Đánh giá chất lượng mã khối không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM

Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vi HVTH: Vũ Văn Quang TÓM TT OFDMăđemăli nhng liăíchănhăhiệu qu s dng phổ và thích hp cho truyền dn tcăđ caoătrênăkênhăfadingăđaăđng. Hệ thng MIMO có thể tĕngăđ li phân tp, hoặcăđ liădungălng trên các kênh truyền fading phẳng. Đi vi truyền dn tcăđ cao, kênh MIMO chọn lọc tn s (fading không phẳng) có thể chuyển sang mt tp các kênh con fading phẳng bằng cách kt hp gia MIMO và kỹ thut OFDM,ăđiều này có thể gimăđ phức tp của b thu và có thể gii quytăđc vn đề fadingăđaăđng mt cách hiệu qu. Hệ thng MIMO-OFDM hiệnănayăđƣă đc chp nhn nhă lƠămt tiêu chuẩn truyền dn tcăđ cao, mang li hiệu qu và chtălng dịch v tt cho các hệ thng vô tuynăbĕngă rng  các th hệ tngălai. Hệ thng MIMO-OFDM vi mã hóa khi không gian-thi gian (STBC) có kh nĕngăchng li nhăhng của các hiện tng nhăđaăđng, fading chọn lọc tn s mt cách ht sức hiệu qu.ăHnăth, tỉ s SER đtăđc là nh và đ phức tp mã hóa thp. LunăvĕnănƠy tp trung nghiên cứu việc mã hóa, gii mã khi không gian-thi gian (STBC), mã không gian-tn s (SFC), mã không gian-thi gian-tn s (STF), mô hình hệ thng MIMO-OFDM. Sau cùng việc mô phng các mô hình hệ thng MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF s đc xây dựng và phân tích chtălngădiămôiătrng truyền dn fading Rayleigh. Các kt qu mô phng chỉ ra rằng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC đƣăđt đc hiệu qu BER ttă hnăhệ thng MIMO-OFDM khi không s dng mã hóa STBC. Kt qu mô phngăđƣăchứngămìnhăđc kh nĕngăkiểm soát li của hệ thng khi s dngămƣăSTFăđc ci thiệnăhnăso vi mã STBC và SFC. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vii HVTH: Vũ Văn Quang ABSTRACT The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for high-data-rate transmission over a multi-path fading channel. MIMO systems may be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a capacity gain in flat fading channels. For high-data-rate transmission, the frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the multi-path fading efficiently. MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next generation broadband wireless communication systems. MIMO-OFDM system with space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is low. The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes, MIMO, and MIMO-OFDM system models. Finally, simulation model of MIMO, MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances under Rayleigh fading channel is analyzed. The simulation results show that the MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system without STBC in BER performance. By the simulation results, we have demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes was improved more than the system which used STBC and SFC codes. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên viii HVTH: Vũ Văn Quang MC LC QUYTăĐịNHăGIAOăĐề TÀIầầầầầầầầầầầầầầầ ầầầầầ i LÝ LịCH KHOA HọCầầầầầầầầầầầầầầầầầầ ầầầầ ii LIăCAMăĐOANầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ iii CMăN v TÓM TT LUNăVĔN vi ABSTRACT vii MC LC viii DANH SÁCH CÁC CH VIT TT xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH xvi DANH SÁCH CÁC BNG xviii CHNG 1 GII THIU TNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnhăvực nghiên cứu, các kt qu trongăvƠăngoƠiăncăđƣă công b 1 1.2 ụănghĩaăkhoaăhọc của đề tài 3 1.3 Mcăđíchăcủaăđề tài 4 1.4 Nhiệm v củaăđề tài và gii hnăđề tài 5 1.5 Phngăphápănghiênăcứu 5 CHNG 2 KÊNH TRUYN VÔ TUYN 6 2.1 Khái niệm kênh vô tuyn [3][10] 6 2.2 Fading suy gim diện rng [2][10] 6 2.3 Fading diện hẹp [2][10] 6 2.3.1 Hiệnătngăđaăđng (multipath) 7 2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler 7 2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 8 2.3.4 Phân loi Fading diện hẹp 8 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ix HVTH: Vũ Văn Quang 2.4 Các mô hình kênh fading 9 2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh 9 2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean 10 2.4.3 Mô hình fading chọn lọc tn s 10 2.5 Kt lun 11 CHNG 3 K THUT ĐIU CH ĐA SịNG MANG TRC GIAO OFDM 12 3.1 Gii thiệu 12 3.2 Mô hình hệ thng 13 3.3 Mt s uăkhuytăđiểm chính của kỹ thut OFDM 18 3.3.1 uăđiểm 18 3.3.2 Khuytăđiểm 18 3.4 Kt lun 19 CHNG 4 H THNG NHIU ANTEN MIMO 20 4.1 Gii thiệu 20 4.2 Các kỹ thut Phân tp 20 4.3 Mô hình hệ thng MIMO 22 4.4 Dungălng hệ thng 23 4.5 Kt lun 25 CHNG 5 Mà HÓA TRONG H THNG MIMO-OFDM 26 5.1 Gii thiệu [3] 26 5.2 Mã khi không gian thi gian (STBC) 26 5.2.1 Mt s tiêu chuẩn về mã khi không gian-thi gian 27 5.2.2 Săđ Alamouti 28 5.3 Gii mã STBC 29 5.4 Mã Khi không gian ậthi gian trực giao (OSTBC) 32 5.4.1 Mt s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực 32 5.4.2 Mt s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34 5.5 Mã không gian-tn s SFC 35 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên x HVTH: Vũ Văn Quang 5.5.1 Gii thiệu 35 5.5.2 Thit k mã SF tcăđ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] 36 5.6 Mà KHÔNG GIAN-THI GIAN-TN S STFC [14],[16] 37 5.6.1 Gii thiệu 38 5.6.2 Thit k mã STF tcăđ 1 (STF-rate ) 38 5.7 Kt lun 39 CHNG 6 S Đ H THNG STBC-MIMO-OFDM 41 6.1 Mô hình hệ thng MIMO mã hóa STBC 41 6.1.1 Hệ thng hai Anten phát, mt anten thu 41 6.1.2 Hệ thng hai Anten phát, hai anten thu 43 6.2 Hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 44 6.2.1 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM 44 6.2.2 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 47 6.2.3 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa SFC 54 6.2.4 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STFC 55 CHNG 7 KT QU MÔ PHNG TRÊN MATLAB 58 7.1 S đ mô phng 54 7.2 Các kt qu mô phngădungălng 54 7.3 Các kt qu mô phng hệ thng SISO, SIMO, MISO, MIMO 57 7.4 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM 62 7.5 Mô phng hệ thng MIMO mã hóa STBC 68 7.6 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 74 7.7 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa SF 76 7.7.1 SF-rate 1 76 7.7.2 SF-rate N 81 7.8 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STF 83 7.8.1 STF-rate1 91 7.8.2 STF-rate N 91 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xi HVTH: Vũ Văn Quang 7.8.3 Mô phng hệ thng MIMO mã hóa vi mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và STFC-rate 1&2 92 Chng 8 KT LUN VÀ KIN NGH 93 8.1 Kt lun 103 8.2 Các kin nghị 104 TÀI LIU THAM KHO 105 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xii HVTH: Vũ Văn Quang DANH SÁCH CÁC CH VIT TT Vit tt Ting Anh Ting Vit AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trng BER Bit Error Rate Tỉ lệ bit li CP Cyclic Prefix Tiền t lặp (Khong bo vệ) CSI Channel State Information Thông tin trng thái kênh truyền DFT Discrete Fourier Transform Binăđổi Fourier ri rc DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình s FFT Fast Fourier Transform Binăđổi fourier nhanh ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Binăđổi ngc fourier ri rc IFFT Inverse Fast Fourier Transform Binăđổiăngc fourier nhanh ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự LP Linear Precoded Tiền mã hóa tuyn tính LOS Light Of sight Tm nhìn thẳng MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MISO Multiple Input Single Output Nhiều ngõ vào mt ngõ ra ML Maximum Likelihood Tngăđng tiăđa MMSE Minimum Mean Square Error Liăbìnhăphngătrungăbìnhănh nht MRC Maximum Ratio combination Kt hp tỉ s cựcăđi NLOS Non Light Of Sight Không có tm nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tn s trực giao P/S Parallel to Serial Chuyểnăđổi song song sang ni tip PDF Probability Density Function Hàm mtăđ xác sut QAM Quadrature Amplitute Điều ch biênăđ vuông Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiii HVTH: Vũ Văn Quang Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều ch pha vuông SER Symbol Error Rate Tcăđ li ký tự SFC Space Frequency Code Mã không- gian tn s SIMO Single Input Multiple Output Mt ngõ vào nhiều ngõ ra SISO Single Input Single Output Mt ngõ vào mt ngõ ra SNR Signal to Noise Ratio Tỉ s tín hiệu trên nhiễu S/P Serial to Parallel Chuyển ni tip sang song song STBC Space-Time Block Code Mã khi không gian-thi gian STFC Space-Time-Frequency Code Mã khi không gian-thi gian-tn s STTC Space-Time Trellis Code Mã xon không gian-thi gian Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiv HVTH: Vũ Văn Quang DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Mô hình kênh truyềnăđaăđng[18] 7 Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler 7 Hình 3.1: Săđ khi hệ thngăOFDMăcăbn 13 Hình 3.2: Khái niệm CP 15 Hình 4.1: Săđ nguyên lý của hệ thng MIMO [17] 23 Hình 4.2: Mô hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO 24 Hình 5.1: Ma trn mã STBC. 27 Hình 5.2:ăSăđ khi mã hóa ST Alamouti 28 Hình 5.3: B thuăchoăsăđ Alamouti 29 Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] 36 Hình 5.5: Căch truyền mã STF 38 Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N 38 Hình 6.1: Săđ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] 42 Hình 6.2: Săđ mã STBC vi hai anten phát và hai anten thu [19] 43 Hình 6.3: Mô hình hệ thng MIMO-OFDM 45 Hình 6.4: Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 48 Hình 6.4: Mô hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu 53 Hình 7.1: Săđ mô phng hệ thng MIMO-OFDM 59 Hình 7.2: Mô phngădungălng hệ thng 60 Hình 7.3: Mô phngădungălng Ergodic 60 Hình 7.4: SER của các hệ thng SISO, SIMO, MISO, MIMO 63 Hình 7.5: SER của các hệ thngăSISO,ăMISOă(thayăđổi s anten phát) 64 Hình 7.6: SER của các hệ thngăMISO,ăMIMOă(thayăđổi s anten thu) 64 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xv HVTH: Vũ Văn Quang Hình 7.7: SER của các hệ thng có cùng mức phân tp (không mã hóa) 65 Hình 7.8: SER của hệ thng MIMO-OFDMăthayăđổi s anten phát 67 Hình 7.10: MIMO-OFDM ậ SERăkhiăthayăđổi L 69 69 Hình 7.11: MIMO-OFDM ậ SER cung mức phân tp (không mã hóa) 69 Hình 7.12: SER của hệ thng MIMO-STBCătĕngăs anten phát 71 Hình 7.13: SER của hệ thng MIMO-STBCăkhiăthayăđổi s anten thu 72 Hình 7.14: SER của hệ thng MIMO-OFDM vi MIMO-STBC-G2 73 Hình 7.15 : SER của hệ thng MIMO-OFDM vi MIMO-STBC-G4 73 Hình 7.16a: BER của hệ thng MIMO-OFDM-STBC phân tp phát 75 Hình 7.16b: BER của hệ thng MIMO-OFDM-STBC phân tp thu 75 Hình 7.17: BER của hệ thng MIMO-OFDM, MIMO-STBC, 76 MIMO -OFDM-STBC 76 Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậ SERăkhiătĕngăs anten phát 79 Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậ SERăkhiătĕngăs anten thu 79 Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậtĕngăđng phân tp. 80 Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ SERăkhiătĕngăs anten thu 82 Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ Phân tp tn s 83 Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ cùng mức phân tp. 83 Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp phát 85 Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp thu 86 Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp thi gian 86 Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp tn s 87 Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậcùng mức phân tp 87 Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân tp thu 89 Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân tp thi gian 89 Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân tp tn s 90 Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER cùng mức phân tp 90 Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 91 [...]...Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM Hình 7.34: MIMO -mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 .92 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvi HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM DANH SÁCH CÁC B NG B NG TRANG B ng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thi t k toàn... ng 7.22: So sánh hệ th ng MIMO- OFDM -SFC BER= 103 dB 82 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvii HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM B ng 7.24: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_ OFDM- SFC t căđ 1 84 B ng 7.25: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_ OFDM- SFC t căđ N .88 B ng 7.26: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO mã hóa STBC, SFC,... Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM 1.4 Nhi m v của đ tài và gi i h n đ tài Đề tài t p trung nghiên cứu về mã kh i không gian- th i gian (STBC), về các hệ th ng k t h p MIMO- OFDM và hệ th ng k t h p MIMO- OFDM dựa trênăc ăs mã hóa STBC - T p trung mô ph ng, phân tích và so sánh các k t qu đ tăđ và SER trong từngătr - Các tr c về dungăl... năđề h t sức c n thi t Chính vì l đóă tôi quy tăđịnh chọnăđề tƠiăắ đánh giá ch tăl ng mã STBC cho hệ th ng MIMO- OFDM ” 1.3 M c đích của đ tài - Kh o sát mã kh i không gian- th i gian STBC, SFC, STFC trong hệ th ng MIMO, MIMO- OFDM - Mô ph ng k t qu bằng ph n mềm Matlab ứng v i từngătr ng h p: hệ th ng MIMO, MIMO- OFDM, MIMO- STBC, MIMO- OFDM- STBC/SFC/STFC V đ thị tỷ s l i ký tự (Symbol Error Rate-SER)ăt... hệ th ng MIMO- OFDM mã hóa STBC t i BER= 103 dB 76 B ng 7.17: So sánh hệ th ng MIMO- OFDM, MIMO- STBC và MIMO- OFDM mã hóa STBC t i BER= 103 dB .77 B ng 7.18: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_ OFDM- SFC t căđ 1 78 B ng 7.19: So sánh hệ th ng MIMO- OFDM -SFC BER= 103 dB 80 B ng 7.20: So sánh hệ th ng MIMO- OFDM -SFC BER= 103 dB 80 B ng 7.21: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_ OFDM- SFC... HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM Ch ng 4 H TH NG NHI U ANTEN MIMO 4.1 Gi i thi u[2] Hệ th ng MIMO (multiple input multiple output) hiệnă đangă đ r ng rãi trong các hệ th ng thông tin liên l c V iăýăt ng s d ng nhiều anten phát và nhiều anten thuă để truyền đ ng th i d liệu, hệ th ngă MIMO đƣă đ v i m că đíchă làm tĕngă... i gian: Phân t p th i gian đ c thực hiện bằng cách phát nhiều b n tin gi ng nhau t i các khe th iă gian khácă nhau,ă doă đóă b thu s thuă đ GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 21 c các tín hiệuă không t ngă HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM quan về fading Kho ng th i gian phân cách gi a các l n phát là ph i l năh n th i gian. .. biệt là công nghệ VLSI, kỹ thu t ghép kênh phân chia theo t n s trực giao (OFDM) ăđƣăvƠăđangăđ c quan tâm nhiềuăh n,ăứng d ng nhiềuăh n trong việc c i GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 1 HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM thiện hiệu qu bĕngăthôngăcho hệ th ng vô tuy n fading là kênh fading phẳngă (flată fading),ă ph gian (ST)ăđƣăđ... Trang 14 HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO- OFDM Để ch ng l i tr i trễ do hiệnăt miền th i gian x  m  đ cùngăvƠădánăvƠoăphíaătr ng đaăđ ng trong các kênh vô tuy n, các m u c m r ng tu n hoàn bằng cách sao chép Ng m u cu i cănh trong hình 3.2 Hình 3.2: Khái niệm CP Đặt u  m  lƠăsymbol OFDM đ c m r ng tu n hoàn   u  mN tot ... của OFDM N u s d ng k t h p v iăđiều ch vi sai thì không c n ph i thực hiệnăquáătrìnhă căl OFDM ít bị nhă h ng kênh ng v i kho ng th i gian l y m u (sample timing offsets) h năsoăv i hệ th ngăđ năsóngămang OFDM chịuăđựng t t nhiễu xung v i và nhiễu xuyên kênh k t h p GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 18 HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống . 32 5.4.2 Mt s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34 5.5 Mã không gian- tn s SFC 35 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS. tcăđ N 81 Bng 7.22: So sánh hệ thng MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10  dB 82 Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM GVHD: PGS.TS Phạm Hồng. tp mã hóa thp. LunăvĕnănƠy tp trung nghiên cứu việc mã hóa, gii mã khi không gian- thi gian (STBC), mã không gian- tn s (SFC), mã không gian- thi gian- tn s (STF), mô hình hệ thng MIMO-OFDM.