cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN Người thực hiện : Lớp : Người hướng dẫn : Đà Nẵng - 2012 LỜI CAM ĐOAN Em tên là : Lớp : Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Đề tài tốt nghiệp của em là “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Nội dung đồ án được tham khảo rút ra từ các tài liệu tham khảo đã liệt kê ở cuối đồ án. Em xin cam đoan nội dung này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012 Sinh viên thực hiện Lời mở đầu Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO – OFDM, anten thông minh… giúp nâng cao hơn nữa chất lượng hệ thống. Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian. Trong đó phân tập không gian được sử dụng phổ biển. Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm 3 loại: phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp cả thu và phát. Cùng với kỹ thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được sử dụng để bên thu có thể xác định được thông tin truyền đi từ bên phát. Trong quá trình tìm hiểu, em đã chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Đây là giải pháp kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bit (BER). Nội dung đồ án gồm 4 chương, trong đó 3 chương lý thuyết và một chương thực hiện mô phỏng chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab. Chương 1 : Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM. Hệ thống 4G được xem là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ. Với việc sử dụng các công nghệ tiên tiến trong đó có công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM đã giúp cho hệ thống 4G đạt được những tính năng ưu việt trên. Nội dung chương 1 sẽ phân tích mô hình hệ thống OFDM cũng như các ưu điểm, nhược điểm… của công nghệ này mang lại cho hệ thống 4G. Lời mở đầu Trang 2 Chương 2 : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM. Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn. Nội dung chương trình bày về đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu trắng AWGN. Bên cạnh đó còn trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu. Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, các kỹ thuật phân tập được sử dụng trong hệ thống 4G. Phân tập thu gồm các kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC giúp bên thu chọn lọc hoặc kết hợp các tín hiệu trên các anten thu nhằm tái tạo tín hiệu phát tốt nhất. Ngoài ra, chương này còn trình bày về các kỹ thuật phân tập phát mã hóa không gian-thời gian với mô hình Alamouti, nhờ nó mà chất lượng hệ thống được cải thiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone. Chương 4 : Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực hiện mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G thông qua việc truyền và nhận tín hiệu vô tuyến trên cơ sở sử dụng công nghệ OFDM kết hợp các kỹ thuật phân tập và ước lượng kênh truyền. Qua đó, đánh giá kết quả mô phỏng và đối chiếu với lý thuyết đã trình bày. Tuy nhiên, đây là một đề tài khá phức tạp, điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bày đồ án này của em không thể tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy em trong suốt thời gian qua và đặc biệt cảm ơn ThS. Dư Quang Bình đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012 Sinh viên thực hiện Các từ viết tắt Trang 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT A AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng AM Amplified Modulation Điều biên A/D Analog/ Digital Bộ chuyển đổi tương tự/ số B BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha 2 mức. C CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp D DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh. D/A Digital/ Analog Bộ chuyển đổi số/ tương tự E EGC Equal Gain Combining Kết hợp cân bằng độ lợi F FFT Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh. G GI Guard Interval Chuổi bảo vệ I ICI Inter-carrier interference Nhiễu liên sóng mang IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng IMD Inter Modulation Distortion Nhiễu liên điều chế M MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại O Các từ viết tắt Trang 4 OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia division mutiplex theo tần số trực giao. P P/S Parallel to Serial C/đ song song sang nối tiếp PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Q QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương. Modulaion QPSK Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK S S/P Serial to Parallel C/Đ nối tiếp sang song song SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. STBC Space time coding Mã hóa không gian thời gian SC Selection Combining Kết hợp lựa chọn Mục lục Trang 5 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CÁC TỪ VIẾT TẮT 3 MỤC LỤC 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 8 1.1 Giới thiệu chương 8 1.2 Tổng quan hệ thống 4G 8 1.3 Công nghệ OFDM 9 1.3.1 Tính trực giao trong OFDM 10 1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM 13 1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM 14 1.3.4 Chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial 14 1.3.5 Điều chế sóng mang con 15 1.3.6 Bộ IFFT và FFT 16 1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ 18 1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D 22 1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 22 1.3.9.1 Ưu điểm 22 1.3.9.2 Nhược điểm 22 1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 23 1.4 Kết luận chương 23 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM 24 2.1 Giới thiệu chương 24 2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM 24 2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn 25 2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading 25 2.3.2 Hiệu ứng Doppler 28 2.3.3 Nhiễu trắng AWGN 29 2.3.4 Nhiễu ISI 31 Mục lục Trang 6 2.3.5 Nhiễu ICI 33 2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền 34 2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền 34 2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood 34 2.5 Kết luận chương 37 CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 38 3.1 Giới thiệu chương 38 3.2 Kỹ thuật phân tập thu 38 3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu 38 3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu 39 3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC 39 3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC 40 3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC 41 3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC 42 3.3 Kỹ thuật phân tập phát 43 3.3.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập phát 43 3.3.2 Một số đặc điểm của kỹ thuật phân tập phát 43 3.3.3 Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian 44 3.3.3.1 Hệ thống mã hóa không gian- thời gian 44 3.3.3.2 Mô hình hệ thống Alamouti 46 3.3.3.3 Mô hình hệ thống Alamouti mở rộng 2 anten phát và 2 anten thu 52 3.3.3.4 Mô hình Alamouti mở rộng có 2 anten phát và M anten thu 55 3.4 Kết luận chương 58 CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G 59 4.1 Giới thiệu chương 59 4.2 Mô phỏng các thuật toán kỹ thuật phân tập thu anten 59 4.2.1 Thuật toán Threshold Combining 59 4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán 59 4.2.1.2 Kết quả mô phỏng 60 4.2.2 Thuật toán Selection Combining 62 Mục lục Trang 7 4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán 62 4.2.2.2 Kết quả mô phỏng 63 4.2.3 Thuật toán Equal Gain Combining 64 4.2.3.1 Lưu đồ thuật toán 64 4.2.3.2 Kết quả mô phỏng 65 4.2.4 Thuật toán Maximal Ratio Combining 66 4.2.4.1 Lưu đồ thuật toán 66 4.2.4.2 Kết quả mô phỏng 67 4.2.5 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống 68 4.3 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC 70 4.3.1 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC với đáp ứng kênh truyền hoàn hảo 70 4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán 70 4.3.1.2 Kết quả mô phỏng 71 4.3.2 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC có kết hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood) 72 4.3.2.1 Lưu đồ thuật toán 72 4.3.2.2 Kết quả mô phỏng 73 4.3.3 Mô phỏng hệ thống STBC khi thay đổi bậc điều chế MQAM 75 4.4 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống khi sử dụng phương pháp phân tập thu và phương pháp phân tập phát 76 4.5 Kết luận chương 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHẦN PHỤ LỤC Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM Trang 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ tiên tiến nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nên móng cho một thế hệ mới, mà hiện nay gọi là thế hệ thứ 4 (4G). 4G được định nghĩa là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ. Để hiểu rõ hơn, chương này sẽ trình bày lý do thúc đẩy sự ra đời cũng như các tính năng đặc biệt của hệ thống 4G. Bên cạnh đó, nội dung của chương còn đi sâu phân tích về công nghệ OFDM sử dụng trong hệ thống. Đây là một công nghệ tiên tiến thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nó cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát. Nhờ các tính năng ưu việt này mà công nghệ OFDM trở thành một trong những công nghệ hàng đầu được sử dụng trong hệ thống 4G. 1.2 Tổng quan hệ thống 4G Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lượng cao hơn. Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế ( ITU) đã làm việc để hướng đến một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G. Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện tương tác, internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền cũng như tính di động toàn cầu cao hơn. Các tính năng này không có ở hệ thống 3G hiện nay. Ngoài ra, vấn đề về phổ tần cũng là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu 4G trên thế giới. Vì phổ tần là nguồn tài nguyên vô tuyến cơ bản nhưng giới hạn cho các công nghệ không dây. Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp 10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại. Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá cả rẻ hơn so với 3G vì nó đuợc xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất chi phí khi chuyển đổi thiết bị. [...]...Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM v Cỏc tham s c bn ca h thng 4G ã H thng 4G m bo tc truyn dn s liu lờn n 100 Mbps ã Mng lừi hon ton ng dng trờn nn IP, khỏc vi cỏc th h trc l nú hon ton s dng phng thc chuyn mch gúi ã Vn tc di chuyn ln nht 200 km/ gi ã ỏp ng cỏc yờu cu mi a ra cn cỏc h thng bng rng vi rng bng tn ln hn ỏng k so vi h thng 3G Bng tn cho h thng 4G s l 2 GHz n 8 GHz vi ... vi rng bng tn ln hn ỏng k so vi h thng 3G Bng tn cho h thng 4G s l 2 GHz n 8 GHz vi rng bng tn t 5MHz n 8 Mhz Cỏc tham s ny n thi im hon thin h thng 4G cú th thay i, nhng nú minh ha rừ s khỏc bit gia h thng 3G v 4G Tc truyn s liu, yờu cu cho h thng 4G cú th t c nh vic s dng s W- OFDM S mng ni vựng vi ghộp kờnh phõn chia theo tn s trc giao (Wi- Lans Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing)... quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM 1.3.3 Mụ hỡnh h thng OFDM 1.3.4 Chuyn i Serial/Parallel v Parallel/Serial Hỡnh 1.5 (a) th biu din s phõn chia lung d liu th biu din lung d liu tc cao trong h thng n súng mang (b) th biu din s chia nh lung d liu tc cao trong h thng OFDM vi f = 1/3TB Theo Shanon tc d liu cao nht cho mt kờnh truyn ch cú nhiu trng Trang 14 Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng... v c gi n b thu RF Mch thu khụi phc li d liu bng cỏch o chiu chu trỡnh ny Vi cỏc súng mang con trc giao, b thu cú th tỏch bit v x lý mi súng mang con m khụng cú nhiu t Trang 9 Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM cỏc súng mang con khỏc OFDM cung cp liờn kt v cht lng thụng tt hn cỏc cụng ngh truyn dn khỏc 1.3.1 Tớnh trc giao trong cụng ngh OFDM õy l tớnh cht rt quan trng ca tớn hiu OFDM, cho... hiu OFDM giỳp tit kim c ph tn Xột tớn hiu cú dng ch nht trong min thi gian thỡ s cú ỏp ng tn s l sinc trong min tn s Hỡnh dng sinc cú mt bỳp chớnh hp, vi nhiu bỳp cnh Trang 10 Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM suy gim chm vi biờn ca tn s khỏc nhau t trung tõm Mi súng mang con cú nh ti tn s trung tõm v khong cỏch rng vi l hng tn s bng khong cỏch súng mang Bn cht trc giao ca vic truyn l... tn s súng mang con trong tớn hiu OFDM 5 tone (a) th ph ca mi súng mang con, v mu tn s ri rc xem xột bi b thu (b) th s kt hp ton b ỏp ng 5 súng mang con ( ng en dy) Trang 11 Chng 1 v Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM Dng biu din toỏn hc ca s trc giao Hai hm thc qi (t ) v q j (t ) c gi l trc giao (orthogonal) vi nhau trờn on { 0, T }nu: T ũ q (t ).q i j (t )dt = 0 j (t )dt = 1 vi i j ( 1.1 )... trong mt tớn hiu OFDM c t chng lp lờn nhau m vn duy trỡ tớnh trc giao gia chỳng Tớn hiu OFDM c to thnh t tng cỏc tớn hiu sin, vi mi tớn hiu sin tng ng mt súng mang con Trang 12 Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM 1.3.2 To tớn hiu OFDM Nhng chũm sao phc cho mi súng mang v cho bc iu ch c cung cp bi b tin x lý LCA (Logic Cell Array) to cỏc súng mang iu ch Cỏc symbol iu ch c xỏc nh theo phn... mó húa cỏc tn s cao iu ny cho phộp m bo tớnh an ton mc cao, tng tc truyn d liu v s dng hiu qu hn di tn c cp phỏt 1.3 Cụng ngh OFDM Cụng ngh OFDM l mt trong nhng cụng ngh chớnh c s dng trong h thng 4G Nú c R.W Chang phỏt minh nm 1966 M Cụng ngh OFDM l cụng ngh ghộp kờnh phõn chia theo tn s trc giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ú l s kt hp gia mó húa v ghộp kờnh OFDM l mt dng ca iu... lung d liu tc thp thnh mt lung d liu tc cao duy nht 1.3.5 iu ch súng mang con: Hỡnh 1.6 Mụ hỡnh biu th quan h gia tc symbol v tc bit ph thuc vo s bit trong mt symbol Trang 15 Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM Mi mt symbol b bit trong mt frame s c a vo b mapping, mc ớch l nõng cao dung lng kờnh truyn Mt symbol b bit s tng ng mt trong M=2b trng thỏi hay mt v trớ trong constellation (gin... to ra mt tp tn s cỏch u nhau chớnh xỏc v ng pha, nhm to ra tp tn s trc giao hon ho, iu ny khụng h n gin chỳt no Bin i DFT phc cú th c xem nh l cỏch xỏc nh biờn v pha Trang 16 Chng 1 Tng quan v h thng 4G s dng cụng ngh OFDM ca nhng thnh phn súng sin v cosin cu thnh nờn tớn hiu phõn tớch ổ ổ kn ử 1 N=1 ổ kn ử ử ồx[n].ỗ cosỗ 2p N ữ - j sin ỗ 2p N ữữ X[k] = N n=0 ứ ố ứứ ố ố (1.9) Trong ú mng X[k] cha N . tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền . Đây là giải pháp kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời. 3.2 Kỹ thuật phân tập thu 38 3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu 38 3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu 39 3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC 39 3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC 40 3.2.2.3 Kỹ. 2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền 34 2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền 34 2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood 34 2.5 Kết luận chương 37 CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP