Ứng dụng mã LDPC và mã STF vào hệ thống MIMO OFDM

GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang vi MC LC Trang LÝ LCH KHOA HC i LI CAM ĐOAN ii LI CM T iii TÓM TT iv ABSTRACT v MC LC vi DANH SÁCH CÁC CH VIT TT x DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BNG xiv Chơng 1. TNG QUAN 1 1.1 Đặt vn đ 1 1.1.1 Mã LDPC(Low Density Parity Check) 1 1.1.2 MIMO-OFDM 1 1.1.3 Chn đ tài 4 1.2 Mc tiêu đ tài 4 1.3 Nhim v nghiên cứu và gii hn của đ 4 1.4 Phơng pháp nghiên cứu 4 Chơng 2. TNG QUAN B MÃ LDPC 5 2.1 Gii thiu 5 2.2 Khái nim cơ bn v mư LDPC 5 2.2.1 Đnh nghĩa mư LDPC 5 2.2.2 Biu din mã LDPC 6 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang vii 2.2.2.1 Biu din ma trn 6 2.2.2.2 Đ hình Tanner 6 2.2.3 MãLDPC có quy tc và bt quy tc 8 2.2.3.1 Mã LDPC có quy tc 8 2.2.3.2 Mã LDPC bt quy tc 9 2.2.3.3 Mức phân phi (degree distribution) 10 2.3 Mã hóa mã LDPC 10 2.4 Gii mư mư LDPC 11 2.4.1 Gii mã tng tích (Sum ậ product decoding) 11 2.4.2 Gii thut gii mã lt bit (Bit-Flipping - BF) 14 2.5 Tóm tt 15 Chơng 3. H THNG MIMO-OFDM 17 3.1 OFDM 17 3.1.1 Gii thiu: 17 3.1.2 Mô hình h thng: 19 3.2 K THUT MIMO 27 3.2.1 Gii thiu: 27 3.2.2 K thut phân tp: 29 3.2.2.1 Phân tp thi gian: 29 3.2.2.2 Phân tp không gian: 30 3.2.2.3 Phân tp tn s: 31 3.2.3 Mô hình h thng MIMO: 32 3.2.4 Dung lng h thng MIMO: 34 3.3 H THNG MIMO ậ OFDM 37 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang viii 3.3.1 Gii thiu: 37 3.3.2 Mô hình h thng: 38 Chơng 4. MÃ HịA TRONG H THNG MIMO-OFDM 42 4.1 MÃ KHÔNG GIAN ậ THI GIAN STC 42 4.1.1 Gii thiu: 42 4.1.2 Mô hình h thng: 42 4.1.3 Mã STBC: 44 4.1.3.1 Sơ đ Alamouti: 44 4.1.3.2 Sơ đ Alamouti m rng: 48 4.1.3.3 Sơ đ h thng N anten phát và M anten thu: 49 4.1.3.4 STBC cho chòm sao tín hiu thực: 52 4.1.3.5 STBC cho chòm sao tín hiu phức 54 4.1.3.6 Gii mư STBC 56 4.2 MÃ KHÔNG GIAN ậ TN S SFC 60 4.2.1 Gii thiu: 60 4.2.2 Mô hình tín hiu: 60 4.2.3 Thit k mư : 62 4.2.4 Gii mư: 64 4.3 MÃ KHÔNG GIAN ậ THI GIAN ậ TN S STFC 64 4.3.1 Gii thiu: 64 4.3.2 Mô hình tín hiu: 65 4.3.3 Thit k mư: 68 4.3.4 Gii mư: 70 Chơng 5. MỌ PHNG VÀ KT QU 71 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang ix 5.1 Mã LDPC 71 5.2 H thng MIMO 72 5.3 H thng MIMO-OFDM: 74 5.4 Mã không gian-tn s SF: 77 Kho sát h thng MIMO-OFDM mã hóa SF vi các thông s sau: 77 5.5 Mã không gian-thi gian-tn s STF: 80 5.6 Kt hp Mư LDPC và mư STF 84 5.7 So sánh mt s kt qu của h thng MIMO-OFDM 88 Chơng 6. KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN 93 6.1 Kt lun 93 6.2 Hng phát trin 93 PH LC 94 TÀI LIU THAM KHO 105 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang x DANH SỄCH CỄC CH VIT TT LDPC Low Density Parity Check FEC Forward error correction DVB Digital Video Broadcasting VLSI Very-large-scale integration AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BPSK Binary Phasee Shift Keying CSI Channel State Information FFT Fast Fourier transform IFFT Inverse fast Fourier transform DFT Discrete Fourier transform IDFT Inverse Discrete Fourier Transform PARR Peak to Average Power Ratio i.i.d independent identically distributed ICI Inter-Carrier Interference ISI Inter Symbol Interference FIR Finite Impulse Response LP Linearly Precoded MIMO Multiple-Input Multiple-Output ML Maximum Likelihood MRC Maximal Ratio Combiner OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing CP Cyclic Prefix Pdf probability density function QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying BER Bit Error Rate GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang xi MMSE Minimum Mean Square Error SIC Successive Interference Cancellation SISO Single-Input Single-Output SFC Space-Frequency code SNR Signal Noise Rate STBC Spaceậtime block code STC Space-Time code STFC Space-Time-Frequency code GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang xii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Đ hìnhTanner tơng ứng vi ma trn kim tra chẵn lẻ H trong (2.1) 8 Hình 3.1 Sơ đ khi h thng OFDM cơ bn 19 Hình 3.2 a) Khái nim CP; b) Symbol OFDM m rng tun hoàn 22 Hình 3.3 Kênh truyn nhiu ngõ vào và nhiu ngõ ra MIMO cơ bn 28 Hình 3.4: Sơ đ khi kênh MIMO tơng đơng khi N > M 36 Hình 3.5: Sơ đ khi kênh MIMO tơng đơng khi M > N 36 Hình 3.6: Mô hình h thng N x M MIMO-OFDM 38 Hình 4.1: Mô hình h thng băng gc 42 Hình 4.2: Sơ đ khi mư hóa ST Alamouti 44 Hình 4.3B thu cho sơ đ Alamouti 45 Hình 4.4: Sơ đ tng quát N anten phát và M anten thu 49 Hình 4.5: Mã hóa STBC 50 Hình 4.6: Mã hóa SF 62 Hình 4.7: Cơ ch truyn mư STF 65 Hình 5.1: LDPC trên kênh truyn AWGN 72 Hình 5.2: MIMO cha mư hóa: cùng mức phân tp 6 73 Hình 5.3: MIMO cha mư hóa: thay đi anten phát 73 Hình 5.4: MIMO cha mư hóa: thay đi anten thu 74 Hình 5.5: MIMO-OFDM cha mư hóa: thay đi anten phát 75 Hình 5.6: MIMO-OFDM cha mư hóa: thay đi anten thu 76 Hình 5.7: MIMO-OFDM cha mư hóa: thay đi s đng fading L 76 Hình 5.8: MIMO-OFDM cha mư hóa: cùng mức phân tp Tx*Rx*L=32 77 Hình 5.9: H thng MIMO-OFDM mư hóa SF, thay đi anten phát 78 Hình 5.10: H thng MIMO-OFDM mư hóa SFC, thay đi anten thu 79 Hình 5.11: H thng MIMO-OFDM mã hóa SFC, 2Tx x 2Rx, thay đi L 79 Hình 5.12: H thng MIMO-OFDM mã hóa SF, Tx* Rx* L=32 80 Hình 5.13: H thng MIMO-OFDM mư hóa STF thay đi anten phát 81 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang xiii Hình 5.14: H thng MIMO-OFDM mư hóa STF, thay đi anten thu 82 Hình 5.15: H thng MIMO-OFDM mã hóa STF, phân tp thi gian 83 Hình 5.16: H thng MIMO-OFDM mư hóa STF, phân tp theo s đng fading . 83 Hình 5.17: H thng MIMO-OFDM mư hóa STF, cùng mức phân tp 84 Hình 5.18: H thng MIMO-OFDM mư hóa LDPC và STF thay đi anten phát 85 Hình 5.19: H thng MIMO-OFDM mư hóa LDPC và STF thay đi anten thu 86 Hình 5.20: H thng MIMO-OFDM mư hóa LDPC và STF phân tp thi gian 87 Hình 5.21: H thng MIMO-OFDM mư hóa LDPC và STF thay đi s đng fading 87 Hình 5.22: H thng MIMO-OFDM mư hóa LDPC và STF cùng mức phân tp 6488 Hình 5.23: So sánh h thng MIMO-OFDM khi điu ch BPSK 89 Hình 5.24: So sánh h thng MIMO-OFDM khi điu ch 4QAM 90 Hình 5.25 H thng MIMO mã hóa Alamouti 2 anten phát 2 anten thu [28] 91 Hình 5.26: So sánh h thng MIMO-OFDM khi điu ch QPSK 91 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang xiv DANH SỄCH CỄC BNG BNG TRANG Bng 5-1: Mã LDPC 71 Bng 5-2: H thng MIMO ậ cha mư hóa 72 Bng 5-3: H thng MIMO-OFDM - cha mư hóa 74 Bng 5-4: H thng MIMO-OFDM mã hóa SF 78 Bng 5-5 H thng MIMO-OFDM - mã hóa STF 80 Bng 5-6 H thng MIMO-OFDM - mã hóa LDPC và mã STF 84 Bng 5-7: So sánh gia các h thng MIMO-OFDM khác nhau. 89 GVHD: PGS.TS Phm Hng Liên HVTH: Nguyn Đức Phúc Trang 1 Chng 1. TNG QUAN 1.1 Đặt vn đ Th gii con ngi đang trong k nguyên của thông tin và đc mi ngi truy cp hằng ngày. Đa s các thit b mà mi ngi s dng đu s dng mng không dây đ truyn d liu nh k thut Wifi, 3G, 4G, ầ Trong đó k thut làm cách nào đ có đ tin cy ti đa khi truyn không dây đòi hi nhiu k thut rt phức tp. Các tin b của k thut truyn thông không dây gn đây của th gii đư làm gia tăng dung lng của kênh truyn rt nhiu, đng thi tăng đ tin cy của h thng không ngừng gia tăng. Vic s dng các b mư sa li mnh nh mưkim tra chẵn lẻ mt đ thp(LDPC), kt hp các k thut phân tpđc s dng rng rưi đ gim nh hng của fading đa đng và ci thin đ tin cy của truyn dn mà không phi tăng công sut phát hoặc m rng băng thông. 1.1.1 Mã LDPC(Low Density Parity Check) Mã kim tra chẵn lẻ mt đ thp[1] (LDPC) đư đc chứng minh tin rt gn gii hn Shannon. Mt phm vi rng trong các h thng thông tin mi nht và h thng lu tr đư chn mã LDPC làm mã sa sai (FEC) trong các ứng dng bao gm truyn hình qung bá k thut s (DVB-S2, DVB-T2), Ethernet 10 Gigabit (10GBASE-T), truy cp không dây băng thông rng (WiMax), mng cc b không dây (WiFi), thông tin không gian sâu (deep-space) và lu tr từ trng trong  đĩa cứng. Vic áp dng mã LDPC, ít nht v lý thuyt, là chìa khóa đ đt đc thông tin tin cy hơn. 1.1.2 MIMO-OFDM Các h thng thông tin không dây luôn đc nghiên cứu nhằm ci thin cht lng dung lng cũng nh kh năng chng li hin tng đa đng. Đi vi các h thng thông tin truyn thng cht lng tín hiu có th ci thin bằng cách tăng công sut, dung lng truyn h thng có th tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên [...]... vƠo h th ng MIMO- OFDM 1.2 M c tiêu đ tài Xây dựng m t công c đ so sách cho thi t lặp đ ng truy n không dây có và không có s d ng mã LDPC và mã STF trong các h th ng MIMO- OFDM 1.3 Nhi m v nghiên c u và gi i h n c a đ  Nghiên cứu mã hóa và gi i mã mã LDPC  Thi t k và gi i mã SFC, STFC trong h th ng MIMO- OFDM  Mô ph ng k t qu của từng lo i mã trong h th ng MIMO- OFDM r i k t h p v i mã LDPC bằng ph... =1 � −1 (2.6) ng n i đ n các node ki m tra và ký hi uc pnode ki m tra l n nh t �( ) = 0.8 Đ i v i ví d + 0.2 và �( ) = 0.6 trong hình 2.2, các đa thức mức phân ph i t ơng ứng là 2 3 + 0.4 4 2.3 Mã hóa mã LDPC Mặc dùcó nhi u u đi m, mã hóa mã LDPC có th là m t tr ng i cho các ứng d ng th ơng m i, vì chúngcóđ phức t p mã hóa cao và sự tr mã hóa Vi c mã hóa mã LDPC v cơ b n bao g m hai công vi c : - Xây... ơng phápmư hóa hi u qu cho mã LDPC và các ph ơng pháp gi i mã lặpcho m LDPC có đ phức t p gi i mã th p 2.2 Khái ni m c b n v mã LDPC 2.2.1 Đ nh nghƿa mƣ LDPC Mã LDPC là mã kh i tuy n tính có th ( , , ), trong đó là chi u dài của từ mã, đ c ký hi u là ( , ) hoặc là chi u dài của các bit thông tin, là tr ng s c t(là s ph n t khác không trong m t c t của ma tr n ki m tra chẵn lẻ) và là tr ng s hàng (là s... vào năm 1963 rằng mã LDPC thích h p cho gi i thu t gi i mã lặp Tuy nhiên, mã LDPC b lưng quên trong hơn 30 năm, vì sự h n ch của ph n cứng c n thi t và năng lực tính toán t i th i đi m đó không th đáp ứng các yêu c u c n thi t cho quá trình mã hóa.V i năng lực tính toán ngày càng đ LDPC đư đ c c i thi n và sự phát tri n của các lý thuy t liên quan, mã c tái phát hi n b i Mackay và Neal vào nh ng năm 1990... không đ i - S ‘l’ gi a hai c tb t kỳ không l n hơn 1 tr nH Thông th và là các s r t nh so v i chi u dài mã ng, t c đ mã của mã LDPC là � = 1 − và s hàng trong ma / 2.2.3.2 Mã LDPC b t quy t c Mã LDPC g i là b t quy t c n u s ‘1’ trong các c t và các hàng thay đ i cho m t ma tr n ki m tra chẵn lẻ .Mã LDPC b t quy t c có nh h lý thuy t mã hóa k từ khi nó đ ng quan tr ng trong c nh n th y rằng chúng có... 2.5 Tóm t t Mã ki m tra chẵn lẻ m t đ th p (LDPC) là m t h của mã s a sai (ECC) kh i tuy n tính Chúng có m t cơ ch gi i mư đơn gi n và cho th y hi u su t r t t t trong truy n d li u Mã LDPC có nhi u u đi m so v i các lo i mã mã hóa kênh khác Trang 15 GVHD: PGS.TS Ph m H ng Liên HVTH: Nguy n Đức Phúc Chẳng h n nh , mư LDPC có th s d ng gi i mã quy t đ nh cứng hoặc m m M t u đi m khác của mã LDPC là mô... bằng tham s b i các đa thức �( ) và các mã có quy t c Từ đó, nhi u lo i mã b t quy t c khác nhau đư đ �( ): Mã LDPC b t quy t c có th đ � � = =2 � = =2 −1 � −1 c phát tri n (2.3) (2.4) Trang 9 GVHD: PGS.TS Ph m H ng Liên HVTH: Nguy n Đức Phúc Trong đó, � ( ) và �i ( ) là các đ node bi n thứ ; ngph thu c vàocác node ki m tra và các là s node ki m travà s node bi n t ơng ứng và 2.2.3.3 M c phân ph i (degree... lý thuy t và mô ph ng k t qu tính toán bằng ph n m m c và qu c t Matlab - T ng h p vi t báo cáo Trang 4 GVHD: PGS.TS Ph m H ng Liên HVTH: Nguy n Đức Phúc ng 2 T NG QUAN B Ch Mĩ LDPC 2.1 Gi i thi u Mã ki m tra chẵn lẻ m t đ th p[1] (LDPC) là mã s a saithu c l p mã kh i tuy n tính cho hi u su t ti n g ngi i h n Shannon.Chúng đ c phát minh b i Robert Gallager vào năm 1963 Gallager đư phát bi u vào năm 1963... u đi m n i b t của h th ng MIMO và k thu t OFDM[ 6], vi c k t h p h th ng MIMO và k thu t OFDM hi n đang là m t gi i pháp đ y hứa hẹn cho h th ng thông tin không dây băng r ng t ơng lai Và hi n t i MIMO- OFDM đang đ c ứng d ng trong WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 H th ng MIMO- OFDM là m t trong nh ng gi i pháp đ đ c quan tâm và đư c ch p nh n nh là sơ đ truy n d n không dây cho h u h t các th h k ti... ti n b l n trong vi c nghiên cứu mã LDPC Mã LDPC g n đây đư tr thành m t chủ đ nghiên cứu nóng b i vì các tính ch t v t tr i của chúng Mư LDPC đ Turbo, đặc bi t là khi đ c xem là đ i thủ c nh tranh m nh v i mã c s d ng trong kênh truy n fading Ch ơng này trình bày nh ng v n đ cơ b n v mã LDPC B t đ u v i các khái ni m v mư LDPC, cũng nh ph ơng pháp bi u di n, phân lo i và mức đ phân ph i Sau đó, trình . 5.18: H thng MIMO- OFDM mư hóa LDPC và STF thay đi anten phát 85 Hình 5.19: H thng MIMO- OFDM mư hóa LDPC và STF thay đi anten thu 86 Hình 5.20: H thng MIMO- OFDM mư hóa LDPC và STF phân tp. thng MIMO- OFDM. 1.3 Nhim v nghiên cu và gii hn ca đ  Nghiên cứu mã hóa và gii mã mã LDPC  Thit k và gii mã SFC, STFC trong h thng MIMO- OFDM.  Mô phng kt qu của từng loi mã. 0.4 4 . 2.3 Mã hóa mã LDPC Mặc dùcó nhiu u đim, mã hóa mã LDPC có th là mt tr ngi cho các ứng dng thơng mi, vì chúngcóđ phức tp mã hóa cao và sự tr mã hóa. Vic mã hóa mã LDPC v