Kỹ thuật MIMO trong hệ thống UWB

Đồ án đã đạt đƣợc một số nội dung sau: Tìm hiểu về hệ thống UWB, kỹ thuật MIMO trong truyền thông không dây và tiềm năng phát triển cũng như thách thức đối với hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật MIMO. Tìm hiểu các mô hình kênh UWB được sử dụng để nghiên cứu và mô phỏng, đặc tính tương quan của các đầu vào tương quan không gian giữa các anten cũng được nghiên cứu. Tìm hiểu sự phụ thuộc của dung lượng kênh UWBMIMO với số anten phát và anten thu. Các trường hợp được nghiên cứu bao gồm: MISO, SIMO và MIMO và chỉ ra rằng, tốc độ dữ liệu tăng tỷ lệ với số lượng anten theo những cách khác nhau, đặc biệt là trường hợp MISO.

Đồ án tốt nghiệp Mục lục Nguyễn Hải Đức – D06VT2 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU x CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB-MIMO 1 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Tổng quan về hệ thống UWB 2 1.2.1 Định nghĩa hệ thống UWB 2 1.2.2 Ưu điểm của công nghệ UWB 5 1.2.2.1 Khả năng chia sẻ phổ tần 5 1.2.2.2 Dung lượng kênh lớn 5 1.2.2.3 Khả năng làm việc với tỷ số SNR thấp 6 1.2.2.4 Khả năng bị chặn và bị phát hiện thấp 6 1.2.2.5 Khả năng chống tắc nghẽn 6 1.2.2.6 Hiệu suất kênh đa đường cao 7 1.2.2.7 Khả năng đâm xuyên cao 8 1.2.2.8 Kiến trúc bộ thu phát đơn giản 8 1.2.3 Ứng dụng của UWB 9 1.3 Tổng quan về kỹ thuật MIMO 10 1.3.1 Giới thiệu 10 1.3.2 Nguyên lý MIMO 11 1.3.2.1 Trường hợp một anten phát, nhiều anten thu - SIMO. 11 1.3.2.2 Trường hợp nhiều anten phát, một anten thu - MISO. 12 1.3.2.3 Trường hợp nhiều anten phát, nhiều anten thu - MIMO. 14 1.3.3. Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 15 1.4 Hệ thống UWB-MIMO 15 1.4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống UWB-MIMO 16 1.4.1.1 Kỹ thuật ghép không gian 16 1.4.1.2 Kỹ thuật phân tập không gian 16 1.4.1.3 Kỹ thuật tạo dạng búp 17 1.4.2 Tiềm năng và thách thức của hệ thống UWB-MIMO 17 CHƢƠNG II. MÔ HÌNH KÊNH UWB-MIMO 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Mô hình kênh SISO 19 2.2.1 Mô hình tổn hao đường truyền phạm vi rộng 19 2.2.2 Mô hình pha-đinh phạm vi hẹp 21 2.3 Mô hình kênh UWB-MIMO 23 2.3.1 Mô hình chung 23 2.3.2 Đặc tính tương quan 25 2.4 Tổng kết 31 CHƢƠNG III. DUNG LƢỢNG KÊNH HỆ THỐNG UWB 32 3.1 Giới thiệu 32 3.2 Mô hình hệ thống 32 3.3 Dung lƣợng kênh khi chƣa biết CSI tại phía phát 34 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Nguyễn Hải Đức – D06VT2 ii 3.4 Dung lƣợng kênh khi đã biết CSI tại máy phát 38 3.4.1 Trường hợp SISO 38 3.4.2 Trường hợp MIMO 39 3.5 Kết quả mô phỏng 41 3.6 Hệ số tƣơng quan kênh 52 3.7 Đo dung lƣợng kênh 53 3.8 Tổng kết 56 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Nguyễn Hải Đức – D06VT2 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mặt nạ phổ của FCC cho các ứng dụng trong nhà của UWB 2 Hình 1.2 Mặt nạ phổ của Châu Âu cho các ứng dụng trong nhà của UWB 3 Hình 1.3 Xung đơn cơ bản cho hệ thống xung UWB ( p  =0,1225 ns) 4 Hình 1.4 Sự tồn tại đồng thời của tín hiệu UWB với tín hiệu băng hẹp và băng rộng trong phổ vô tuyến 6 Hình 1.5 Các hiện tượng và ảnh hưởng của đa đường 7 Hình 1.6 Kiến trúc bộ thu phát hệ thống không dây 8 Hình 2.1 Tương quan không gian với độ phân cực khác nhau trong môi trường trong nhà với LOS, các lát cắt thể hiện kênh NLOS. 29 Hình 2.2 Hệ số tương quan phía phát và phía thu 30 Hình 3.1 Hiệu suất của UPSA so với OPSA (SISO, TR 1NN ) 41 Hình 3.2 Hiệu suất của UPSA so sánh với OPSA 42 Hình 3.3 Xác xuất gián đoạn out P với tốc độ truyền dẫn RB ( nats/s/Hz) với L khác nhau. So sánh giữa OPSA và UPSA (MIMO: TR 8NN ) 44 Hình 3.4 Xác xuất gián đoạn out P với tốc độ truyền dẫn RB ( nats/s/Hz) với L khác nhau. So sánh giữa OPSA và UPSA (SISO: TR 1NN ) 45 Hình 3.5 Xác suất gián đoạn out P với tốc độ truyền dẫn RB (nats/s/Hz) với số lượng anten phát ( T N ) khác nhau. Ảnh hưởng của số lượng anten phát lên dung lượng kênh ( 10dB   , L=15, R 1N  ) 46 Hình 3.6 Xác suất gián đoạn out P với tốc độ truyền dẫn RB (nats/s/Hz) với số lượng anten thu ( R N ) khác nhau. Ảnh hưởng của số lượng anten thu lên dung lượng kênh ( 10dB   , L=15, T 1N  ) 48 Hình 3.7 Tốc độ truyền dẫn RB (nats/s/Hz) theo   R log N với xác suất gián đoạn out P khác nhau ( 10dB   , L=15, T 1N  ) 48 Hình 3.8 Xác suất gián đoạn với tốc độ truyền dẫn RB (nats/s/Hz) với T N (hoặc R N ). Ảnh hưởng của số lượng anten phát và anten thu lên dung lượng kênh ( 10dB   , L=15, TR NN với TR T R N N N ) 49 Hình 3.9 Tốc độ truyền dẫn RB (nats/s/Hz) với ) với T N (hoặc R N ) với xác suất gián đoạn khác nhau ( 10dB   , L=15, TR NN ) 50 Hình 3.10 Xác suất gián đoạn với tốc độ truyền dẫn RB (nats/s/Hz) với với  khác nhau: so sánh giữa phương pháp phân tích và phương pháp Monte Carlo   TR 2, 1L N N   51 Hình 3.11 Ảnh hưởng của hệ số tương quan kênh không gian lên dung lượng kênh ecgođic của hệ thống MIMO. TR 8NN với MIMO và 50L  cho cả MIMO và SISO 52 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Nguyễn Hải Đức – D06VT2 iv Hình 3.12 Dung lượng ecgođic và dung lượng gián đoạn của hệ thống UWB-MIMO 54 Hình 3.13 Đặc tính BER của hệ thống OFDM-MB MIMO tốc độ cao 55 Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu Nguyễn Hải Đức – D06VT2 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tính năng của UWB so sánh với các chuẩn IEEE khác……………….………9 Bảng 2.1 Các tham số của mô hình CM1, CM2, CM3, CM4……………………… 23 Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Hải Đức – D06VT2 vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Nhóm cộng tác 3GPP A AWG Arbitrary Waveform Generator Bộ tạo dạng sóng tùy ý AWGN Addictive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng B BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit C CIR Channel Impulse Respone Đáp ứng xung kênh CM Channel Model Mô hình kênh CSI Channel state Information Thông tin trạng thái kênh D DPO Digital Phosphor Oscilloscope Máy oscilloscope huỳnh quang số DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp E EC Eroupe Commission Ủy ban Châu Âu EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương F FCC Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông liên bang (Mỹ) FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Hải Đức – D06VT2 vii H HDR High Data Rate Tốc độ cao HDTV High-definition Television Truyền hình độ phân giải cao HSPA High Speed Downlink Access Truy nhập đường xuống tốc độ cao I IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các kỹ sư điện và điện tử IR Impulse Radio Xung vô tuyến L LAN Local Area Network Mạng cục bộ LDR Low Data Rate Tốc độ dữ liệu thấp LOS Line-of-sight Tầm nhìn thẳng LPD Low Probability of Detection Xác suất bị phát hiện thấp LPI Low Probability of Intercept Xác suất bị can thiệp thấp LSE Least Square Estimate Ước lượng bình phương nhỏ nhất M MAC Media Access Control Môi trường truy nhập MAS Multiple Antenna System Hệ thống nhiều anten MIMO Multiple-input Multiple-output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MISO Multiple-input Single-output Nhiều đầu vào một đầu ra MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất ML Maximum Likelihood Ước lượng hợp lý MLE Maximum Likelihood Estimation Ước lượng hợp lý cực đại MRC Maximum Ratio Combiner Bộ kết hợp tỷ lệ cực đại Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Hải Đức – D06VT2 viii N NLOS Non-light-of-sight Không theo tầm nhìn thẳng O OFDM Orthogonal Frequency-division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số trực giao OPSA Optimal Power Spectrum Allocation Phân bổ công suất tối ưu P PAM Pulse Amplitute Modulation Điều chế biên độ xung PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PG Processing Gain Độ khuếch đại xử lý PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất Q QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMS Root Mean Square Căn quân phương RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu thu S SC-FDE Single Carrier transmission with Frequency Domain Equalization Sóng mang đơn hiệu chỉnh trong miền tần số SDMA Space-division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian SIMO Single-input Multiple-output Một đầu vào nhiều đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Hải Đức – D06VT2 ix SINR Signal and Interference-plus-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu STC Space-Time Coding Mã hóa không gian thời gian STDL Stochastic Tapped Delay Line Đường trễ phân nhánh ngẫu nhiên S-V Saleh Valenzuela T THSS Time Hopping Spread Sprectrum Trải phổ nhảy thời gian THSS- PAM Time Hopping Spread Sprectrum Pulse Amplitute Modulation Điều chế biên độ xung trải phổ nhảy thời gian THSS- PPM Time Hopping Spread Sprectrum Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung trải phổ nhảy thời gian U UPSA Uniform Power Spectrum Allocation Phân bổ phổ công suất đều UWB Ultra Wideband Siêu băng tần V VHDR Very High Data Rate Tốc độ dữ liệu cao W WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng khai thác liên mạng toàn cầu với truy nhập sóng cực ngắn WLAN Wireless Local Are Network Mạng cục bộ không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Nguyễn Hải Đức – D06VT2 x LỜI NÓI ĐẦU Truyền thông không dây tốc độ cao, đang rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng LAN không dây (WLAN) và trong các ứng dụng video/thoại (các luồng thoại/video) truyền hình phân giải cao HDTV. Hiện nay, WLAN cung cấp tốc độ tối đa lên đến 54 Mb/s và hướng tới 600 Mb/s trong tương lai gần (IEEE 802.11n WLAN). IEEE 802.15.3c sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu rất lớn (lên đến 2 Gb/s) cho những ứng dụng truy nhập internet tốc độ cao, download nội dung (video theo yêu cầu, HDTV, rạp hát tại nhà…), các dịch vụ thời gian thực và kênh dữ liệu không dây thay thế cáp. Để thỏa mãn yêu cầu kết nối mọi lúc mọi nơi với dung lượng cao, dịch vụ nhanh và kết nối bảo mật hơn, ta cần sử dụng các kỹ thuật như: nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO), ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) Để đạt được tốc độ lên đến hàng Gb/s, các kỹ thuật nâng cao cần được sử dụng và công nghệ siêu băng tần (UWB) kết hợp với MIMO có thể là giải pháp. Khả năng chia sẻ phổ tần, dung lượng kênh lớn, đặc tính đa đường phong phú của UWB cùng với khả năng phân tập, định hình búp sóng, tạo các kênh song song của MIMO hứa hẹn sẽ đem lại sự đột phá trong hệ thống truyền thông không dây, nói riêng, cũng như ngành công nghiệp viễn thông nói chung. Với mục đích tìm hiểu sâu về hệ thống UWB và việc áp dụng kỹ thuật MIMO vào hệ thống này, em đã chọn đề tài “Kỹ thuật MIMO trong hệ thống UWB” Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau: Chương 1:Tổng quan về hệ thống UWB-MIMO Chương 1 của đồ án sẽ trình bày những nét cơ bản về hệ thống UWB và công nghệ MIMO đồng thời giới thiệu một cách khái quát về hệ thống kết hợp của UWB và MIMO (tiềm năng, thách thức khi triển khai hệ thống …). Chương 2:Mô hình kênh UWB-MIMO Trong chương này, một số mô hình kênh UWB với mục đích mô phỏng, nghiên cứu sẽ được giới thiệu, qua đó làm nền tảng cơ sở cho các chương tiếp theo. Chương 3:Dung lượng kênh UWB Chương 3 sẽ nghiên cứu sự phụ thuộc của dung lượng kênh UWB-MIMO với số anten phát và anten thu trong các trường hợp: SIMO, MISO và MIMO. Do trình độ bản thân và thời gian có hạn, đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những hạn chế và sai sót, kính mong các thầy cô và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung để đồ án được hoàn thiện hơn. [...]... mang s dng ghộp khụng gian 1.4.1 Cỏc k thut s dng trong h thng UWB -MIMO Do UWB -MIMO cú th c hiu l s ph thuc v bng thụng ca h thng MIMO thụng thng, cỏc k thut s dng trong UWB -MIMO s c phõn chia theo cỏc k thut ca MIMO 1.4.1.1 K thut ghộp khụng gian Cú rt ớt nghiờn cu v k thut ghộp khụng gian cho h thng UWB Gn õy, dung lng kờnh ecgoic ca h thng UWB -MIMO ó c chng minh l tng t l vi s lng anten phỏt v... s hiu chnh trong min tn s li khụng thu hỳt nhiu s chỳ ý trong truyn thụng UWB Chỳ ý rng, h thng khụng dõy UWB ch yu nhm ti tc d liu cao cho truyn thụng trong nh, nhng kh nng xỏc nh v trớ vi phõn gii v nhy c cm mang li mt tim nng ln cho cỏc ng dng trong tng lai Thot u, mc tiờu ca MIMO v UWB cú v trựng nhau, do c 2 u hng ti tc d liu cao, nhng cng cú vi im khỏc bit Do ú, s kt hp ca UWB v MIMO s mang... dng bỳp ca h thng UWB ch ra mt tớnh cht c bit, c gi l khuch i dB ụi Do xung UWB cú thi gian rt ngn, thi gian di chuyn trong mng, khuch i thụng thng s c nhõn ụi trong thang deciben (bỡnh phng trong thang tuyn tớnh) Vỡ vy, cỏc thnh phn gõy nhiu s c loi b mt cỏch trit , khin cho k thut to dng bỳp trong UWB rt ha hn k c trong mụi trng a ng dy c 1.4.2 Tim nng v thỏch thc ca h thng UWB -MIMO - Vựng ph rng... thng UWB -MIMO c chng minh trong thc tin Cui cựng, vic s dng nhiu anten ti mỏy phỏt, nh vi k thut to dng bỳp, cú th vi phm cỏc quy nh v EIRP cho UWB - Tc d liu cao Dung lng kờnh ecgoic ca h thng UWB -MIMO tng gn tuyn tớnh vi s anten phỏt v anten thu di kờnh pha-inh UWB trong mụ hỡnh Nakagami in hỡnh Ngoi ra, xung UWB cú khong thi gian rt ngn s cho phõn gii cao v cung cp hng chc kt ni i vi mụi trng trong. .. kờnh ca h thng UWB t l thun vi s anten phỏt/thu thỡ tc d liu cú th tng mt cỏch ỏng k bng cỏch kt hp UWB v MIMO Ngay c khi tc d Nguyn Hi c D06VT2 1 ỏn tt nghip Chuong I Tng quan v h thng UWB -MIMO liu thp, s cõn bng gia bng thụng v s lng anten cng to iu kin tt cho vic thit k anten v b khuych i, iu vn ang l thỏch thc ln vi h thng UWB 1.2 Tng quan v h thng UWB 1.2.1 nh ngha h thng UWB UWB l h thng vụ... bng hp (c) nh hng a ng lờn xung UWB Nguyn Hi c D06VT2 7 ỏn tt nghip Chuong I Tng quan v h thng UWB -MIMO 1.2.2.7 Kh nng õm xuyờn cao Khụng ging cỏc h thng bng hp, h thng UWB cú kh nng õm xuyờn hiu qu vi cỏc vt liu khỏc nhau Tn s thp trong ph tn ca UWB cú bc súng di, cho phộp tớn hiu UWB cú th xuyờn qua nhiu vt liu, k c cỏc bc tng c tớnh ny giỳp cụng ngh UWB c s dng trong truyn thụng xuyờn tng v ra... kt hp h thng UWB vi cụng ngh MIMO, vỡ bn thõn UWB ó cú th em li phõn tp cao nh c tớnh a ng ca mỡnh Cõu tr li rt n gin, do yờu cu tc v cht lng truyn thụng ngy cng cao ca ngi s dng, hn th na, theo nh lut tc d liu ca Edholm, tc d liu trong nh lờn ti vi Gb/s s tr thnh hin thc trong thi gian ti Mc dự UWB cung cp phõn tp cao trong min thi gian v bng thụng rt ln, h thng UWB n thun s cn kit trong tng lai... hn), MIMO s mang li rt nhiu thun li cho vic thit k k thut ca h thng UWB Nguyn Hi c D06VT2 18 ỏn tt nghip Chng II Mụ hỡnh kờnh UWB -MIMO CHNG II Mễ HèNH KấNH UWB -MIMO 2.1 Gii thiu Do cỏc h thng UWB s dng xung rt hp, cỏc xung thu c t cỏc tuyn khỏc nhau vi thi gian khỏc nhau theo th t nano giõy cú th c phõn tỏch riờng bit Da vo iu ny, mụ hỡnh kờnh UWB v c bn s khỏc bit so vi cỏc truyn thụng bng hp khỏc Trong. .. phỏt h thng khụng dõy (a) Kin trỳc b thu phỏt bng hp in hỡnh (b) Vớ d ca kin trỳc thu phỏt UWB Nguyn Hi c D06VT2 8 ỏn tt nghip Chuong I Tng quan v h thng UWB -MIMO 1.2.3 ng dng ca UWB Mc dự hot ng vi cụng sut thp, UWB vn to ra rt nhiu tim nng cho mng tựy bin khụng dõy v mng P2P Mt trong nhng li th ln ca UWB trong h thng da trờn xung vụ tuyn l kh nng thay i tc d liu tựy thuc khong cỏch kt ni bng cỏch... thng UWB -MIMO UWB v MIMO l hai cụng ngh ch cht cho truyn thụng khụng dõy tc cao trong tng lai H thng MIMO cú th c chia thnh 3 loi chớnh: - Ghộp khụng gian Phõn tp khụng gian - To dng bỳp Trong khi k thut to dng bỳp cn cú cỏc mt súng tng gim nhiu giao thoa v tng rng vựng ph, mụ hỡnh mó húa khụng gian thi gian hay ghộp khụng gian ũi hi mụi trng phõn tỏn ci thin cht lng kt ni hoc tng tc d liu Trong . anten thu - MIMO. 14 1.3.3. Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 15 1.4 Hệ thống UWB -MIMO 15 1.4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống UWB -MIMO 16 1.4.1.1 Kỹ thuật ghép không gian 16 1.4.1.2 Kỹ thuật phân. dụng kỹ thuật MIMO vào hệ thống này, em đã chọn đề tài Kỹ thuật MIMO trong hệ thống UWB Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau: Chương 1:Tổng quan về hệ. quan về hệ thống UWB -MIMO Chương 1 của đồ án sẽ trình bày những nét cơ bản về hệ thống UWB và công nghệ MIMO đồng thời giới thiệu một cách khái quát về hệ thống kết hợp của UWB và MIMO (tiềm