Đang tải... (xem toàn văn)
Microsoft Word BTL Thông tin di động nhóm 10 docx 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài Mô phỏng hệ thống MIMO OFDM trên kênh n.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THƠNG TIN DI ĐỘNG Đề tài: Mơ hệ thống MIMO-OFDM kênh nhiễu phân tập đa đường (có hiệu ứng doppler) và kênh nhiễu Gauss Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Nhóm sinh viên thực hiện: Họ tên MSSV Nguyễn Bá Minh Hiển 20172540 Thiều Thị Loan 20172661 Nguyễn Trung Hiếu 20172551 Hà Nội, 02-2022 MỤC LỤC DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 10 1.1 Giới thiệu 10 1.2 Các vấn đề kênh truyền vô tuyến 10 1.2.1 Tài nguyên vô tuyến 10 1.2.2 Suy hao kênh truyền 10 1.2.3 Các loại nhiễu 11 1.2.4 Fading 12 1.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền 18 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM 20 2.1 Sơ lược OFDM 20 2.1.1 Khái niệm OFDM 20 2.1.2 Tính chất trực giao sóng mang 21 2.2 Kỹ thuật OFDM 22 2.2.1 Khối S/P (Serial to Parallel) P/S (Parallel to Serial) 22 2.2.2 Khối mã hóa xếp 23 2.2.3 Khối FFT IFFT 25 2.3 Nguyên lý hoạt động máy thu phát OFDM 26 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 30 3.1 Giới Thiệu 30 3.2 Hệ thống MIMO 30 3.2.1 Các độ lợi hệ thống MIMO 30 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO 32 3.3 Mã Hóa Khơng Gian-Thời Gian STC 33 3.3.1 Mã hóa khơng gian thời-gian khối STBC 33 3.3.2 Mã hóa khơng gian-thời gian lớp STTC 40 3.4 Mã hóa khơng gian-thời gian lớp BLAST 40 3.4.1 Kiến trúc V-BLAST 40 3.4.2 Giải mã tín hiệu V-Blast 41 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 45 4.1 Giới thiệu 45 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 46 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 46 4.2.2 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 47 4.2.3 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 53 CHƯƠNG 5: LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ MƠ PHỎNG 57 5.1 Lưu đồ thuật toán 57 5.2 Kết mô 61 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68 6.1 Kết luận 68 6.2 Kiến nghị đề xuất đề tài 68 Tài liệu tham khảo 69 PHỤ LỤC 70 Phụ lục 1: Code 70 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CP Cyclic Prefix D/A Digital to Analog DFT Discrete Fourier Transform FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform I.I.D Independent and Identically Distributed ISI InterSymbol Interference LAN Local Area Network LOS Light Of Sight LPF Low Pass Filter MIMO Multiple Input Muliple Output MISO Multiple Input single Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Sqare Error MS Mobile Station OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SC Single Carrier Communication STBC Space-Time Block Code V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time ZF Zero-Forcing DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Suy hao theo khoảng cách 11 Hình 1.2 Nhiễu trắng 11 Hình 1.3 Nhiễu liên kí tự 11 Hình 1.4 Nhiễu ICI OFDM 12 Hình 1.5 Hiện tượng fading 13 Hình 1.6 Phổ Doppler 14 Hình 1.7 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 16 Hình 1.8 Hàm mật độ xác suất phân bố Rician với k = -∞ dB (Rayleigh) 17 Hình 1.9 Mơ hình kênh truyền fading Rayleigh 18 Hình 1.10 Các phương pháp phân tập 19 Hình 1.11 Phân tập theo tần số 19 Hình 1.12 Phân tập theo thời gian 19 Hình 2.13 OFDM 20 Hình 2.14 Phân biệt FDM OFDM 21 Hình 2.15 Các sóng mang 21 Hình 2.16 Phổ sóng trực giao 22 Hình 2.17 Sơ đồ khối kỹ thuật OFDM 22 Hình 2.18 Khối S/P 22 Hình 2.19 Khối P/S 23 Bảng 2.20 Dạng điều chế 23 Hình 2.21 Điều chế PSK 24 Hình 2.22 Điều chế QPSK 24 Hình 2.23 Sơ đồ chòm QPSK,16QAM,64QAM 25 Hình 2.24 Bộ điều chế OFDM 26 Hình 2.25 Phổ sóng mang 26 Hình 2.26 Vị trí sóng mang 27 Hình 2.27 Chèn CP 27 Hình 2.28 Một khung OFDM 27 Hình 3.1 Hình trực quan hệ thống MIMO 30 Hình 3.2 Kỹ thuật Beamforming 31 Hình 3.3 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 31 Hình 3.4 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 32 Hình 3.1 Sơ đồ Alamouti anten phát anten thu 34 Hình 3.2 Sơ đồ Alamouti anten phát N anten thu 35 Hình 3.1 Hệ thống V-BLAST 40 Hình 3.2 Bộ thu vblast 42 Hình 4.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM 46 Hình 4.2 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 47 Hình 4.3 Sơ đồ chùm 48 Hình 4.4 Điều chế máy phát 48 Hình 4.5 Mã hóa STC 49 Hình 4.6 Truyền tín hiệu mã hóa anten 50 Hình 4.7 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 53 Hình 4.8 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 54 Hình 4.9 Bộ thu VBLAST 55 Hình 5.1 Lưu đồ hệ thống MIMO-OFDM 57 Hình 5.2 Lưu đồ chương trình nhận tín hiệu 58 Hình 5.3 Lưu đồ CT MIMO decode hệ MIMO-OFDM VBLAST 59 Hình 5.4 Lưu đồ CT MIMO code hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 60 Hình 5.5 Lưu đồ CT MIMO decode hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 61 Hình 5.6 Kỹ thuật OFDM với CP 62 Hình 5.7 Kỹ thuật OFDM với kiểu điều chế 63 Hình 5.8 Các hệ thống vơ tuyến 63 Hình 5.9 Hệ thống MIMO 64 Hình 5.10 Hệ thống MIMO-OFDM 64 Hình 5.11 Dung lượng hệ thống 65 Hình 5.12 Hệ thống MIMO-VBLAST 66 Hình 5.13 Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten 66 Hình 5.14 Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST 67 Hình 5.15 Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST & OFDM 67 Hình 7.1: Dung lượng mimo 70 Hình 7.2: Mimo anten phát anten nhận 71 Hình 7.3: Mimo với anten phát anten nhận 72 Hình 7.4: Mimo anten phát anten nhận 73 Hình 7.5: Mimo-ofdm 74 Hình 7.6: Mimo-vblast 75 Hình 7.7: OFDM 76 Hình 7.8: Ofdm-vblast 77 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày phát triển đặc biệt thông tin vô tuyến ngày quan trọng sống đại ngày Tuy nhiên, việc truyền thông tin môi trường vô tuyến lại chịu tác động nhiều từ môi trường, với việc hạn chế băng thông công suất Để hạn chế tác động môi trường, với khả sử dụng tài ngun vơ tuyến cách có hiệu Người ta ứng dụng kỹ thuật ghép kênh tiên tiến TDM, FDM, CDM…, kết hợp với phương pháp khác để cải thiện chất lượng kênh truyền vô tuyến dùng mã tối ưu, anten thông minh, phân tập Một kỹ thuật tiên tiến, có hiệu ứng dụng nhiều thực tế hệ thống MIMO Việc sử dụng kỹ thuật hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền cách đáng kể, nâng cao dung lượng hệ thống thơng tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu hơn, người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội kỹ thuật OFDM Với cơng nghệ OFDM ta truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông cách tối ưu hơn, có khả chống số loại nhiễu Vì mục đích đề tài giới thiệu tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM, với việc xây dựng lưu đồ thuật tốn, mơ phỏng, phân tích vấn đề nêu Nội dung tập lớn bao gồm chương: Chương 1: Các vấn đề kênh truyền vô tuyến Chương 2: Kỹ thuật OFDM Chương 3: Hệ thống MIMO Chương 4: Hệ thống MIMO-OFDM Chương 5: Mơ Nhóm em cảm ơn Thầy hướng dẫn tạo điều kiện cho chúng em học kì qua CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu Đây chương giới thiệu nhân tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến hay gặp, mơ tả cách trực quan 1.2 Các vấn đề kênh truyền vô tuyến 1.2.1 Tài nguyên vô tuyến Kênh truyền vô tuyến tài nguyên quốc gia, cần sử dụng cách có hiệu Tài ngun vơ tuyến hiểu dải tần số cấp phát giới hạn cố định cho mục đích cụ thể truyền hình, phát thanh, thơng tin di động, Vì vậy, để sử dụng tài ngun vơ tuyến cách có hiệu người ta đưa phương pháp ghép kênh khác TDM, FDM, OFDM, SDM, … 1.2.2 Suy hao kênh truyền Tại anten phát, sóng vơ tuyến truyền theo hướng Khi dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng mở rộng theo dạng hình cầu mật độ lượng tập trung vào vùng ta thiết kế Vì mật độ cơng suất sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách, ta có cơng suất tín hiệu thu truyền khơng gian tự do: ỉ l PR = PT GT G R ỗ ữ ố 4pR ø (1.1) Trong đó: PT, PR cơng suất phát, thu (Watts) GT độ lợi anten phát, GR độ lợi anten thu λ bước sóng sóng mang vơ tuyến (m) R khoảng cách truyền dẫn tính mét Gọi Lpt hệ số suy hao việc truyền dẫn khơng gian tự do: 10 Hình 5.7 Kỹ thuật OFDM với kiểu điều chế Quan sát kết mô hình 5.7, số mức điều chế tăng lên số bit lỗi tăng nhiều Như để tăng tốc độ đường truyền cách tăng số mức điều chế chất lượng đường truyền giảm tương ứng Ở hình, ta thấy điều chế QAM, có chất lượng tốt điều chế QPSK, điều chế OAM vừa điều chế biên độ vừa diều chế pha nên việc ước lượng tín hiệu phương pháp ML sai SO SANH BER GIUA SISO-SIMO-MISO-MIMO 10 SISO SIMO(1Tx,2Rx) MISO(2Tx,1Rx) MISO(3Tx,1Rx) MIMO(2Tx,2Rx) -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 12 Eb/No (dB) 14 16 18 20 Hình 5.8 Các hệ thống vơ tuyến Quan sát hình 5.8, ta thấy tỉ lệ bit lỗi hệ thống SIMO (dùng MMRC), MISO, MIMO (sử dụng mã hóa STBC) cho chất lượng tốt truyền với hệ thống SISO Nếu hệ thống MISO, MIMO không sử dụng kỹ thuật tối ưu trên, tỉ lệ bit lỗi khơng cải thiện hình thức truyền thực chất việc chia cơng suất phát anten Hệ thống MISO (2Tx,1Rx) có BER cao so với SIMO cơng suất phát anten=1/2 so với hệ thống SIMO, công suất phát hệ thống MISO cho chất lượng tốt Hiện hệ thống SIMO ngày sử dụng Vì việc thiết kế nhiều anten máy thu làm cồng kềnh thiết bị tính 63 thẩm mĩ, mà chất lượng hệ thống MISO đáp ứng được, đồng thời với viêc đời MIMO với ưu điểm thay dần hệ thống SIMO SO SANH BER HE THONG MIMO 10 MIMO(2Tx,2Rx) MIMO(2Tx,4Rx) MIMO(3Tx,4Rx) MIMO(4Tx,4Rx) -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 12 Eb/No (dB) 14 16 18 20 Hình 5.9 Hệ thống MIMO Hình 5.9 cho thấy hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten cho chất lượng tốt nhiều so với hệ thống MIMO sử dụng anten Với số lượng anten lớn chất lượng tăng, nhiên thiết bị cồng kềnh hơn, địi hỏi việc thiết kế phải tốt SO SANH BER CUA HE THONG MIMO-OFDM 10 MIMO-OFDM(2Tx,2Rx) MIMO-OFDM(2Tx,3Rx) MIMO-OFDM(2Tx,4Rx) OFDM -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 12 Eb/No (dB) 14 16 18 20 Hình 5.10 Hệ thống MIMO-OFDM 64 Kỹ thuật OFDM, với hệ thống MIMO có ưu điểm riêng kết hợp hai kỹ thuật nói đem lại nhiều lơi ích vượt trội Hình 5.10 cho ta thấy rõ kỹ thuật OFDM không sử dụng hệ thống MIMO cho tỉ lệ bit lỗi cao Vì kỹ thuật MIMO-OFDM lựa chọn tối ưu cho kênh truyền có chất lượng cao DUNG LUONG HE THONG MIMO 25 nt nt nt nt nt Capacity bits/s/Hz 20 = = = = = , , , , , nr nr nr nr nr = = = = = 2 15 10 -10 -5 SNR in dB 10 15 20 Hình 5.11 Dung lượng hệ thống Hệ thống MIMO không cải thiên chất lượng kênh truyền, mà làm tăng dung lượng hệ thống Ở hình 5.11 ta thấy dung lượng hệ thống tăng lên theo số lượng anten phát tăng 65 Hình 5.12 Hệ thống MIMO-VBLAST Làm tăng dung lượng hệ thống MIMO kỹ thuật VBLAST Ở hình 5.12, ta mơ kỹ thuật VBALST với loại điều chế khác giải thuật thu khác nhau, từ ta thấy tối ưu Từ đồ thị ta thấy tăng số mức điều chế BER tăng theo, đồng thời sử dụng giải thuật MMSE tốt ZF Tuy nhiên BER giải thuật MMSE ZF có SNR lớn tỉ lệ bit lỗi tiến tới gần HE THONG MIMO VBLAST(2Tx,2Rx) 10 VBLAST-QPSK(2Tx-2Rx) VBLAST-QPSK(3Tx-3Rx) VBLAST-QPSK(4Tx-4Rx) BER 10 -1 10 -2 10 SNR [dB] 10 12 14 16 Hình 5.13 Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten Q trình mơ hình 5.13 cho ta thấy được, sử dụng nhiều anten để tăng dung lượng hệ thống chất lượng đường truyền giảm theo tương ứng BER HE THONG VBLAST-OFDM 10 BER VBLAST-OFDM(2Tx,2Rx) VBLAST-OFDM(3Tx,3Rx) VBLAST-OFDM(4Tx,4Rx) -1 10 -2 10 Eb/No (dB) 10 12 14 66 Hình 5.14 Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST Với kỹ thuật OFDM, ta làm tăng tốc độ đường truyền cách truyền liệu băng tần trực giao với Trong đó, kỹ thuật VBLAST hệ thống MIMO làm tăng tốc độ cách chia luồng liệu thành luồng truyền anten khác Vì vậy, kết hợp hệ thống MIMO với OFDM làm tăng tốc độ đường truyền đáng kể Ở hình 5.14, ta thấy việc tăng tốc độ hệ thống MIMO-OFDM VBLAST cách tăng số lượng anten làm BER tăng theo BER VBLAST-OFDM & OFDM VBLAST-OFDM(2Tx,2Rx) OFDM-16PSK BER 10 -2 10 10 12 14 Eb/No (dB) BER VBLAST-OFDM & OFDM 16 18 20 VBLAST-OFDM(3Tx,3Rx) OFDM-64PSK BER 10 -2 10 10 12 Eb/No (dB) 14 16 18 20 Hình 5.15 Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST & OFDM Tốc độ OFDM cải thiện cách tăng số lượng sóng mang trực giao tăng số mức điều chế Do việc hạn chế băng thơng số lượng sóng mang bị hạn chế, cịn điều chế q nhiều mức chất lượng giảm đáng kể Hình 5.2 ta thấy điều chế BPSK có BER với điều chế 16PSK có SNR lớn 10dB Q trình mơ hình 5.15 cho thấy hệ thống MIMO-OFDM VBLAST có chất lượng tốt hẳn so với OFDM có kỹ thuật điều chế M mức có tốc độ thấp Ở đồ thị ta thấy tốc độ tăng lên BER kỹ thuật OFDM với M mức cao so với kỹ thuật OFDM VBLAST Nên kỹ thuật OFDM với điều chế số mức vừa phải kết hợp với MIMO-VBLAST lựa chọn tốt cho truyền thông tốc độ cao 67 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Kỹ thuật OFDM có từ lâu, tảng cho hệ thống đa sóng mang ứng dụng rộng rãi hệ thống truyền hình, mạng cục bộ, Cấu trúc MIMO nghiên cứu gần nhà khoa học thấy tiềm to lớn Kết hợp ưu điểm chúng, hệ thống MIMO-OFDM hứa hẹn tảng cho hệ thống thơng tin di dộng tương lại Do đó, ngày có nhiều đề xuất cấu trúc kết hợp MIM-OFDM khác phương án đề xuất để cải tiến chất lượng, mục đích đưa vào ứng dụng rộng rãi sống Các vấn đề khắc phục fading đường tồn hệ thống Có thể kết hợp STBC mã hóa sửa lỗi để tạo thành cấu trúc STTC có nhiều ưu điểm Cấu trục địi hỏi có phu phức tạp BER hệ thống cải thiện đáng kể 6.2 Kiến nghị đề xuất đề tài Đây đề tài rộng ứng dụng nghiên cứu rộng rãi Trong phạm vi tập lớn môn học kiến thức kinh nghiệm chưa có đủ, tập lớn chúng em mang tính chất tìm hiểu tổng quan, mô dựa theo lý thuyết đưa chưa sâu vào nghiên cứu phát triển rộng Đồng thời chúng em tìm hiểu kết hợp hệ thống MIMO với công nghệ CDMA thông tin di động 3G hay GSM sử dụng nhiều Việt Nam nay, để cải thiện chất lượng với tốc độ tốt 68 Tài liệu tham khảo [1] Vahid Tarokh, Member, IEEE, Hamid Jafarkhani, and A R Calderbank, Fellow,IEEE “Space–Time Block Codes from Orthogonal Designs”,IEEE Transactions on information theory, vol.45, no.5, July 1999 [2] Siavash M.Alamouti, “A simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications” ,IEEE Journalon select areas in communicatins, vol 16 ,no 8, october 1998 [3] Hamid Jafarkhani “Space time coding: Theory and” University of California, Irvine 69 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Code 16: Dung lượng mimo 70 17: Mimo anten phát anten nhận 71 18: Mimo với anten phát anten nhận 72 19: Mimo anten phát anten nhận 73 20: Mimo-ofdm 74 21: Mimo-vblast 75 22: OFDM 76 23: Ofdm-vblast 77 ... lượng hệ thống tăng tăng băng thơng Tuy nhiên cơng suất tăng tới mức giới hạn cơng suất phát tăng hệ thống gây nhiễu cho hệ thống thông tin xung quanh, băng thông hệ thống hệ thống tăng lên việc phân. .. giảm bớt fading đa đường Phân tập tần số Phân tập theo tần số kỹ thuật thu phát tín hiệu hai kênh (hoặc nhiều hai kênh) tần số sóng vô tuyến Các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật phân tập tần số... đạt hiệu cao Hình 1.11 Phân tập theo tần số Phân tập thời gian Kỹ thuật phân tập theo thời gian kỹ thuật thu phát tín hiệu hai khe hay khe thời gian khác Hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật phân