BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ CHO HỆ THỐNG MIMO MC CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ CHO HỆ THỐNG MIMO MC - CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội – Năm 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131942261000000 Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA LỜI NĨI ĐẦU Con người ln có nhu cầu trao đổi thơng tin.Với phát triển nhanh chóng xã hội nhu cầu trao đổi thơng tin u cầu chất lượng thông tin cao Để nâng cao chất lượng (tốc độ liệu, độ tin cậy thơng tin …) viễn thơng có nhiều giải pháp như: nâng cấp chất lượng đường truyền, nghiên cứu phương thức điều chế mới, tăng công suất thu phát hệ thống Tuy nhiên để có phương pháp tối ưu (vừa đảm bảo chất lượng thông tin, vừa đảm bảo hiệu kinh tế) việc nghiên cứu loại mã, phương pháp điều chế đồng hệ thông giải pháp thích hợp Dung lượng yêu cầu ngày lớn, tốc độ liệu ngày cao, băng thơng lại có giới hạn u cầu khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu MIMO (Multi Input- Multi Output ) nghiên cứu đem lại nhiều thành công đáng kể Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu phổ mà tăng công suất phát hay băng thông Trong hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần ln bị giới hạn nhiễu Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều người sử dụng đồng thời nhu cầu cấp thiết Vì kỹ thuật đa truy nhập đời Kỹ thuật FDMA đời sau đến kỹ thuật TDMA ngày nay, kỹ thuật CDMA, dựa nguyên lý trải phổ sử dụng rộng rãi cho thơng tin vơ tuyến tồn giới CDMA chứng tỏ khả vượt trội so với kỹ thuật tương tự số khác Trong nội dung luận văn trình bày nguyên lý CDMA, kỹ thuật trải phổ CDMA Chúng sử dụng phổ biến hệ thống MC-CDMA Khả cung cấp dịch vụ hệ thống MIMO hệ thống MC-CDMA đem lại tiềm ứng dụng to lớn cho hệ thống thông tin nay, nên việc kết hợp chúng thành hệ thống hệ thống MIMO MC - CDMA giải pháp vô quan trọng cho phát triển 4G, việc đồng quan trọng Và lý em lựa Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA chọn đề tài cho luận văn là: “Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC-CDMA” Trong trình làm luận văn, em nhận hướng dẫn chu đáo tận tình thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Em xin chân thành cảm ơn thầy giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Do kiến thức nhiều hạn chế, nên nội dung trình bày luận khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận đánh giá phê bình thầy Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên thực Nguyễn Văn Trường Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 Giới thiệu 11 1.2 Mục đích 12 1.3 Nội dung đề tài 12 CHƯƠNG HỆ THỐNG MIMO VÀ MIMO MC-CDMA 13 2.1 Hệ thống MIMO 13 2.1.1 Giới thiệu chương 13 2.1.2 Khái niệm mơ hình hệ thống MIMO 13 2.1.3 Hạn chế kênh truyền không dây 15 2.1.4 Ưu điểm hệ thống 16 2.1.5 Cơ sở lý thuyết MIMO 17 2.1.5.1 Kỹ thuật phân tập 17 2.1.5.2 Độ lợi hệ thống MIMO .19 2.1.6 Dung lượng kênh MIMO 21 2.1.6.1 Dung lượng hệ thống SISO 21 2.1.6.2 Dung lượng kênh SIMO 21 2.1.6.3 Dung lượng kênh MISO 22 2.1.6.4 Dung lượng hệ thống MIMO 22 Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA 2.1.7 Phương pháp mã hóa khơng gian thời gian 28 2.1.7.1 Giới thiệu 28 2.1.7.2 Mơ hình hệ thống 29 2.1.7.3 Mã khối không gian - thời gian STBC 30 2.1.7.4 Mã lưới không gian - thời gian STTC 35 2.1.7.5 So sánh STBC STTC 42 2.1.7.6 Mã BLAST .42 2.1.8 Hệ thống anten MIMO 46 2.2 Hệ thống CDMA 47 2.2.1 Giới thiệu 47 2.2.2 Nguyên lý kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 48 2.2.3 Kỹ thuật trải phổ 49 2.2.3.1 Giới thiệu 49 2.2.3.2 Các kỹ thuật trải phổ 50 2.2.3.3 Kỹ thuật trải phổ phương pháp nhảy tần số 53 2.2.3.4 Các chuỗi trải phổ 55 2.2.4 Hiệu hệ thống DS/SS 57 2.2.4.1 Ảnh hưởng tạp âm trắng .57 2.2.4.2 Ảnh hưởng nhiễu giao thoa 59 2.2.4.3 Truyền đa tia 60 2.2.5 Hệ thống DS – CDMA (Direct Spread – Code Division Multiple Access) 61 2.3 Hệ thống MIMO MC - CDMA .65 2.3.1 Tổng quan… 65 2.3.2 Hệ thống MIMO MC-CDMA 68 Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA CHƯƠNG 3: ĐỒNG BỘ CHO HỆ THỐNG MIMO MC - CDMA 74 3.1 Giới thiệu 74 3.2 Đồng cho hệ thống DS-CDMA 81 3.2.1 Nguyên lý…… 81 3.2.2 Ảnh hưởng nhiễu nhiệt 82 3.3 Đồng hệ thống MIMO MC - CDMA .83 3.3.1 Đồng cho hệ thống DS 83 3.3.1.1 Nguyên lý 83 3.3.1.2 Đồng hệ thông MIMO MC-CDMA 84 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 86 4.1 Một số kết mơ phóng hệ thống vô tuyến 86 4.2 Mô dung lượng hệ thống MIMO MC - CDMA .88 KẾT LUẬN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Hình trực quan hệ thống MIMO 13 Hình 2: Hệ thống MIMO 14 Hình 3: Minh họa phân tập thời gian 18 Hình 4: Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn 20 Hình 5: Phân tập khơng gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống .20 Hình 6: N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 24 Hình 7: Hệ kênh truyền nhiễu trắng song song tương đương 25 Hình 8: Sơ đồ hệ thống MIMO biết CSI nơi phát thu .25 Hình 9: Định lý Waterfalling .26 Hình 10: Phân bố cơng suất SNR cao 27 Hình 11: Phân phối cơng suất SNR thấp .27 Hình 12: Sơ đồ hệ thống MIMO mã khơng gian thời gian 30 Hình 13: Sơ đồ Alamouti anten phát anten thu 31 Hình 14 Các symbol phát thu sơ đồ Alamouti 31 Hình 15: Sơ đồ Alamouti anten phát M anten thu .32 Hình 16: Cấu trúc mã STTC 37 Hình 17: Bộ mã hóa STTC cho hệ thống anten phát 39 Hình 18: Mã STTC với anten phát trạng thái 40 Hình 19: Mơ hình máy phát H-BlAST 44 Hình 20: Mơ hình máy phát V – BLAST 44 Hình 21: Mơ hình máy phát D-BLAST 45 Hình 22: Mơ hình đồ thị phương hướng anten MIMO .47 Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA Hình 23: Quá trình trải phổ nén phổ kỹ thuật CDMA 48 Hình 24: Hệ thống thông tin trải phổ .49 Hình 25: Sơ đồ khối điều chế giải điều chế DS - SS 51 Hình 26: Phổ tín hiệu trước sau trải phổ 52 Hình 27: Dạng sóng tín hiệu trước trải phổ sau trải phổ 53 Hình 28: Phổ tín hiệu FH – SS 53 Hình 29: Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu FH - SS 54 Hình 30: Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian 54 Hình 31: Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu TH - SS 55 Hình 32: Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên 56 Hình 33: Đồ thị hàm tự tương quan chuỗi PRBS 56 Hình 34: Sơ đồ khối tạo khối thu tín hiệu DS/SS BPSK 59 Hình 35: Mơ hình đơn giản hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung băng tần với sóng mang fc điều chế BPSKError! Bookmark not defined Hình 36: FER PEP hiệu suất hệ thống MIMO MC-CDMA truy cập tối đa 69 Hình 37: Hiệu suất BER hệ thống MIMO MC-CDMA MIMO OFDMA truy cập tối đa truy cập không tối đa 70 Hình 38: FER PEP thực hệ thống MIMO MC-CDMA MIMO OFDMA truy cập tối đa 71 Hình 39: Hiệu suất BER MIMO MC-CDMA MIMO OFDMA 72 Hình 1: Minh họa ba chế truyền sóng vơ tuyến 77 Hình 2: Fading Rayleigh máy thu di chuyển tần số 900MHz 78 Hình 3: Sự trải trễ đa đường 80 Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA Hình 4: Dạng sóng d(t), g(t) d(t)g(t) 81 Hình 5: Dạng sóng d(t), g(t) d(t)g(t) 84 Hình 6: Quá trình trải phổ thu phát 84 Hình 7: Hiệu suất BER hệ thống MIMO MC-CDMA trường hợp lượng người dùng truy cập tối đa không tối đa 85 Hình 1: Các hệ thống vô tuyến 86 Hình 2: Hệ thống MIMO 87 Hình 3: Hệ thống MIMO-VBLAST 87 Hình 4: Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten 88 Hình 5: Hiệu suất hệ thống MIMO MC- CDMA có nhiều người truy cập 89 Hình 6: Tỷ lệ lỗi bít MIMO MC-CDMA v MIMO OFDMA có nhiều người truy cập 90 Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B Nghiên cứu phương thức đồng cho hệ thống MIMO MC - CDMA DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT NỘI DUNG Ý NGHĨA AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân C/I Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang nhiễu CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp (I)DFT (Inverse) Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc (ngược) DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn GI Guard Interval Dải bảo vệ ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh (I)FFT (Inverse) Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh thuận (đảo) ISI LS ILeast t Square b lI t f Nhiễ ê ký Bình phương nhỏ LMMSE Least Minimum Mean Squared Error Lỗi quân phương tối thiểu tuyến tính LOS Line of Sight Tuyến truyền dẫn thẳng MUX Multiplex Đa hợp Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B