Cai_thien_chat_luong_va_dung_luong_trong_hthong_thong_tin_khong_day_dung_ky_thuat_MIMO-OFDM pdf

Chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử, nhất là các thầy cô trong bộ môn Viễn Thông đã cung cấp những kiến thức nền tảng giúp chúng em hoàn thành luận văn này. Đặt biệt chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Đình Chiến đã tần tình chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian chúng em thực hiện luận văn. Sau cùng là lời cảm ơn đến giai đình người thân và bạn bè đã luôn động viên giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tp.HCM, 01/2008 Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí LỜI CẢM ƠN Tóm Tắt Luận Văn i GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí ii Tóm Tắt Luận Văn TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai. Một trong những giải pháp được đưa ra là sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM. Trong luận văn này chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ thuật OFDM và tổng quan về hệ thống MIMO. Phân tích mô hình Alamouti và mô hình V-BLAST. Dựa trên các lý thuyết đã phân tích, chúng ta sẽ kiểm chứng lại kết quả mô phỏng trên Matlab. Từ đó chúng ta rút ra kết luận về khả năng thực thi của hệ thống MIMO-OFDM Dó nhiên luận văn này không tránh khỏi những sai sót. Do đó, chúng em rất mong được tiếp thu những ý kiến đánh giá quý báu của các thầy cô và các bạn để chúng em có thể rút kinh nghiệm và hoàn chỉnh hơn về đề tài này GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí iii Mục Lục MỤC LỤC Tóm Tắt Luận Văn iii Mục lục iv Danh Sách Từ Viết Tắt v danh sách hình viii Chương 1. LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1 KỸ THUẬT OFDM 22 HỆ THỐNG MIMO 43 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 84 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 97 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 122 Tài Liệu Tham Khảo 124 GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí iv Danh sách từ viết tắt DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital AFC Auto-Correlation Function ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AEX Average Excess Delay AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPF Band Pass Filter BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CSI Channel State Information D/A Digital to Analog DAB Digital Analog Broadcasting D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code DFT Discrete Fourier Transform DPSK Differential Phase Shift Keying DVB -H Digital Video Broadcasting - Handheld DVB -T Digital Video Broadcasting – Terrestrial FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impluse Response GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí v Danh sách từ viết tắt HDSL Hight-bir-rate Digital Subscriber Line HiperLAN2 High Performance Radio Local Area Network Type 2 ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform I.I.D Independent and Identically Distributed ISI InterSymbol Interference LAN Local Area Network LOS Light Of Sight LPF Low Pass Filter MIMO Multiple Input Muliple Output MISO Multiple Input single Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Sqare Error MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation MS Mobile Station NLOS Non Light Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PDF Probability Density Function QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí vi Danh sách từ viết tắt SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SC SingleCarrier Communication STBC Space-Time Block Code STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder TGn Task Group N V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter ZF Zero-Forcing ZF-OIC Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí vii Danh sách Hình DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 4 Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian 6 Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh truyền 7 Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L đường 8 Hình 1.5 Kênh truyền thay đổi thao thời gian 11 Hình 1.6 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean 15 Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh 16 Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động 18 Hình 1.9 Phân loại hệ thống thông tin không dây 19 Hình 2.10 FDM truyền thống 22 Hình 2.11 Hệ thống thông tin đa sóng mang 23 Hình 2.12 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM 23 Hình 2.13 Ba tín hiệu sin trực giao 26 Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 27 Hình 2.15 Bộ S/P và P/S 29 Hình 2.16 Bộ Mapper và Demapper 29 Hình 2.17 Bit và Symbol 30 Hình 2.18 Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK 31 Hình 2.19 Sơ đồ điều chế và giải điều chế DBPSK 32 Hình 2.20 Giản đồ chồm sao QAM 33 Hình 2.21 Bộ IFFT và FFT 33 Hình 2.22 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 35 Hình 2.23 Đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading 36 Hình 2.24 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ 37 GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí viii Danh sách Hình Hình 2.25 Bộ A/D và D/A 40 Hình 2.26 Bộ Up-Converter và Down-Converter 40 Hình 2.27 Bộ Equalizer miền tần số 42 Hình 3.28 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 43 Hình 3.29 Các phương pháp phân tập 45 Hình 3.30 Phân tập theo thời gian 47 Hình 3.31 Kỹ thuật Beamforming 48 Hình 3.32 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 48 Hình 3.33 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 49 Hình 3.34 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 51 Hình 3.35 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương 53 Hình 3.36 Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 54 Hình 3.37 Đònh lý Waterfilling 55 Hình 3.38 Phân phối công suất khi SNR cao 55 Hình 3.39 Phân phối công suất khi SNR thấp 56 Hình 3.40 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 58 Hình 3.41 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti 58 Hình 3.42 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 62 Hình 3.43 Sơ đồ mã lưới 67 Hình 3.44 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 67 Hình 3.45 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 68 Hình 3.46 Hệ thống V-BLAST 70 Hình 3.47 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 75 Hình 3.48 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu 76 Hình 3.49 Máy thu V-BLAST MMSE 82 GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí ix Danh sách Hình Hình 4.50 Các chuẩn thông tin không dây của IEEE 85 Hình 4.51 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 86 Hình 4.52 Ma trận kênh truyền 88 Hình 4.53 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti 88 Hình 4.54 Máy thu MIMO-OFDM Alamouti 88 Hình 4.55 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 92 Hình 4.56 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 95 Hình 4.57 ZF/MMSE Decoder 96 Hình 5.58 Kênh tryền mô phỏng 97 Hình 5.59 Đáp ứng Xung Của Kênh Truyền 99 Hình 5.60 Đáp ứng tần số của biên độ kênh truyền 99 Hình 5.61 Sơ đồ khối hệ thống SC 100 Hình 5.62 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông dải 101 Hình 5.63 Tín hiệu SC trước mạch lọc thông dải 101 Hình 5.64 Tín hiệu SC sau mạch lọc thông dải 102 Hình 5.65 Tín hiệu SC bò fading chọn lọc tần số 102 Hình 5.66 Tín hiệu SC bò fading và nhiễu Gauss 103 Hình 5.67 Tín hiệu SC thu được sau bộ lọc thông dải phía thu 103 Hình 5.68 Đồ thò BER của hệ thống đơn sóng mang 104 Hình 5.69 Hệ thống OFDM dùng để mô phỏng 105 Hình 5.70 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp 106 Hình 5.71 Tín hiệu OFDM trên kênh I trước mạch lọc thông thấp 107 Hình 5.72 Tín hiệu OFDM kênh I phát ra kênh truyền 107 Hình 5.73 Tín hiệu OFDM trên kênh I bò fading 108 Hình 5.74 Tín hiệu OFDM trên kênh I bò fading và nhiễu Gauss 108 GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc Chính Bùi Văn Chí x [...]... suất PDF Rayleigh a2 a − 2σ 2 µ p(a ) = e σ2 (1.23) 0≤α ≤ ∞ phương sai của quá trình Gauss 2 µ σ = var(α r (t )) = var(α i (t )) • µ φ (t ) = tg −1 (1.24) α i (t ) có phân bố trong khoảng [0,2µ π ] α r (t ) (1.25) ta có kênh truyền Rayleigh fading Nếu µ α r (t ) và µ α i (t ) là các quá trình Gauss có giá trò trung bình khác 0 thì • µ α (t ) sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice... trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF: µ Rh (t1 , t1 + ∆t , τ 1 , τ 1 + ∆τ ) = Rh (∆t , τ ) = Ph (∆t , τ 1 )δ (τ 1 − τ 2 ) (1.11) Với µ Ph (∆t ,τ 1 ) là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF) Khi µ ∆t = 0 , Ph (τ ) = Ph ( ∆t ,τ ) được gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình của tín hiệu sau... SVTH: Ngô Quốc Bùi Văn Chí Chương1 Lý Thuyết Cơ Sở Đặt µ K = A2 , K gọi là hệ số Ricean K = 0 tương ứng A = 0 hàm phân bố 2σ 2 Ricean trở thành hàm phân bố Rayleigh Hình 1.6 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh (K = 0 hay K =µ − ∞ [dB]) và Ricean với hệ số K = 3 [dB] và K = 9 [dB] Hình 1.6 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean 1.3 Các Phương Thức Ghép Kênh[3] Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của . tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin. Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động 18 Hình 1.9 Phân loại hệ thống thông tin không dây 19 Hình 2.10 FDM truyền thống 22 Hình 2.11 Hệ thống thông tin đa sóng mang 23 Hình. tăng. Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các