Hồng Anh, “Thiết kế mã không gian thời gian sử dụng cấu trúc trực giao”, Dự thảo Luận án Tiến sĩ kỹ thuật Học Viện Kĩ Thuật Quân Sự, 2014 Tiếng Anh Hamid Jafarkhani, “Space-time Coding Theory and Practice”, Cambridge Universiy Press 2005 Profesor Harald Haas, Spatial Modulation Testbed, 2011 Marco Di Renzo, “Spatial Modulation for Generalized MIMO:Challenges, Opportunities and Implementation”, Raed Y Mesleh, Harald Haas,Chang Wook Ahn and Sangboh Yun, “Spatial Modulation”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol.57,No.4, July 2008 Raed Y Mesleh, Harald Haas,Chang Wook Ahn and Sangboh Yun, “Spatial Modulation - A New Low Complexity Spectral Efficiency Enhancing Technique”, IEEE 2006 Marco Di Renzo, “Spatial Modulation for Multiple–Ăng-tenna Wireless Systems – A Survey”, IEEE Communication Magazine (2011) pp 182191 Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... nghiên cứu đƣợc luận văn gồm chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan hệ thống MIMO Chƣơng II: Điều chế không gian hệ thống MIMO Chƣơng III: Mô so sánh điều chế MIMO- SM tỉ lệ lỗi bit Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN LUAN... văn Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN 22 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG II: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO 2.1 Điều chế không gian hệ thống MIMO Việc sử dụng... hệ thống MIMO nhằm tăng dung kênh hiệu đƣờng truyền Luận văn trình bày điều chế khơng gian hệ thống MIMO phƣơng pháp đƣợc khai thác mạnh mẽ nhằm cải thiện nhƣợc điểm có hệ thống MIMO Điều chế