Đồ án Kỹ thuật MIMOOFDM (Có code và file mô phỏng matlab)

File mô phỏng đính kèm nhé mọi người. Chúc các bạn học tốt Mở đầu……….……………………………………………………………………..5Chương 1 : Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến…………….…………………61.1 Giới thiệu61.2 Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến61.2.1 Tài nguyên vô tuyến61.2.2 Suy hao kênh truyền61.2.3 Các loại nhiễu71.2.4 Fading81.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền101.3.1 Kỹ thuật phân tập101.3.2 Kỹ thuật ghép kênh111.4 Kết luận chương13Chương 2: Kỹ thuật OFDM…………………………….………………………142.1Giới thiệu chương142.2 Sơ lược về OFDM142.2.1 Khái niệm về OFDM142.2.2 Tính chất trực giao của sóng mang152.3 Kỹ thuật OFDM162.3.1 Khối SP (Serial to Parallel ) và PS (Parallel to Serial )162.3.2 Khối mã hóa và sắp xếp172.3.3 Khối chèn pilot192.3.4 Khối FFT và IFFT202.3.5 Khối chèn bảo vệ212.3.6 Khối DAUp converter và khối AD Down converter222.3.7 Khối ước lượng kênh truyền222.4 Nguyên lý hoạt động của máy thu và phát OFDM222.5 Ưu khuyết điểm của OFDM252.5.1 Ưu điểm252.5.2 Nhược điểm262.6 Kết luận chương26Chương 3: Hệ Thống MIMO…………………………………………..………..273.1 Giới Thiệu chương273.2 Hệ thống MIMO273.2.1 Các độ lợi trong hệ thống MIMO273.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO293.3 Mã Hóa Không GianThời Gian STC303.3.1 Mã hóa không gian thờigian khối STBC303.3.2 Mã hóa không gianthời gian lới STTC353.4 Mã hóa không gianthời gian lớp BLAST363.4.1 Kiến trúc VBLAST363.4.2 Giải mã tín hiệu VBlast373.5 Kết luận40Chương 4: Hệ thống MIMOOFDM………………………….…………………414.1 Giới Thiệu414.2 Hệ thống MIMOOFDM414.2.1 Mô hình hệ thống MIMOOFDM414.2.2 Mô hình hệ thống MIMOOFDM Alamouti434.2.3 Mô hình hệ thống MIMOOFDM VBLAST484.3 Kết luận51Chương 5: Mô phỏng……………………………………….…………………….525.1 Lưu đồ thuật toán525.2 Kết quả mô phỏng565.3 Kết luận63Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài……………………….………..646.1 Kết luận646.2 Hướng phát triển của đề tài64Tài liệu tham khảo…………………………………………………….…………..65PHỤ LỤC: Phụ lục 1: code OFDM………….……………………….…..………66Phụ lục 2: Code MIMOOFDM STBC( Tx=2,Rx=2,3,4)68Phụ lục 3: Code MIMOOFDM VBLAST75

Lời cam đoan Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. LANGTUDONCOI MỤC LỤC 1.3.1 Kỹ thuật phân tập 10 Chương 3: Hệ Thống MIMO 27 3.1 Giới Thiệu chương 27 3.2 Hệ thống MIMO 27 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO 29 3.3 Mã Hóa Không Gian-Thời Gian STC 30 3.3.1 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC 30 3.3.2 Mã hóa không gian-thời gian lới STTC 35 3.4 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST 36 3.4.1 Kiến trúc V-BLAST 36 3.4.2 Giải mã tín hiệu V-Blast 37 Chương 4: Hệ thống MIMO-OFDM 41 4.1 Giới Thiệu 41 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 41 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 41 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 43 LANGTUDONCOI CÁC TỪ VIẾT TẮT Danh sách từ viết tắt A/D Analog to Digital AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CP Cyclic Prefix D/A Digital to Analog DFT Discrete Fourier Transform FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform 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 MS Mobile Station OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial LANGTUDONCOI CÁC TỪ VIẾT TẮT PAPR Peak to Average Power Ratio QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SC Single Carrier Communication STBC Space-Time Block Code V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time ZF Zero-Forcing LANGTUDONCOI MỞ ĐẦU Mở đầu Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày càng phát triển và đặc biệt là thông tin vô tuyến ngày càng quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngày nay. Tuy nhiên, việc truyền thông tin trong môi trường vô tuyến lại chịu tác động rất nhiều từ môi trường, cùng với việc hạn chế về băng thông và công suất. Vì vậy để hạn chế các tác động của môi trường, cùng với khả năng sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả. Người ta đã ứng dụng các kỹ thuật ghép kênh tiên tiến như là TDM,FDM,CDM…, kết hợp với các phương pháp khác nhau để cải thiện chất lượng của kênh truyền vô tuyến như dùng các mã tối ưu, anten thông minh, phân tập Một trong những kỹthuật tiên tiến, có hiệu quả và được ứng dụng nhiều trong thực tế là hệ thống MIMO. Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn. Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, người ta đã sử dụng một kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội là kỹ thuật OFDM. Với công nghệ OFDM ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông một cách tối ưu hơn, có khả năng chống một số loại nhiễu . Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO-OFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn đề được nêu ra trong lý thuyết. Nội dung của đồ án bao gồm 5 chương như sau: Chương 1 : Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến Chương 2: Kỹ thuật OFDM Chương 3: Hệ thống MIMO Chương 4 : Hệ thống MIMO-OFDM Chương 5: Mô phỏng và hướng phát triển LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN Chương 1 : Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến 1.1 Giới thiệu Đây là chương giới thiệu về các nhân tố ảnh hưởng đến một kênh truyền vô tuyến hay gặp, cũng như mô tả một cách trực quan về nó. Đồng thời đưa ra các cách khắc phục nó tốt hơn 1.2 Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến 1.2.1 Tài nguyên vô tuyến Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do đó nó cần sử dụng một cách có hiệu quả nhất. Tài nguyên vô tuyến ở đây có thể được hiểu là các dãi tần số được cấp phát giới hạn và cố định cho một mục đích cụ thể nào đó như truyền hình, phát thanh, thông tin di động Vì vậy, để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả người ta đã đưa ra các phương pháp ghép kênh khác nhau như TDM,FDM,OFDM,SDM… 1.2.2 Suy hao kênh truyền Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng. Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. ta có công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: 2 4       = R GGPP RTTR π λ ( 1.1 ) Trong đó : P T ,P R là công suất phát,thu được (Watts). G T là độ lợi của anten phát, G R là độ lợi của anten thu. λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m). R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng mét. Gọi L pt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: L pt (dB)=10log 10       Pr PtGtGr =10log 10       λ π R4 2 ( 1.2 ) LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN Hình 1.1 Suy hao theo khoảng cách 1.2.3 Các loại nhiễu -Nhiễu trắng Gaussian: Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông. Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét. Lưu ý rằng nhiễu Gaussian là nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian. Hình 1.2 Nhiễu trắng -Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) Hình 1.3 Nhiễu liên kí tự Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn. -Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference) ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con. ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh, nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu. Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng bảo vệ một cách tuần hoàn, dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM). Hình 1.4 Nhiễu ICI trong OFDM 1.2.4 Fading Tín hiệu được phát đi qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối … bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ… các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin hay gặp có thể được phân thành các loại sau : Fading phẳng(flat fading), fading chọn lọc tần số(selective fading), fading nhanh (fast fading), fading chậm(slow fading). +Fading phẳng xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu . Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp (hẹp hơn độ rộng kênh truyền) nên chịu ảnh hưởng của flat fading. Ảnh hưởng của flat fading tác LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN động lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tính toán độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng hơn . +Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading. Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự -ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp như Phân tập, sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer), ZF (Zero Forcing) và sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER . +Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi delta_f so với tần số phát tương ứng. Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh. +Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing). Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading). Hình 1.5 Hiện tượng fading LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN 1.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền 1.3.1 Kỹ thuật phân tập Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi cải thiện chất lượng của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau. Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các bản sao khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện chất lượng của đường truyền. - Phân tập không gian Phân tập không gian sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu trên các anten khác nhau trong miền không gian. Hình1.6 Các phương pháp phân tập Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà người ta chia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát ( hệ thống MISO), phân tập anten thu ( hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO). Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường. Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta có kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập để có một hệ thống phân tập tốt hơn như phân tập theo không gian thời gian(STC), phân tập theo không gian tần số (SFC) LANGTUDONCOI [...]... pháp ghép kênh có hiệu quả đã và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi ngày nay là k thuật OFDM, cùng với hệ thống MIMO Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về nó ở các chương sau LANGTUDONCOI CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM Chương 2: Kỹ thuật OFDM 2.1 Giới thiệu chương Đây là chương nói về kỹ thuật OFDM, ở chương này ta sẽ đi tìm hiều kỹ thuật OFDM là gì? Qua các khái niêm cơ bản và sơ đồ khối, cũng như các chức năng... 2.4 Phổ các sóng trực giao 2.3 Kỹ thuật OFDM Hình 2.5 Sơ đồ khối của k thuật OFDM 2.3.1 Khối S/P (Serial to Parallel ) và P/S (Parallel to Serial ) Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít nối tiếp đầu vào thành các luồng bít song song Các luồng bít song song phụ thuộc số sóng mang con và phương pháp điều chế mà được phân bố vào các kí hiệu một cách hợp lý Tuy nhiên để tránh hiện tượng lỗi chùm do nhiễu... LANGTUDONCOI CHƯƠNG 3:HỆ THỐNG MIMO Chương 3: Hệ Thống MIMO 3.1 Giới Thiệu chương Kỹ thuật MIMO là tên gọi chung cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu và phía phát kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu Kỹ thuật MIMO có thể được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống và tăng chất lượng vùng phủ cũng như là làm tăng khả năng cung cấp dịch... Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO Từ các phần trước có thể thấy rõ là kỹ thuật mimo giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương ứng với số lượng anten thu và phát bằng cách áp dụng các kỹ thuật đã nói ở trên.Trong trường hợp tổng quát với N t an ten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trên tạp âm có thể tăng lên tương ứng với N t xNr , và cho... (hoặc ngược lại) Hình 2.8 Điều chế PSK QPSK (Quadature Phase Shift Keying) là là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa 2 bit thành 1 symbols Hình 2.9: Điều chế QPSK LANGTUDONCOI CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM QAM(Quadrature Amplitude Modulation ) là k thuật điều chế về pha và biên độ của tín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thành phần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp... Phân tập theo tần số - Phân tập thời gian K thuật phân tập theo thời gian là kỹ thuật thu phát tín hiệu trên hai khe hay khe thời gian khác nhau Tức là các tín hiệu giống nhau được truyền trên các khe thời gian, như vậy ở đầu thu sẽ nhận được tín hiệu trên các khe thời gian Từ đó máy thu sẽ so sánh kết quả và chọn giá trị tốt nhất Hệ thống thông tin nếu sử dụng kỹ thuật phân tập thời gian sẽ cải thiện... Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xa Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập Hình 3.2: Kỹ thuật Beamforming Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing) Hình 3.3: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Tận dụng các kênh truyền song song có được từ nhiều anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO,... (nếu có) gây ra do kênh truyền FEC có hai loại chính: mã hóa khối và mã hóa chập Đồng thời để tránh hiện tượng lỗi chùm trong OFDM người ta còn sử dụng k thuật xen kẽ IL(interleaving) để chuyển các lỗi chùm thành các lỗi ngẫu nhiên đơn giản có thể sửa lỗi Phương pháp IL thực chất là đưa luồng bit vào theo hàng và lấy ra theo cột - Sắp xếp và điều chế +Sắp xếp Sau khi được mã hóa các luồng bit được sắp... hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang 2.6 Kết luận chương Trong chương này, đã giúp ta có một cái nhìn khái quát hơn về một hệ thống OFDM qua các khái niệm, cũng như các sơ đồ khối Từ đó ta có thể hiểu rõ hơn về k thuật OFDM cùng với việc ứng dụng của nó vào các vấn đề thực tế.Trong chương tiếp theo ta sẽ nói rõ hơn về các vấn đề tác động vào hệ thống OFDM , và nguyên lý của nó... (2.4) CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM Hình 2.17 Một khung OFDM [1] Vậy sau khi biến đổi IFFT và chèn CP ta có thể biểu diễn dưới dạng toán học của khung thứ m của OFDM như sau: [1] (2.5) Với n ∈ {-Ng,….,0,…N-1} với Ng là độ dài của CP - Tại máy thu : Tại máy phát các khung OFDM qua khối RF và được truyền trong không gian tự do Trong môi trường không gian tự do tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và ảnh hưởng