ứng dụng mã turbo trong hệ thống ăng ten mimo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN QUANG ANH ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG ĂNG-TEN MIMO CHUYÊN NGÀNH : VẬT LÝ ĐIỆN TỬ-HƯỚNG KỸ THUẬT MÃ SỐ : 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. HOÀNG THU HÀ TP HỒ CHÍ MINH - THÁNG 09/2009 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Thu Hà, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện việc nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quí thầy cô của khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, những người đã cung cấp kiến thức cho tôi suố t những năm Đại Học và Cao Học. Cảm ơn nhà trường đã tạo môi trường học tập tốt cho thế hệ sinh viên chúng tôi. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Hữu Phương, thầy đã trực tiếp chọn đề tài này cho tôi và đã hướng dẫn tôi trong giai đoạn đầu thực hiện. Dù cố gắng hết sức nhưng cũng không thể tránh khỏi sai sót trong luận văn, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn. Tp HCM , 09/2009 Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 1 HVTH: Nguyễn Quang Anh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC…………… 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8 MỞ ĐẦU………… 13 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 15 1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ. 15 1.2 MỤC ĐÍCH CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 16 CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG MIMO………… 18 2.1 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN. 18 2.2 ĂNG-TEN THÔNG MINH. 18 2.3 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN Ở ĐẦU PHÁT VÀ ĐẦU THU 19 2.4 TOÁN HỌC TRONG HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 21 2.4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SISO 21 2.4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO 21 2.5 CÁC KIỂU KÊNH TRUYỀN 24 2.5.1 KÊNH NHIỄU TRẮNG PHÂN BỐ GAUSSIAN. 24 2.5.2 KÊNH TRUYỀN NHIỄU RAYLEIGH 24 2.6 DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN MIMO 28 2.6.1 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH CHẬM 35 2.6.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG KÊNH TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH NHANH VÀ FADING KHỐI 36 Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 2 HVTH: Nguyễn Quang Anh 2.7 KỸ THUẬT PHÂN TẬP…………………………………………………… 37 2.7.1 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN. 38 2.7.2 PHÂN TẬP THỜI GIAN 41 2.7.3 PHÂN TẬP TẦN SỐ. 42 2.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP THU 42 2.9 KẾT LUẬN. 44 CHƯƠNG 3 - MÃ HÓA TURBO 45 3.1 GIỚI THIỆU 45 3.2 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA TURBO CODES. 45 3.3 MÃ HÓA. 47 3.3.1 BỘ MÃ XOẮN TRUY HỒI RSC 48 3.3.2 BỘ TRỘN INTERLEAVER 49 3.3.3 BỘ LƯỢC BIT 51 3.3.4 BỘ KẾT THÚC 53 3.4. BỘ GIẢI MÃ TURBO. 54 3.5 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG BỘ GIẢI MÃ TURBO 62 3.5.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA THUẬT TOÁN SOFT IN/SOFT OUT 62 3.5.2 THU ẬT TOÁN MAP. 63 3.5.3 THUẬT TOÁN MAX LOG-MAP 68 3.5.4 THUẬT TOÁN LOG –MAP 71 3.6 BỘ TRỘN TRONG TURBO CODES 74 3.6.1 BỘ TRỘN KHỐI (BLOCK INTERLEAVER) 76 3.6.2 BỘ TRỘN BERROU-GLAVIEUX 77 3.6.3 BỘ TRỘN BÁN NGẪU NHIÊN 78 3.6.4 BỘ TRỘN GIẢ NGẪU NHIÊN 79 3.6.5 BỘ TRỘN UMTS. 80 3.6.6 BỘ TRỘN BIT TỐI ƯU 81 3.7 KẾT LUẬN. 82 Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 3 HVTH: Nguyễn Quang Anh CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG KẾT HỢP GIỮA MÃ CHỐNG LỖI TURBO VÀ ĂNG-TEN MIMO. 83 4.1 GIỚI THIỆU 83 4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83 4.2.1 MÔ PHỎNG DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO. 84 4.2.2 MÔ PHỎNG PHÂN TẬP THU – PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĂNG- TEN MIMO 86 4.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP TURBO-MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 90 4.3.1 MÔ PHỎNG SO SÁNH HỆ THỐNG TURBO-MIMO VỚI HỆ THỐNG TURBO ĐƠN THUẦN 94 4.3.2 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN GIẢI MÃ TRONG HỆ THỐNG TURBO-MIMO 98 4.3.3 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC KÍCH THƯỚC BỘ TRỘN BIT KHÁC NHAU 100 4.3.4 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC TỐC ĐỘ MÃ HÓA KHÁC NHAU. 101 4.3.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG FADING RAYLEIGH CHẬM 102 4.4 KẾT LUẬN. 105 CHƯƠNG 5 - TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU MULTIMEDIA SỬ DỤNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO 107 5.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 107 5.2 MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 107 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 110 5.3.1 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG TEXT 110 5.3.2 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG HÌNH ẢNH TĨNH 115 5.4 KẾT LUẬN. 120 Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 4 HVTH: Nguyễn Quang Anh CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI…………………… 121 6.1 KẾT LUẬN CHUNG. 121 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 5 HVTH: Nguyễn Quang Anh DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3G Third-Generation wireless communication system 4G Fourth-Generation wireless communication system AD Average Difference ARQ Automatic Repeat Request ASPIC Adaptive soft parallel interference canceller AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BS Base Station CDF Cumulative Distribution Function CCDF Complementary Cumulative Distribution Function CSI Channel State Information DAB Digital Audio Broadcasting DVB Digital Video Broadcasting DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial EGC Equal-Gain Combining FDMA Frequency Division Multiple Access ICI Inter-Carrier Interference IFI Inter-Frame Interference IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 ISI Inter-Symbol Interference LAN Local Area Network LOS Line-Of-Sight MAP Maximum A Posterior Probability MD Maximum Difference MIMO Multi Input Multi Output MISO Multi Input Single Output MLD Maximum Likelihood Detection Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 6 HVTH: Nguyễn Quang Anh MLSTBC Multi-Layer Space-Time Block Coding MRRC Maximal Ratio Receiver Combining MMSE Minimum Mean Square Error MRC Maximum Ratio Combining MS Mobile Station MSE Mean Squared Error NLOS Non Line-of-sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR Peak to Average Power Ratio PDP Power Delay Profile PIC Parallel Group Interference Cancellation PSNR Peak Signal to Noise Rate RA Rural Area SC Switch Combining SDMA Space Division Multiple Access SFN Single Frequency Network SGINC Serial Group Interference Nulling Cancellation SIC Serial Interference Cancellation SIMO Single Input Multi Output SISO Single Input Single Output SLC Selection Combining SNR Signal to Noise Ratio SOVA Soft output Viterbi algorithm STBC Space-Time Block Coding SVD Singular Value Diagonal TDMA Time Division Multiple Access WLAN Wireless Local Area Network Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 7 HVTH: Nguyễn Quang Anh DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kết quả các từ mã với các trọng số được tạo ra từ bộ chèn 75 Bảng 4.1 : Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số ăng-ten thu & phát………………… 85 Bảng 4.2 : Bảng kết quả mô phỏng các phương pháp phân tập thu. 88 Bảng 4.3 : Bảng kết quả mô phỏng so sánh các phương pháp phân tập thu phát…………………… 89 Bảng 4.4: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO 94 Bảng 4.5: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO(a). 95 Bảng 4.6: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO 98 Bảng 4.7: Bảng so sánh thời gian đáp ứng của các thuật toán giải mã 99 Bảng 4.8 : Thời gian thực hiện mô phỏng đối với kích thước bộ chèn khác nhau trong hệ thống Turbo-MIMO (2x2). 101 Bảng 4.9: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO trong môi trường Rayleigh chậm. 103 Bảng 5.1: Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 1 vòng lặp. 112 Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 2 vòng lặp. 113 Bảng 5.3 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 3 vòng lặp. 114 Bảng 5.4 : Các thông số kênh truyền mô phỏng truyền hình ảnh 117 Bảng 5.5 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở các vòng lặp khác nhau 119 Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 8 HVTH: Nguyễn Quang Anh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền thông số 16 Hình 2.1: Hệ thống ăng-ten MIMO 4 đầu thu phát 19 Hình 2.2 : Hệ thống truyền thông số với nhiều ăng-ten ở đầu phát và thu 20 Hình 2.3: Hệ thống kênh truyền giảm chậm 21 Hình 2.4 : Quan hệ giữa ngõ ra & ngõ vào của hệ thống MIMO 22 Hình 2.5 : Biễu diễn của hệ số ma trận kênh 22 Hình 2.6 : Mô hình của kênh truyền giảm đa đường. 26 Hình 2.7 : Kênh truyền đa đường suy hao Rayleigh 27 Hình 2.8 : Mô phỏng đặc tính đa đường trong hệ thống truyền thông MIMO 29 Hình 2.9 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành các kênh truyền song song. 30 Hình 2.10 : Mô hình kênh truyền MIMO khi nT>Nr. 31 Hình 2.11: Mô hình tương đương MIMO khi n R >n T. 32 Hình 2.12 : Cấu trúc SVD của kênh truyền MIMO 32 Hình 2.13 : Dung lượng kênh MIMO thay đổi theo số lượng ăng-ten ở đầu phát lẫn đầu thu…………… 34 Hình 2.14 : Ý tưởng phân tập không gian 39 Hình 2.15 : Mô hình phân tập cực 40 Hình 2.16 : Mô hình phân tập mẫu. 40 Hình 2.17 : Truyền từ mã qua kênh truyền fading. 41 Hình 2.18 : Kết quả mô phỏng các bộ phân tập thu 44 Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mã hóa turbo (tốc độ mã hóa 1/3) 47 Hình 3.2 : Hệ thống mã hóa xoắn truy hồi (RSC). 48 [...]... Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten MIMO Hình 4.11: Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo- MIMO Các thông số hệ thống như bảng 4 2, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng- ten phát và 2 ăng- ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 Hệ thống sửa sai toàn bộ lỗi sau 6 vòng lặp 96 Hình 4.12: Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo- MIMO( a) Các thông số hệ thống như bảng 4 1, hệ. .. thuyết thông tin, hệ thống bao gồm ăng- ten ở đầu phát lẫn đầu thu được biết đến như là một hệ thống truyền thông đa ăng- ten MIMO, có đặc tính đa CBHD:TS Hoàng Thu Hà 28 HVTH: Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten MIMO không gian của đa kênh nhằm nâng cao tối đa tốc độ của hệ thống truyền dẫn không dây Trong hệ thống MIMO, đặc tính đa đường của ăng- ten đóng một vai... thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten MIMO Hình 3.3 : Bộ chèn giả ngẫu nhiên trong một bộ giải mã Turbo 51 Hình 3.4 : Quá trình lược bit thu được tốc độ mã hóa khác nhau 52 Hình 3.5a : Kết quả mô phỏng BER của hệ thống mã chống lỗi Turbo tương ứng với tốc độ mã hóa khác nhau 52 Hình 3.5b : Kết quả mô phỏng FER của hệ thống mã chống lỗi Turbo tương ứng với tốc độ mã hóa khác... có thể ở trong trạng thái tốt vì vậy xác suất sai sót sẽ nhỏ, có thể gia tăng dung lượng kênh mà không cần mở rộng tần CBHD:TS Hoàng Thu Hà 16 HVTH: Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten MIMO số băng thông Đồng thời hệ thống đa ăng- ten MIMO kết hợp với mã hóa kênh truyền để tận dụng khả năng điều khiển sai sót trong kênh truyền vô tuyến Mã chống lỗi Turbo có thể... hiểu hệ thống ăng- ten thu phát MIMO và các phương pháp phân tập thu phát Tìm hiểu mã chống lỗi Turbo và các ảnh hưởng đặc trưng Xây dựng và mô phỏng một hệ thống kết hợp Turbo- MIMO Tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống kết hợp trên Mô phỏng một hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia Turbo- MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 17 HVTH: Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống. .. một băng truyền, nó được gọi là hệ thống multi-input-multi-output (MIMO) Một hệ thống MIMO thừa hưởng tất cả những thế mạnh của hệ thống MISO/SIMO và tối ưu hóa hơn nữa những thế mạnh của hệ thống đa ăng- ten Hệ thống truyền thông MIMO được xem như đóng một vai trò then chốt trong hệ thống truyền thông thế hệ thứ 4 có tốc độ bit cao đến trên 300Mbps Bởi vì hệ thống truyền thông MIMO có thể gia tăng dung... của hệ thống MIMO Chương III : Trình bày các vấn đề liên quan đến mã chống lỗi Turbo Chương IV : Xây dựng hệ thống kết hợp giữa mã Turbo và MIMO Chương V : Trình bày về việc truyền dẫn dữ liệu multimedia sử dụng hệ thống Turbo- MIMO Chương VI : Nêu các kết luận chính và hướng phát triển của đề tài CBHD:TS Hoàng Thu Hà 14 HVTH: Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten. .. Diagonal) như hình 2.12 Mã hóa AWGN Chuỗi thông tin M Mã hóa AWGN x'1 y '1 n' x' nmin V H + U* y ' nmin Giải mã M Giải mã 0 M 0 Hình 2.12 : Cấu trúc SVD của kênh truyền MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 32 HVTH: Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten MIMO Trong hệ thống với nT ăng- ten phát, công suất phát của mỗi ăng- ten trong mô hình tương đương MIMO là P/nT, ước lượng... cần mở rộng tần số băng thông [10] Hình 2.1: Hệ thống ăng- ten MIMO 4 đầu thu phát Hình 2.1 mô tả một hệ thống MIMO với 4 ăng- ten lần lượt ở bộ truyền và nhận Các bit ở cùng một gói dữ liệu được phân phối lần lượt đến các bộ phát và truyền đồng thời đến các ăng- ten thu khác nhau CBHD:TS Hoàng Thu Hà 19 HVTH: Nguyễn Quang Anh Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng- ten MIMO Hình 2.2 chỉ... và ánh xạ trong hệ thống đa ăng- ten MIMO sẽ khác biệt so với hệ thống đơn ăng- ten cũ SISO Đó chính là sự xuất hiện thêm của chiều không gian Do một ăng - ten phát sẽ phát lần lượt đến tất cả các ăng- ten ở đầu thu hay nói cách khác, mỗi ăng- ten ở đầu thu sẽ lần lượt thu các tín hiệu không tương quan ở tất cả các ăng- ten phát phía đầu phát Đây chính là đặc tính của hệ thống sử dụng nhiều ăng- ten Kỹ thuật . thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 3 HVTH: Nguyễn Quang Anh CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG KẾT HỢP GIỮA MÃ CHỐNG LỖI TURBO VÀ ĂNG-TEN MIMO. . phỏng hệ thống Turbo- MIMO 94 Bảng 4.5: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO( a). 95 Bảng 4.6: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo- MIMO 98 Bảng 4.7: Bảng so sánh thời gian đáp ứng. phỏng Turbo- MIMO 93 Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO CBHD:TS Hoàng Thu Hà 11 HVTH: Nguyễn Quang Anh Hình 4.11: Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo- MIMO.