LUẬN VĂN: THUẬT TOÁN D-BLAST TRONG CÔNG NGHỆ MIMO pot

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG TIẾN NGUYÊN THUẬT TOÁN D-BLAST TRONG CÔNG NGHỆ MIMO Ngành : Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. TRỊNH ANH VŨ Hà Nội - 2009 2 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan : Luận văn “ Thuật toán D-BLAST trong công nghệ MiMo ” là công trình tìm hiểu và nghiên cứu riêng của tôi, ngoài các đoạn trích dẫn và tài liệu tham khảo trong luận văn thì các kiến thức mà tôi nghiên cứu, tìm hiểu được là của riêng tôi. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô trường Đại học công nghệ đã truyền đạt cho tôi kiến thức trong suốt những năm học ở trường. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trinh Anh Vũ đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2009 Tác giả luận văn Đặng Tiến Nguyên 3 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 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 và phân phối như 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 5 Hiện nay, Việt Nam đang nỗ lực mở rộng và phát triển toàn diện để có thể đứng trong hàng ngũ những con rồng Châu Á. Với ưu thế hơn 85 triệu dân giúp Việt Nam có lợi thế về phát triển lĩnh vực viễn thông, một trong những ngành mũi nhọn đóng góp đáng kể cho GDP của nước nhà. Đây cũng là nguyên nhân thúc đẩy ngành truyền thông và thông tin của nước ta ngày một phát triển, đa dạng hơn với các dịch vụ mới phục vụ tốt hơn nhu cầu đời sống của người dân. Công nghệ 3G là một trong những dịch vụ kết nối tốc độ cao nhất hiện nay đã xuất hiện ở Việt Nam như một nhu cầu tất yếu. Với tốc độ 2MBps trong nhà, 384kbps downlink… cho hệ thống truyền hình di động, internet di động…, nhưng điều đó là chưa đủ với xã hội công nghệ phát triển và thay đổi hàng ngày. Tiếp nối sự phát triển của công nghệ không dây, thế hệ 4G đang được nghiên cứu và dần đi vào đời sống người dân với tốc độ lên tới 1Gbps. Một trong các kỹ thuật cốt lõi cho công nghệ 4G là kỹ thuật truyền tin sử dụng công nghệ mới công nghệ Mimo. Công nghệ Mimo là nòng cốt truyền tin đưa tốc độ lên cao, một trong các kiến trúc được sử dụng trong Mimo là kỹ thuật D-Blast trong hợp kênh không gian - thời gian. Chúng ta sẽ nghiên cứu kiến trúc này để thấy được sự tối ưu trong tốc độ, độ tin cậy trong truyền tin và hiệu quả sử dụng phổ tần để cải thiện chất lượng truyền thông đưa ra chuẩn cho thế hệ thông tin di động 4G. Bản luận văn “Thuật toán D-BLAST trong công nghệ Mimo” gồm 04 chương, Chương I, II đưa ra cái nhìn tổng quan cho người đọc về kỹ thuật trong công nghệ Mimo, chương III sẽ phân tích sâu về kiến trúc D-Blast trong Mimo, và chương cuối chúng ta đánh giá hoạt động của kiến trúc D-Blast. Bản luận án sẽ giúp ích cho quá trình nghiên cứu về sau, nó là một phần trong toàn cảnh công nghệ Mimo mà người đọc có thể hiểu sâu về 1 kiến trúc với các đánh giá hiệu quả và hạn chế của thuật toán. Hi vọng bản luận án sẽ mạng lại những kiến thức bổ ích, những thông tin thiết thực cho những người nghiên cứu về thế hệ thông tin di động 4G và tiếp theo. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của nhiều tác giả đã cung cấp sách tham khảo để hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn của tôi, và những người thân trong gia đình đã động viên tôi hoàn thành bản luận án này. Chương I Đặt vấn đề 6 1.1 Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao Lịch sử phát triển các hệ thống thông tin di động là lịch sử từng bước nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và nâng cao tốc độ truyền dữ liệu. Thế hệ đầu tiên 1G là kết nối analog chỉ đáp ứng truyền tiếng nói 3KHz. Những năm 1990 thế hệ 2G ra đời với kết nối kỹ thuật số. Ở châu âu hệ thống được giới thiệu là kết nối toàn cầu GSM hoạt động ở băng tần 900 và 1800MHz với tốc độ truyền dữ liệu kênh đến 22.8kbit/s. GSM hoạt động với nền tảng cơ bản là hệ thống ô BTS và MS. ở 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 và GPRS cung cấp data lên tới 384kbit/s và 172.2 kbit/s. Tốc độ truyền dẫn được tăng cao trong thế hệ truyền dẫn không dây tiếp theo 3G là 384kbit/s cho di động và 2Mbit/s cho đứng im. Các kỹ thuật tối ưu trong 3G được biết đến như là UMTS, WCDMA hoặc là UTRA FDD/TDD. UMTS là giải pháp lựa chọn cho mạng GSM, hiện tại 850 triệu người dùng tại 195 quốc gia đang sử dụng chiếm 70 % thị trường kết nối không dây. UMTS thường dùng ở dải băng tần 2GHz. Trong thế hệ 3G sử dụng công nghệ EDGE, có 2 hướng phát triển tốc độ của GSM đi lên thế hệ EDGE đó là ECSD và EGPRS. Tốc độ tối đa của EDGE là 473.6kbit/s. EDGE được giới thiệu bởi Mỹ, tích hợp với hệ thống TDMA/136, 200 nhà cung cấp đã sử dụng công nghệ này, nó được gọi là thế hệ 2.5G với công nghệ GPRS từng bước vươn tới UMTS. HIPERLAN là chuẩn đặc biệt có tốc độ lên tới 54Mbit/s thông thường là 24Mbit/s cho các ứng dụng, tốc độ truyền dẫn cao yêu cầu băng thông rộng, tần số sóng mang ở băng tần cao hơn, UHF HIPERLAN được sử dụng ở đoạn băng tần cao từ 5GHz đến 17GHz, cho hệ thống đa phương tiện quảng bá là dải băng 40 GHz và 60 GHz. Các ứng dụng và dịch vụ cho các hệ thống là khác nhau. 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 của UMTS. 7 Thế hệ 4G cung cấp tốc độ data cao hơn thế hệ 3G. 4G được giới thiệu ở Nhật bản vào năm 2006, phần chính vẫn là nền tảng của 3G nhưng tốc độ data tăng lên. Theo NTT-DoCoMo tốc độ data của hệ thống 4G lên tới 20 – 40 Mbit/s cao hơn khoảng 20 lần so với tốc độ dich vụ internet ADSL. WLan có tốc độ truyền data cao hơn 2Mbit. Hệ thống Bluetooth thường hoạt động ở băng tần 2GHz cung cấp tốc độ nhỏ hơn 1Mbit. WLan thường dùng chuẩn 802.11b IEEE tốc độ 11Mbit với khoảng cách 50 đến 100m còn IEEE 802.11a ở băng tần 5GHz có tốc độ lên tới 54Mbit/s. Tại Châu âu sử dụng chuẩn IEEE 802.11a là HIPERLAN pha 2 sử dụng băng tần 6GHz . Tất cả đi đến hệ thống 4G đều dùng công nghệ MiMo với tốc độ lên tới 1Gbps mà độ rộng băng thông chỉ khoảng 100Mhz (ở dải băng tần 3.4GHz - 3.6GHz). Sự phát triển nói trên đều nhắm đến việc đáp ứng yêu cầu không ngừng tăng của người dùng đầu cuối trên thiết bị cầm tay với nhiều loại hình dịch vụ phong phú trong một xã hội thông tin hiện đại. Trong đó kỹ thuật MIMO đã góp phần không nhỏ trong việc tạo ra hệ thống 4G. Hình dưới đây tóm tắt lại bức tranh công nghệ sử dụng trong các thế hệ kết nối truyền thông không dây. 8 Hình 1 Công nghệ sử dụng cho các thế hệ truyền thông không dây [8] Nhu cầu về dung lượng trong hệ thống thông tin không dây như thông tin di động, internet hay các dịch vụ đa phương tiện đang tăng lên một cách nhanh chóng trên toàn thế giới. Tuy nhiên phổ tần số lại hạn hẹp do vậy muốn tăng dung lượng ta phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Những tiến bộ trong mã hoá, như mã kiểm tra chẵn lẻ, mã turbo, đã có thể tiếp cận đến giới hạn dung lượng Shannon, với hệ thống 1-1 ăngten tuy nhiên có thể đạt hiệu quả nhiều hơn nữa với hệ thống nhiều ăngten thu và nhiều ăngten phát. Hiệu quả phổ tần là đặc điểm nổi bật của hệ thống Mimo, với môi trường truyền dẫn là lý tưởng thì dung lượng kênh truyền tăng gần như tuyến tính với số lượng ăngten. 1.2 Vài nét lịch sử Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng nhiều ăngten thu và nhiều ăngten phát (Multiple Input – Multiple Output) để truyền thông tin. Ngoài khả năng tạo búp truyền thống (beamforming) hệ thống MIMO phát triển mới tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hoá…) và khả năng hợp các luồng tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc độ dữ liệu cũng như tầm truyền xa hơn. Có thể nói Jack Winters (Bell Laboatries, 1984 ) là người đi tiên phong trong lĩnh vực MIMO mới khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng trên 9 cùng kênh tần số hoặc thời gian khi sử dụng nhiều ăngten tại cả máy phát lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh, tuy nhiên dưới đây sẽ điểm lại các sự kiện lịch sử phát triển hệ thống MIMO theo 2 góc độ kỹ thuật: Phân tập theo không gian (Spatial diversity) và ghép kênh theo không gian (Spatial multiplexing). 1.2.1 Phân tập không gian  Năm 1991: Kỹ thuật phân tập trễ (Delay diversity) được phát minh bởi Wittneben  Năm 1998: Kỹ thuật phân tập dùng Mã hoá không gian - thời gian mắt cáo STTC (Space – Time Trellis Coding) của 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 ra khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng cho phát thanh quảng bá.  Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST (Bell Labs Layered Space Time) nhằm hợp các luồng truyền song song trên kênh fading nhanh. Cũng thời gian này Foschini cùng Greg Raleigh đã tạo ra phương pháp mới về công nghệ có khả năng tăng hiệu suất thực về sử dụng kênh, được cấp bản quyền phát minh Mimo OFDM khi cho ra đời chipset “Pre _N” có tên là True MiMo.  Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó.  Năm 1998 sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được làm bởi Bell labs  Năm 2001 sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Iospan Wireless Inc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. 10  Năm 2006 một số công ty Broadcom, Intel đưa ra giải pháp MIMO-OFDM theo chuẩn IEEE 802.11n. Cũng trong thời gian này Beceem Commmnications, Samsung, cũng phát triển MIMO-OFDMA dựa trên IEEE 802 16e là WIMAX. Tất cả đi đến hệ thống 4G đều dùng công nghệ MIMO. Điểm lại các sự kiện lịch sử như vậy để thấy rằng lý thuyết cũng như công nghệ MIMO mới được phát triển đột phá trong hơn thập kỷ qua nhằm tăng tốc độ và độ tin cậy trên đường truyền vô tuyến vốn chịu nhiều tác động của can nhiễu và bị giới hạn lý thuyết ở mức thấp theo công thức Shannon (1948) cổ điển. Dưới đây luận văn sẽ trình bày mô hình hệ thống MIMO tổng quát sau đó tập trung phân tích riêng về thuật toán D-Blast cho kênh fading chậm. [...]...11 Chng II Mụ hỡnh hp kờnh khụng gian h thng MIMO 2.1 Mụ t h thng Hỡnh 2 din t mụ hỡnh h thng thụng tin vụ tuyn MIMO Hỡnh 2 : Cu trỳc h thng thụng tin vụ tuyn Mimo Trong h thng MIMO nhm tng tc truyn, dũng d liu bờn phỏt c tỏch thnh N dũng s liu song song cú tc thp hn (dũng con) N chớnh l s anten phỏt Mi mt dũng... tớnh l nhõn phng trỡnh h MIMO vi mt ma trn nh hng ca n c ti thiu Núi mt cỏch tng ng, b cõn bng MMSE ti a húa t s SNR Gi s x MMSE l kt qu sau khi nhõn ma trn ny (2.43) x MMSE Zy trong ú Z c chn cc tiu hoỏ: Zy x 2 (2.44) i vi mụ hỡnh kờnh ny, trong ú H v w l Gauss, thỡ ma trn c lng MMSE nh sau: Z H ( HH N 0 I N ) 1 M M (2.45) trong ú: E S N 0 l toỏn t k vng c s dng trong trng hp ny vỡ kờnh... riờng tt, cũn cỏc mode khỏc l rt ti Túm li trong mụi trng khụng cú vt cn, tc ch cú tớn hiu trc tip t ngten phỏt n ngten thu, nu khong cỏch thu phỏt rt ln so vi kớch thc mng ngten, kờnh MIMO ch lm tng h s cụng sut ch khụng lm tng bc khụng gian t do 2.4.2 Kờnh MIMO vi mt ng phn x [1]Chỳng ta cú th to ra kờnh truyn tt nh trng hp trờn m khụng cn phi t cỏc ngten xa nhau Trong trng hp ny, ngoi mt ng trc tip t... s rt nh (hỡnh 8) Trong c hai trng hp trờn H u khụng t c iu kin tt Nh vy iu kin tt trong trng hp kờnh MIMO cú mt ng phn x yờu cu gúc ti gia tớn hiu trc tip v phn x khụng c quỏ nh 22 Khá c biệ góc t nhận lớ n Khá c biệ góc t phá t nhỏ Dã y anten Dã y anten phá t nhận (a) Dã y anten phá t Dã y anten nhận (b) Hỡnh 9 Cỏc vt phn x gn ngten thu hn (a) v gn ngten phỏt hn (b).[1] Tht may l trong nhiu ng dng... ngten phỏt v thu u nh .Trong h thng in thoi t bo, khi cỏc trm c s c t trờn cỏc to nh cao tng thỡ vt phn x rt gn mỏy di ng, nhng vn cú c hp kờnh khụng gian khi cỏc ngten trm c s c t xa nhau Kt qa s khụng thay i nu mụi trng l phn x v tỏn x cao Trong trng hp ny hin tng a ng tr lờn cú li v khụng th thiu tng dung nng kờnh truyn Hu ht cỏc ng dng ca chỳng ta u nm trong iu kin ny, do ú kờnh MIMO tr lờn rt hu... dng ca chỳng ta u nm trong iu kin ny, do ú kờnh MIMO tr lờn rt hu hiu nõng cao tc d liu, ỏp ng nhu cu ngy cng cao trong thụng tin vụ tuyn hin nay Cú s khỏc bit gia mụ hỡnh toỏn hc v mụ hỡnh vt lý ca kờnh MIMO Trong mụ hỡnh toỏn hc ch cn ma trn kờnh cú hng cao l cú th cú th phõn tớch kờnh MIMO thnh n kờnh song song Mụ hỡnh vt lý ũi hi ngoi iu kin ma trn cú hng cao thỡ cỏc giỏ tr n ca nú khụng c quỏ khỏc... cao nht (t ti dung nng) cú xỏc sut li nh tựy ý Cũn trong kờnh fading chm thut toỏn mó kờnh l nhm t xỏc sut dng kờnh nh nht vi tc truyn la chn trc iu ny s dn n thut toỏn D-Blast l mt trong cỏc k thut t c iu ny 27 2.6 K thut Hp kờnh khụng gian (Spatial multiplexage - SM) thc hiờn c h thng hp kờnh khụng gian, khai thỏc ht cỏc tớnh cht phõn tp ca kờnh MIMO nhm to tc truyn tin cao nht trờn cựng mt bng... thnh cỏc lung song song nh bờn phỏt õy ta phõn tớch cỏc nguyờn tc thu v tỏch tớn hiu c bn trong h MIMO 2.6.1 Gii mó hp lý cc i Ta nhc li rng trong mụ hỡnh SISO Truyn thng Nguyờn tc quyt nh c dựng l nguyờn tc quyt nh theo xỏc sut kh nng cc i (Maximumlikelihood) Tc l im tớn hiu nhn c s c quyt nh l im chũm sao gn nht trong bng chũm sao ca bờn phỏt (khong cỏch gn nht ng vi xỏc sut ln nht) Do ú bờn phỏt cú... cho vic phõn tớch kờnh MIMO thng kờ thun tin ta ch xột trng hp cỏc ngten t thng hng Kt qu phõn tớch chi tit ph thuc vo cu trỳc c th tng trng hp, tuy nhiờn t tng v phng phỏp phõn tớch l nh nhau 2.4.1 Mng ngten nhỡn thy nhau (LOS) [1] [Chỳng ta hóy xột kờnh MIMO trong iu kin khụng cú phn x hay nhiu x, cỏc dóy ngten phỏt v thu u c t thng hng (hỡnh 6), khong cỏch gia cỏc ngten trong mng phỏt v thu tng... khụng th ci thin ỏng k xỏc sut li trong kờnh fading chm Nguyờn nhõn l do trong khi mó húa cú th ly trung bỡnh n Gauss, thỡ nú li khụng th ly trung bỡnh i vi kờnh truyn fading chm v iu ny tỏc ng ti tt c cỏc t c mó húa Vỡ th vi hin tng kờnh cú h s thng giỏng sõu, li c trng xut hin c khi mó húa hoc khụng mó húa õy l khỏi nim khỏc nhau gia kờnh AWGN v kờnh fading chm Trong nhng k thut trc õy, mt bờn cú . kỹ thuật cốt lõi cho công nghệ 4G là kỹ thuật truyền tin sử dụng công nghệ mới công nghệ Mimo. Công nghệ Mimo là nòng cốt truyền tin đưa tốc độ lên cao, một trong các kiến trúc được sử dụng trong. HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG TIẾN NGUYÊN THUẬT TOÁN D-BLAST TRONG CÔNG NGHỆ MIMO Ngành : Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN. thông tin di động 4G. Bản luận văn Thuật toán D-BLAST trong công nghệ Mimo gồm 04 chương, Chương I, II đưa ra cái nhìn tổng quan cho người đọc về kỹ thuật trong công nghệ Mimo, chương III sẽ phân