Luận văn thạc sĩ phân tích dung lượng kênh uwb sử dụng kỹ thuật đảo ngược miền thời gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ ĐỨC TÂM LINH PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2013 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ ĐỨC TÂM LINH PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG XUÂN VINH HÀ NỘI – 2013 z Lời cảm ơn Tơi xin bày tỏ lịng tri ân sâu sắc đến TS Đặng Xuân Vinh, người thầy đáng kính tơi, thầy hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian cử học thời gian hồn thiện luận văn Tơi xin gởi lời cám ơn chân thành đến tất thầy cô giáo công tác Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội tận tình dạy, trang bị cho kiến thức chuyên ngành trình vào giảng dạy trường Đại học Khoa học Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đến người đồng hành, động viên suốt năm qua, khoảng thời gian nhận nhiều quan tâm người: người tham gia đề tài với tôi, người thân gia đình tơi, đặc biệt vợ tơi Tác giả luận văn HỒ ĐỨC TÂM LINH z Lời cam đoan Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tôi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực Các số liệu trích dẫn trình nghiên cứu ghi rõ nguồn gốc Tác giả luận văn HỒ ĐỨC TÂM LINH z Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh sách bảng Danh sách hình vẽ Danh mục từ viết tắt MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB 11 1.1 Định nghĩa chuẩn hóa tín hiệu UWB [20] 11 1.2 Ưu điểm UWB [11, 20] 12 1.2.1 Dung lượng kênh truyền lớn 12 1.2.2 Hoạt động với mức công suất thấp 13 1.2.3 Tính bảo mật cao 14 1.2.4 Chống lại tượng đa đường 14 1.2.5 Cấu trúc phát thu đơn giản 15 1.3 Những thách thức UWB [10] 16 1.3.1 Méo dạng xung 16 1.3.2 Ước lượng kênh phức tạp 17 1.3.3 Yêu cầu đồng kênh cao 17 z 1.4 So sánh UWB với số chuẩn truyền thông khác [9] 17 1.4.1 Mức tiêu thụ công suất lượng 17 1.4.2 Tốc độ khoảng cách truyền liệu 20 1.5 Ứng dụng UWB [4, 11] 21 1.5.1 Mạng cảm biến 21 1.5.2 Mạng vô tuyến cá nhân 21 1.5.3 Ra đa [19] 22 CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 24 2.1 Kỹ thuật phân tập tần số [21] 24 2.2 Kỹ thuật phân tập không gian [1, 21] 25 2.3 Kỹ thuật phân tập thời gian [21] 26 2.4 Kỹ thuật phân tập phân cực [22] 28 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN 29 3.1 Lý thuyết đảo ngược thời gian [2, 7, 8, 11, 16] 30 3.2 Mô kỹ thuật đảo ngược thời gian 31 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG MU-UWB 35 4.1 Mơ hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR[7] 35 4.2 Mơ hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR[7] 38 4.3 Mơ hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] 41 CHƯƠNG PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH HỆ THỐNG MU-UWB 50 z 5.1 Dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 50 5.1.1 Dung lượng kênh hệ thống MU-SISO-UWB-TR [7] 50 5.1.2 Dung lượng kênh hệ thống MU-MISO-UWB-TR [7] 51 5.1.3 Dung lượng kênh hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] 52 5.2 Các kết mô 52 5.2.1 Kết mô hệ thống MU-SISO-UWB-TR 53 5.2.2 Kết mô hệ thống MU-MISO-UWB-TR 55 5.2.3 Kết mô hệ thống MU-MIMO-UWB-TR 57 KẾT LUẬN 67 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 68 Tài liệu tham khảo 69 z Danh sách bảng 1.2.1 Giới hạn dải tần hoạt động ứng dụng UWB 14 1.2.2 Ưu điểm lợi ích truyền thơng UWB 15 1.4.3 So sánh dòng tiêu thụ chipset giao thức 18 5.2.4 Các thông số mô 53 z Danh sách hình vẽ 1.1.1 Mật độ phổ tín hiệu UWB 12 1.2.2 Tín hiệu UWB hoạt động mức cơng suất thấp 13 1.2.3 Hiện tượng đa đường 15 1.4.4 Tiêu thụ công suất số chuẩn truyền thông không dây 19 1.4.5 Tiêu thụ lượng số chuẩn truyền thông không dây 19 1.4.6 So sánh tốc độ khoảng cách truyền liệu số chuẩn truyền thông không dây 20 1.5.7 Ứng dụng UWB mạng WPAN 22 1.5.8 Ứng dụng UWB đa quân 23 2.1.9 Phân tập tần số 24 2.2.10 Cấu hình anten hệ thống khơng dây 26 2.3.11 Phân tập thời gian 27 2.3.12 Kỹ thuật ghép xen kênh 27 2.4.13 Phân tập phân cực 28 2.4.14 Phân tập kết hợp 29 3.1.15 Mơ hình hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian TR 31 3.2.16 Hình ảnh đáp ứng xung h(t) đảo ngược thời gian h∗ (−t) 32 3.2.17 Cơng suất tín hiệu tập trung tap L - hướng đến người dùng mong muốn 33 4.1.18 Mơ hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR 36 4.2.19 Mơ hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR 38 4.3.20 Mơ hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR 42 z 5.2.21 SINR trung bình hệ thống MU-SISO-UWB-TR 54 5.2.22 Dung lượng kênh hệ thống MU-SISO-UWB-TR 55 5.2.23 SINR trung bình hệ thống MU-MISO-UWB-TR 56 5.2.24 Dung lượng kênh hệ thống MU-MISO-UWB-TR 57 5.2.25 SINR kênh MIMO không tương quan 58 5.2.26 Dung lượng kênh MIMO không tương quan 59 5.2.27 SINR kênh MIMO tương quan phát = 0.3 tương quan thu = 0.2 60 5.2.28 Dung lượng kênh MIMO tương quan phát = 0.3 tương quan thu = 0.2 61 5.2.29 Ảnh hưởng tương quan phát lên dung lượng kênh hệ thống MUUWB 62 5.2.30 Ảnh hưởng tương quan thu lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 62 5.2.31 So sánh dung lượng kênh khơng có tương quan 63 5.2.32 Dung lượng kênh với tương quan phát lớn 64 5.2.33 Dung lượng kênh với tương quan thu lớn 65 z = e− στ (4.14) Với ≤ l ≤ L − 1, TS chu kì lấy mẫu hệ thống mà 1/TS băng thơng B hệ thống, σT độ trải trễ bình phương trung bình (rms) kênh Kí hiệu ma trận đáp ứng kênh H (n) (1 ≤ n ≤ N ) ma trận môi trường mà từ phát hướng đến người sử dụng thứ n H (n) h = (n) h1 , (n) h2 , ··· , (n) h MT i (4.15) Do vậy, đáp ứng xung kênh truyền CIRs chung cho toàn hệ thống gồm N người sử dụng MT anten phát biểu diễn sau:    H=  H (1) H (2)      (4.16) H (N ) ma trận H có kích thước (N x MT ) x L (n) (n) Tương ứng hi có gi thu TRM sau: (n) gi = h (n) gi [L − 1] , (n) gi [L (n) − 2] , · · · , i (n) gi [0] (4.17) Dạng tín hiệu gi [l] chuẩn hóa độ lợi trung bình kênh truyền, đảo ngược z 38 (n) thời gian liên hợp phức hi [l] v " # u L−1 u X (n) (n) (n)∗ gi [l] = hi [L − − l]/tE MT hi [k] (4.18) k=0 Do đó, ma trận đảo ngược thời gian tạo từ TRM: G= h (1) (2) (N ) G , G , ··· ,G i (4.19) với G(n) (1 ≤ n ≤ N ) dạng sóng TR từ người sử dụng thứ n tới phát, có dạng sau:  (n) G   =   (n)T g1 (n)T g2 (n)T       (4.20) gMT   Tương tự trên, hiệu đầu vào có dạng X = X (1) , X (2) , · · · , X (N ) , giá trị biến ngẫu nhiên độc lập, trung bình khơng, phương sai giá trị θ tín hiệu nhận người sử dụng thứ n biểu diễn sau: Y (n) MT N 2L−2 X XX (m) (n) [k] = an (gi ∗ hi ) [l] X (m) [k − l] + an n e(n) [k] m=1 l=0 i=1 Cơng thức tín hiệu thu viết lại sau: z (4.21) 39 Y (n) MT X (n) (n) [k] = an (gi ∗ hi ) [L − 1] X (n) [k − L + 1] + · · · (Signal) + an i=1 M T X i=1 + an 2L−2 X (n) (gi (n) ∗ hi ) [l] X (n) [k − l] + · · · (ISI) l=0 l 6= L − N X MT 2L−2 XX m=1 m 6= n l=0 i=1 (m) (gi (n) ∗ hi ) [l] X (m) [k − l] + · · · (IU I) + an n e(n) (N oise) (4.22) 4.3 Mơ hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] Tổng qt hóa tốn, tơi xây dựng mơ hình tốn học cho mơ hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR Dựa mơ hình tốn học tổng qt này, tơi dễ dàng suy mơ hình tốn học cho hai hệ thống khảo sát cho hệ thống MU-SIMO-UWB-TR cách thay đổi số j = Trong mơ hình tốn học MU-MIMO-UWB-TR tơi xét thêm phần tương quan anten tương quan người dùng, tơi chọn mơ hình tốn học Kronecker để biến đổi ma trận kênh không tương quan thành ma trận có tương quan Hai mơ hình MU-SISO-UWB-TR MU-MISO-UWB-TR không xét đến ảnh hưởng nhiễu liên anten người dùng mà tập trung xét nhiễu liên kí tự nhiễu liên người dùng Nhưng mơ hình MU-MIMO-UWB-TR đa anten đầu vào đa anten đầu nên xét thêm nhiễu anten tác động lên hệ thống người sử dụng Sơ đồ khối hệ thống đường xuống MU-MIMO-UWB-TR sau: z 40 Hình 4.3.20: Mơ hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR Đáp ứng xung kênh truyền anten phát thứ j anten nhận thứ i người sử dụng thứ n biểu diễn sau: (n) hij = L−1 X (n) αij,l δ(t − τij,l ) (4.23) l=0 Trong αij,l , τij,l , i= 1, 2, , MR ; j = 1, 2, ,MT biên độ, độ trễ tap thứ l, số anten phát số anten thu người sử dụng Dạng rời rạc miền thời gian viết lại sau: h i (n) (n) (n) (n) hij = hij [0] , hij [1] , · · · , hij [L − 1] (4.24) Mỗi đáp ứng xung mang lượng:   lTs (n) E hij [l] ... TÂM LINH PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH... không gian - thời gian, kỹ thuật phân tập không gian - tần số [21] z 28 Hình 2.4.14: Phân tập kết hợp z 29 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN 3.1 Lý thuyết đảo ngược miền thời gian [2,... 2.4 Kỹ thuật phân tập phân cực [22] 28 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN 29 3.1 Lý thuyết đảo ngược thời gian [2, 7, 8, 11, 16] 30 3.2 Mô kỹ thuật đảo ngược