Thuật Toán D-Blast Trong Công Nghệ Mimo.pdf

Output file 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG TIẾN NGUYÊN THUẬT TOÁN D BLAST TRONG CÔNG NGHỆ MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội 2009 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ[.]

2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐẶNG TIẾN NGUN THUẬT TỐN D-BLAST TRONG CƠNG NGHỆ MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐẶNG TIẾN NGUN THUẬT TỐN D-BLAST TRONG CƠNG NGHỆ MIMO Ngành : Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS TRỊNH ANH VŨ Hà Nội - 2009 MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Các từ viết tắt Lời mở đầu Chƣơng I Đặt vấn đề 1.1 Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao 1.2 Vài nét lịch sử 1.2.1 Phân tập không gian 1.2.2 Ghép kênh theo không gian Chƣơng II Mơ hình hợp kênh khơng gian hệ thống MIMO 10 2.1 Mô tả hệ thống 10 2.2 Mơ hình tốn học 11 2.3 Hạng điều kiện số 13 2.4 Mơ hình kênh vật lý 16 2.4.1 Mảng ăngten nhìn thấy (LOS) 16 2.4.2 Kênh MIMO với đƣờng phản xạ 18 2.5 Dung kênh fading 22 2.5.1 Kênh fading nhanh 22 2.5.2 Kênh fading chậm 23 2.6 Kỹ thuật Hợp kênh không gian (Spatial multiplexage - SM) 26 2.6.1 Giải mã hợp lý cực đại 26 2.6.2 Phép toán ép không (Zero-forcing) 27 2.6.3 Phép tốn tối thiểu trung bình bình phƣơng lỗi (MMSE) 30 2.6.4 Phép toán loại bỏ nhiễu (cancelation) 32 2.6.5 Phép toán triệt nhiễu 32 2.7.Qui trình thuật tốn V-Blast 33 Chƣơng III Kỹ thuật D-Blast Hợp kênh không gian – Thời gian (D-BLAST - Spatial Multiplexage ) 37 3.1Kỹ thuật sử dụng thuật toán D-Blast 38 3.1.1 Ghép xen 38 3.1.2 Horizontal encoding Vertical encoding 39 3.2 Tầng mã hóa D-Blast (Layered Encoding D-Blast) 40 3.3 Tầng giải mã ( Layered Decoding D-Blast) 43 3.3.1 D-Blast- nulling 45 3.3.2 D-Blast –MMSE ( MMSE tối thiểu bình phương trung bình lỗi) 47 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA D-BLAST 50 4.1 Một số két mô 50 4.2 Sự so sánh V-Blast D-Blast 53 4.3 Một số đề D-Blast 54 Kết luận 57 Tài liệu Tham khảo 58 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive white Gaussian noise CCI Co-channel interference D-BLAST Diagonal Bell Laboratories Layered Space-Time i.i.d Independent and identically distributed (độc lập phân phối nhau) ISDN Integrated services digital network ISI Intersymbol interference LAN Local area network LOS Line of sight MIMO Multiple output multiple input MISO Multiple input single output ML Maximum likehood MMSE Minimum mean square error NLOS Non line of sight PAM Pulse amplitude modulation PCS Personal communication system QAM Quadrature amplitude modulation SDMA Space division multiple access SIC Successive interference cancellation SIMO Single input multiple output SISO Single input single output SNR Signal to noise ratio SVD Singular value decomposition V-BLAST Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time WLAN Wireless local area network EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution GPRS General Packet Radio Service Lời mở đầu Hiện nay, Việt Nam nỗ lực mở rộng phát triển toàn diện để đứng hàng ngũ rồng Châu Á Với ưu 85 triệu dân giúp Việt Nam có lợi phát triển lĩnh vực viễn thơng, ngành mũi nhọn đóng góp đáng kể cho GDP nước nhà Đây nguyên nhân thúc đẩy ngành truyền thông thông tin nước ta ngày phát triển, đa dạng với dịch vụ phục vụ tốt nhu cầu đời sống người dân Công nghệ 3G dịch vụ kết nối tốc độ cao xuất Việt Nam nhu cầu tất yếu Với tốc độ 2MBps nhà, 384kbps downlink… cho hệ thống truyền hình di động, internet di động…, điều chưa đủ với xã hội công nghệ phát triển thay đổi hàng ngày Tiếp nối phát triển công nghệ không dây, hệ 4G nghiên cứu dần vào đời sống người dân với tốc độ lên tới 1Gbps Một kỹ thuật cốt lõi cho công nghệ 4G kỹ thuật truyền tin sử dụng công nghệ cơng nghệ Mimo Cơng nghệ Mimo nịng cốt truyền tin đưa tốc độ lên cao, kiến trúc sử dụng Mimo kỹ thuật D-Blast hợp kênh không gian - thời gian Chúng ta nghiên cứu kiến trúc để thấy tối ưu tốc độ, độ tin cậy truyền tin hiệu sử dụng phổ tần để cải thiện chất lượng truyền thông đưa chuẩn cho hệ thông tin di động 4G Bản luận văn “Thuật tốn D-BLAST cơng nghệ Mimo” gồm 04 chương, Chương I, II đưa nhìn tổng quan cho người đọc kỹ thuật công nghệ Mimo, chương III phân tích sâu kiến trúc D-Blast Mimo, chương cuối đánh giá hoạt động kiến trúc D-Blast Bản luận án giúp ích cho q trình nghiên cứu sau, phần tồn cảnh cơng nghệ Mimo mà người đọc hiểu sâu kiến trúc với đánh giá hiệu hạn chế thuật toán Hi vọng luận án mạng lại kiến thức bổ ích, thơng tin thiết thực cho người nghiên cứu hệ thông tin di động 4G Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiều tác giả cung cấp sách tham khảo để hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn tơi, người thân gia đình động viên tơi hồn thành luận án Chƣơng I Đặt vấn đề 1.1 Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động lịch sử bước nâng cao hiệu sử dụng phổ tần nâng cao tốc độ truyền liệu Thế hệ 1G kết nối analog đáp ứng truyền tiếng nói 3KHz Những năm 1990 hệ 2G đời với kết nối kỹ thuật số Ở châu âu hệ thống giới thiệu kết nối toàn cầu GSM hoạt động băng tần 900 1800MHz với tốc độ truyền liệu kênh đến 22.8kbit/s GSM hoạt động với tảng hệ thống ô BTS MS Mỹ hệ thống 2G dùng TDMA/136 Kỹ thuật TDMA (truy nhập phân chia theo thời gian) tốc độ cao hoạt động theo 02 hướng phát triển HSCSD GPRS cung cấp data lên tới 384kbit/s 172.2 kbit/s Tốc độ truyền dẫn tăng cao hệ truyền dẫn không dây 3G 384kbit/s cho di động 2Mbit/s cho đứng im Các kỹ thuật tối ưu 3G biết đến UMTS, WCDMA UTRA FDD/TDD UMTS giải pháp lựa chọn cho mạng GSM, 850 triệu người dùng 195 quốc gia sử dụng chiếm 70 % thị trường kết nối không dây UMTS thường dùng dải băng tần 2GHz Trong hệ 3G sử dụng cơng nghệ EDGE, có hướng phát triển tốc độ GSM lên hệ EDGE ECSD EGPRS Tốc độ tối đa EDGE 473.6kbit/s EDGE giới thiệu Mỹ, tích hợp với hệ thống TDMA/136, 200 nhà cung cấp sử dụng cơng nghệ này, gọi hệ 2.5G với công nghệ GPRS bước vươn tới UMTS HIPERLAN chuẩn đặc biệt có tốc độ lên tới 54Mbit/s thông thường 24Mbit/s cho ứng dụng, tốc độ truyền dẫn cao yêu cầu băng thông rộng, tần số sóng mang băng tần cao hơn, UHF HIPERLAN sử dụng đoạn băng tần cao từ 5GHz đến 17GHz, cho hệ thống đa phương tiện quảng bá dải băng 40 GHz 60 GHz Các ứng dụng dịch vụ cho hệ thống khác Chuẩn 802.11 áp dụng cho máy tính với tốc độ truyền lên tới hàng trăm Mbit/s gấp 250 lần so với tốc độ giới hạn UMTS Thế hệ 4G cung cấp tốc độ data cao hệ 3G 4G giới thiệu Nhật vào năm 2006, phần tảng 3G tốc độ data tăng lên Theo NTT-DoCoMo tốc độ data hệ thống 4G lên tới 20 – 40 Mbit/s cao khoảng 20 lần so với tốc độ dich vụ internet ADSL WLan có tốc độ truyền data cao 2Mbit Hệ thống Bluetooth thường hoạt động băng tần 2GHz cung cấp tốc độ nhỏ 1Mbit WLan thường dùng chuẩn 802.11b IEEE tốc độ 11Mbit với khoảng cách 50 đến 100m IEEE 802.11a băng tần 5GHz có tốc độ lên tới 54Mbit/s Tại Châu âu sử dụng chuẩn IEEE 802.11a HIPERLAN pha sử dụng băng tần 6GHz Tất đến hệ thống 4G dùng công nghệ MiMo với tốc độ lên tới 1Gbps mà độ rộng băng thông khoảng 100Mhz (ở dải băng tần 3.4GHz - 3.6GHz) Sự phát triển nói nhắm đến việc đáp ứng yêu cầu không ngừng tăng người dùng đầu cuối thiết bị cầm tay với nhiều loại hình dịch vụ phong phú xã hội thông tin đại Trong kỹ thuật MIMO góp phần khơng nhỏ việc tạo hệ thống 4G Hình tóm tắt lại tranh cơng nghệ sử dụng hệ kết nối truyền thông không dây Hình Cơng nghệ sử dụng cho hệ truyền thông không dây [8] Nhu cầu dung lượng hệ thống thông tin không dây thông tin di động, internet hay dịch vụ đa phương tiện tăng lên cách nhanh chóng toàn giới Tuy nhiên phổ tần số lại hạn hẹp muốn tăng dung lượng ta phải tăng hiệu sử dụng phổ tần Những tiến mã hoá, mã kiểm tra chẵn lẻ, mã turbo, tiếp cận đến giới hạn dung lượng Shannon, với hệ thống 1-1 ăngten nhiên đạt hiệu nhiều với hệ thống nhiều ăngten thu nhiều ăngten phát Hiệu phổ tần đặc điểm bật hệ thống Mimo, với mơi trường truyền dẫn lý tưởng dung lượng kênh truyền tăng gần tuyến tính với số lượng ăngten 1.2 Vài nét lịch sử Hệ thống MIMO hệ thống sử dụng nhiều ăngten thu nhiều ăngten phát (Multiple Input – Multiple Output) để truyền thông tin Ngoài khả tạo búp truyền thống (beamforming) hệ thống MIMO phát triển tận dụng phân tập (không gian, thời gian, mã hoá…) khả hợp luồng tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu tốc độ liệu tầm truyền xa Có thể nói Jack Winters (Bell Laboatries, 1984 ) người tiên phong lĩnh vực MIMO mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng kênh tần số thời gian sử dụng nhiều ăngten máy phát lẫn máy thu lĩnh vực phát thanh, nhiên điểm lại kiện lịch sử phát triển hệ thống MIMO theo góc độ kỹ thuật: Phân tập theo không gian (Spatial diversity) ghép kênh theo không gian (Spatial multiplexing) 1.2.1 Phân tập không gian  Năm 1991: Kỹ thuật phân tập trễ (Delay diversity) phát minh Wittneben  Năm 1998: Kỹ thuật phân tập dùng Mã hố khơng gian - thời gian mắt cáo STTC (Space – Time Trellis Coding) Tarokh  Năm 1999: Alamouti giới thiệu kỹ thuật Mã hoá không gian - thời gian khối STBC (Space – Time Block Coding) 1.2.2 Ghép kênh theo không gian  Năm 1994: Paulraj & Kailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất (Ground breaking results), nêu khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng cho phát quảng bá  Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST (Bell Labs Layered Space Time) nhằm hợp luồng truyền song song kênh fading nhanh Cũng thời gian Foschini Greg Raleigh tạo phương pháp công nghệ có khả tăng hiệu suất thực sử dụng kênh, cấp quyền phát minh Mimo OFDM cho đời chipset “Pre _N” có tên True MiMo  Năm 1997: Winter trình bày kết nghiên cứu tổng quát dung kênh MIMO, chứng minh tiềm phát triển  Năm 1998 sản phẩm mẫu hợp kênh cho tốc độ truyền dẫn cao làm Bell labs  Năm 2001 sản phẩm thương mại hãng Iospan Wireless Inc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ mã phân tập hợp kênh không gian  Năm 2006 số công ty Broadcom, Intel đưa giải pháp MIMO-OFDM theo chuẩn IEEE 802.11n Cũng thời gian Beceem Commmnications, Samsung, phát triển MIMO-OFDMA dựa IEEE 802 16e WIMAX Tất đến hệ thống 4G dùng công nghệ MIMO Điểm lại kiện lịch sử để thấy lý thuyết công nghệ MIMO phát triển đột phá thập kỷ qua nhằm tăng tốc độ độ tin cậy đường truyền vô tuyến vốn chịu nhiều tác động can nhiễu bị giới hạn lý thuyết mức thấp theo công thức Shannon (1948) cổ điển Dưới luận văn trình bày mơ hình hệ thống MIMO tổng qt sau tập trung phân tích riêng thuật tốn D-Blast cho kênh fading chậm 14 Hình 5: Phân bố cơng suất theo thuật tốn đổ nước[1] Nên nói kênh ma trận có hệ số cơng suất tổng cộng, kênh có dung cao tất giá trị riêng Tổng quát kênh giá trị riêng tập trung (ít sai khác giá trị lớn nhỏ nhất), kênh có dung lớn chế độ SNR cao Theo phân tích tỷ số max λi/minλi định nghĩa điều kiện số ma trận H (diễn tả độ tập trung giá trị đơn) Tức kênh ma trận có điều kiện tốt có hạng cao điều kiện số gần đến Trường hợp SNR thấp, dung phụ thuộc chủ yếu vào kênh riêng mạnh nhất: C   P max i2 log e bits/s/Hz N0 i (2.16) Trong chế độ hạng hay điều kiện số ma trận kênh liên quan Tóm lại, theo mơ hình tốn học, hạng ma trận kênh độ phân tán giá trị riêng tham số quan trọng định hiệu hoạt động kênh Trong điều kiện SNR cao, dung cực đại công suất phát phân chia angten 15 2.4 Mơ hình kênh vật lý Mơ hình tốn học lý tưởng trừu tượng hóa kênh song song tương đương Theo mơ hình muốn có đường truyền hợp kênh tốt phải có hạng ma trận kênh cao số điều kiện tốt (chứ có nhiều anten tốt) Song thực tế đường truyền vật lý phải thỏa mãn điều kiện để đạt yêu cầu Chúng ta tìm hiểu số ví dụ đơn giản phân tích hạng điều kiện ma trận kênh, tiền đề cho việc phân tích kênh MIMO thống kê Để thuận tiện ta xét trường hợp ăngten đặt thẳng hàng Kết phân tích chi tiết phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể trường hợp, nhiên tư tưởng phương pháp phân tích 2.4.1 Mảng ăngten nhìn thấy (LOS) [1] [Chúng ta xét kênh MIMO điều kiện khơng có phản xạ hay nhiễu xạ, dãy ăngten phát thu đặt thẳng hàng (hình 6), khoảng cách ăngten mảng phát thu tương ứng Δ tλt Δλc Anten ph¸ t k t Anten ph¸ t Anten nhËn t d r r i r cos r kt cos t Hình Mơ hình mảng ăngten nhìn thấy[1] Hệ số kênh ăngten phát k ăngten thu i là: hik  a exp(  j 2d ik / c ) (2.17) với dik khoảng cách ăngten, a hệ số suy giảm môi trường coi cho kênh truyền Chúng ta cho kích thước dãy 16 ăngten nhỏ nhiều lần khoảng cách dãy ăngten Khoảng cách hai ăngten xấp xỉ bậc cho công thức: d ik  d  (i  1) r c cos r  (k  1) t c cos t (2.18) d khoảng cách ăngten thu ăngten phát 1,  r t góc tới từ ăngten đến dãy ăngten Đặt  t  cos t ,  r  cos r cosin hướng góc tới mảng phát mảng thu cơng thức đơn giản sau [1]:  j 2d   exp( j 2 (k  1) t  t ) exp( j 2 (i  1) r  r ) hik  a exp    c   (2.19) Ma trận kênh lúc là:  j 2d  er ( r )et ( t ) * H  a nt nr exp   c   (2.20) Dù H có kích thước N x M có giá trị riêng khác khơng 1  MN Dung kênh truyền lúc là:  Pa MN   bits/s/Hz C  log1 N (2.21) Mảng anten phá t V* x U* M¶ng anten thu Hình : Khối thể kênh[1] Phép phân tích ma trận H minh họa hình Mặc dù có nhiều ăngten phát nhiều ăngten thu tất tín hiệu phát có chiều khơng gian (kênh có mode riêng), có bậc khơng gian tự Các tín hiệu đến ăngten thu có hướng, er ( r ) Do bậc không gian tự không tăng cho dù số ăngten thu phát tăng 17 Thừa số MN đóng vai trị hệ số cơng suất kênh truyền MIMO Nếu M = hệ số công suất số ăngten thu, thu cách tổng hợp tỉ số cực đại thu Nếu N = hệ số công suất số ăngten phát, thu cách định dạng chùm tia phát Nếu ta tăng số lượng ăngten thu phát định dạng hai chùm tia thu-phát, tín hiệu phát định dạng nội pha (in-phase) ăngten thu, sau tín hiệu lại định dạng tổng hợp lại lần Sở dĩ dù ma trận H có kích thước NxM kích thước mảng ăngten nhỏ so với khoảng cách thu phát nên sóng tới ăngten gần song song với Mỗi mảng ăngten nhiều phần tử tự tạo búp sóng nhận Mọi tín hiệu đến phạm vi búp sóng coi hướng Mặc dù có nhiều ăngten phát khoảng cách xa nên tín hiệu đến mảng thu khơng thể đủ tách biệt hướng để làm tăng đáng kể dung kênh truyền Thực tế ma trận có giá trị đơn, chưa đủ Trong trường hợp ma trận kênh H có giá trị đơn thực sự, giá trị đơn khác nhỏ Như phân tích trên, lúc kênh có mode riêng tốt, cịn mode khác tồi Tóm lại mơi trường khơng có vật cản, tức có tín hiệu trực tiếp từ ăngten phát đến ăngten thu, khoảng cách thu phát lớn so với kích thước mảng ăngten, kênh MIMO làm tăng hệ số công suất không làm tăng bậc không gian tự 2.4.2 Kênh MIMO với đường phản xạ [1]Chúng ta tạo kênh truyền tốt trường hợp mà không cần phải đặt ăngten xa Trong trường hợp này, đường trực tiếp từ ăngten phát đến ăngten thu, ta cịn có đường khác phản xạ vật cản (chẳng hạn tường) Gọi tín hiệu trực tiếp 1, tín hiệu phản xạ Tín hiệu i có độ suy giảm góc với dãy ăngten phát φti (Ωti = cos φti ), góc với dãy ăngten thu φri (Ωri = cos φri ) Chúng ta tìm điều kiện tia phản xạ để đạt mục đích 18 A path Anten ph¸ t t1 t2 r2 path D· y anten ph¸ t r1 B D· y anten thu Anten thu (a) A D· y anten H' ph¸ t H" D· y anten thu B (b) Hình Kênh MIMO mơi trường phản xạ[1] Một cách trực quan coi tín hiệu từ ăngten phát đến ăngten thu qua trạm trung gian AB hình 2.8a Lúc kênh MIMO với tường phản xạ chia thành kênh nối tiếp H’ H’’(hình 8b) H’ ma trận kênh có ăngten thu đặt xa nhau, H’’ ma trận kênh có ăngten phát đặt xa nhau: et*1 ( t1 )  H  a e ( r1 ), a e ( r ) , H   *  et ( t ) ''  b r  b r  với , aib  MN exp    ' j 2d i  , C  (2.22) (2.23) di khoảng cách ăngten phát thứ ăngten thu thứ tín hiệu thứ i Ma trận kênh MIMO lúc tích hai ma trận trên, H = H’’H’