Nghiên cứu kỹ thuật STBC OFDM trong thông tin di động

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT STBC-OFDM TRONG THÔNG TIN ĐI ĐỘNG Người thực : Lớp : Người hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Tuấn NỘI DUNG Điện Tử Viễn Thông GIỚI THIỆU Kỹ thuật OFDM Kỹ thuật STBC STBC - OFDM Kết mô GIỚI THIỆU Điện Tử Viễn Thông  Trong thông tin di động: Fading lựa chọn tần số gây trở ngại lớn việc truyền tín hiệu vô tuyến - Fading làm giảm tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) làm tăng tốc độ lỗi bit (BER) - Kênh truyền lựa chọn tần số, trải trễ đa đường … gây nhiễu liên ký tự (ISI)  OFDM với khoảng bảo vệ đủ dài loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI có khả hạn chế fading lựa chọn tần số  Kỹ thuật phân tập phát (Transmitter diversity) thực hấp dẫn, đặc biệt cho thiết bị thu di động cầm tay, nơi mà kích thước vật lý thiết bị phải hạn chế STBC đạt gần tối ưu độ lợi phân tập phát Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao)  OFDM = Orthogonal FDM  Ý tưởng bản: chia băng thông kênh truyền thành nhiều kênh để giảm nhiễu ISI fading lựa chọn tần số  Truyền đa sóng mang: sóng mang trực giao miền tần số Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông Trực giao OFDM  TRỰC GIAO – đỉnh tín hiệu trùng với điểm không tín hiệu khác  Về mặt toán học, công thức biểu diễn tính trực giao sau: 1, i = j ∫0 xi (t ) x (t )dt = 0, i ≠ j Ts * j  Khoảng cách sóng mang n/Ts (n số nguyên) f2 f1 f0 Duration TS 1/TS f0 f1 f2 f Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông Sơ đồ khối hệ thống OFDM Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông Chuyển đổi nối tiếp → song song  Việc chia toàn băng thông kênh truyền thành nhiều kênh băng hẹp, đáp ứng tần số kênh riêng lẽ tương đối phẳng => hạn chế fading lựa chọn tần số Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông Điều chế tín hiệu Hai loại điều chế thường sử dụng OFDM : - Khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) - Điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation) M-PSK Ta xét M-PSK với tín hiệu thiết lập là: s (t ) = 2Es 2π (i − 1)   cos 2πf c t +  Ts M   ≤ t ≤ Ts , Pha tạo thành M giá trị : θi = 2π (i −1) / M , i = 1,2, , M Sơ đồ cho 8-PSK Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông IFFT FFT  IFFT: Inverse Fast Fourier Transform – phép biến đổi ngược Fourier nhanh  Các thuật toán IFFT FFT phép biến đổi nhanh IDFT DFT  Xét dòng liệu X = [ X0, X1, … , XN-2, XN-1 ] Xk = Ak + jBk phép biến đổi IDFT khối phát thực sau: xn = N N −1 ∑ X k e k =0 j 2π kn N = N N −1 j 2πf k t n X e ∑ k k =0 Với fk=k/(N.Δt), tn = n.Δt Δt thời gian ký tự dòng liệu nối tiếp xn Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông Chèn khoảng bảo vệ TS = TG + TFFT Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông STBC: Space-Time Block Coding (mã hóa khối không gian-thời gian) Một thuật toán mã hóa không gianthời gian đơn giản, đề xuất Siavash M Alamouti báo mang tính bước ngoặt ông tháng 10 năm 1998 – “A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communication”, cung cấp phương pháp đơn giản để đạt phân tập không gian với việc dùng anten phát anten thu Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông Kênh truyền thời gian t mô hình hóa h1(t) cho anten phát thứ h2(t) cho anten phát thứ 2: h1 (t ) = h1 (t + T ) = h1 = α 1.e jθ1 h2 (t ) = h2 (t + T ) = h2 = α e jθ Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông  Tín hiệu thu khe thời gian thứ khe thời gian thứ hai là: r1 =h1c1 +h2 c2 +n1 r2 =−h1c2* +h2 c1* +n2 Trong n1 n2 biểu diễn nhiễu Gauss trắng cộng tương ứng khe thời gian t t+T  Tín hiệu ước lượng tính sau: ( =(h ~ c1 = h1 + h2 ~ c 2 + h2 )c + h n + h n )c − h n + h n * 1 * 2 * * STBC­OFDM Điện Tử Viễn Thông Sơ đồ khối hệ thống STBC-OFDM biểu diễn sau: Chúng ta đưa khối có độ dài K sau vào mã hóa không gian-thời gian STE : X1 =[ X1[0], X1[2], , X1[K - 1] ]T X =[X [0], X [2], , X [K - 1] ]T STBC­OFDM Điện Tử Viễn Thông Sau STE thực khối sau: Mỗi luồng STBC trước hết chuyển đổi nối tiếp thành K luồng song song hay kênh (K sub-channels) Nguyên tắc mã hóa phương trình biểu diễn cho sóng mang thứ k sau S1,1[k] S1,2 [k]  E[k] =  = S2,1 [k] S2,2 [k]  X1[k] - X *2 [k]   * X [k] X [k]   STBC­OFDM Điện Tử Viễn Thông Cấu hình khối phát Tx: TEXT TEXT TEXT STBC­OFDM Điện Tử Viễn Thông Sau loại bỏ CP tín hiệu thu y(t) thực FFT giải điều chế tín hiệu sóng mang thứ k cho bởi: Yt [k ] = N =2 ∑S n =1 n ,t [k ].H n ,t [k ] + Z t [k ] Với Hn,t [k] đáp ứng tần số kênh truyền từ anten phát n tới anten thu suốt khe thời gian t Zt[k] nhiễu lấy mẫu miền tần số Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô tín hiệu OFDM So sánh BER tín hiệu OFDM có chèn CP không chèn CP So sanh BER tin hieu OFDM co CP va khong co CP 10 Co chen CP Khong chen CP -1 Bit Error Rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 20 Eb/No, dB 25 30 35 Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô hệ thống Alamouti STBC với phát ,1 thu BER cho DieuChe BPSK voi Alamouti STBC nTx=1,nRx=1 nTx=1,nRx=2,MRC nTx=2,nRx=1,Alamouti -1 Bit Error Rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 Eb/No, dB 20 25 Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô hệ thống STBC với anten thu BER cho DieuChe BPSK voi 2Tx,2Rx Alamouti STBC nTx=1,nRx=1 nTx=1,nRx=2,MRC nTx=2,nRx=1,Alamouti nTx=2,nRx=2, Alamouti -1 Bit Error Rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 Eb/No, dB 20 25 Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô hệ thống STBC-OFDM BER cho DieuChe 4-QAM voi MRC va Alamouti tren kenh Rayleigh 10 nTx=1,nRx=1 nTx=1,nRx=2,MRC nTx=1,nRx=4,MRC nTx=2,nRx=1,Alamouti nTx=2,nRx=2,Alamouti -1 10 Bit Error Rate -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 10 15 SNR (dB) 20 25 Kết luận Điện Tử Viễn Thông  OFDM với ưu điểm vượt trội sử dụng băng thông hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI, chống lại fading lựa chọn tần số chứng tỏ vai trò quan trọng hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao  Kỹ thuật mã hóa khối không gian-thời gian STBC có khả mở rộng vùng phủ sóng, hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao độ lợi phân tập mà không cần tăng công suất phát hay băng thông ⇒ Việc kết hợp kỹ thuật STBC OFDM giải pháp hứa hẹn cho hệ thống vô tuyến băng rộng tương lai WiMAX, LTE … [...]... anten thu Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông Kênh truyền tại thời gian t có thể được mô hình hóa bởi h1(t) cho anten phát thứ 1 và h2(t) cho anten phát thứ 2: h1 (t ) = h1 (t + T ) = h1 = α 1.e jθ1 h2 (t ) = h2 (t + T ) = h2 = α 2 e jθ 2 Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông  Tín hiệu thu được trong khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai là: r1 =h1c1 +h2 c2 +n1 r2 =−h1c2* +h2 c1* +n2 Trong đó n1... ]T STBC OFDM Điện Tử Viễn Thông Sau đó STE thực hiện trong các khối như sau: Mỗi luồng STBC trước hết được chuyển đổi nối tiếp thành K luồng con song song hay kênh con (K sub-channels) Nguyên tắc mã hóa trong phương trình trên có thể được biểu di n cho sóng mang con thứ k như sau S1,1[k] S1,2 [k]  E[k] =  = S2,1 [k] S2,2 [k]  X1[k] - X *2 [k]   * X [k] X [k] 1  2  STBC OFDM Điện Tử Viễn Thông. . .Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông STBC: Space-Time Block Coding (mã hóa khối không gian-thời gian) Một thuật toán mã hóa không gianthời gian đơn giản, được đề xuất bởi Siavash M Alamouti trong một bài báo mang tính bước ngoặt của ông tháng 10 năm 1998 – “A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communication”, cung cấp một phương... (dB) 20 25 Kết luận Điện Tử Viễn Thông  OFDM với những ưu điểm vượt trội như sử dụng băng thông hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI, chống lại fading lựa chọn tần số đang chứng tỏ được vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao  Kỹ thuật mã hóa khối không gian-thời gian STBC có khả năng mở rộng vùng phủ sóng, hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, nâng cao độ lợi... Viễn Thông  Mô phỏng tín hiệu OFDM So sánh BER giữa tín hiệu OFDM có chèn CP và không chèn CP So sanh BER tin hieu OFDM co CP va khong co CP 0 10 Co chen CP Khong chen CP -1 Bit Error Rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 0 5 10 15 20 Eb/No, dB 25 30 35 Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô phỏng hệ thống Alamouti STBC với 2 phát ,1 thu BER cho DieuChe BPSK voi Alamouti STBC nTx=1,nRx=1 nTx=1,nRx=2,MRC... Eb/No, dB 20 25 Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô phỏng hệ thống STBC với 2 anten thu BER cho DieuChe BPSK voi 2Tx,2Rx Alamouti STBC nTx=1,nRx=1 nTx=1,nRx=2,MRC nTx=2,nRx=1,Alamouti nTx=2,nRx=2, Alamouti -1 Bit Error Rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 0 5 10 15 Eb/No, dB 20 25 Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông  Mô phỏng hệ thống STBC- OFDM BER cho DieuChe 4-QAM voi MRC va Alamouti tren kenh Rayleigh... TEXT STBC OFDM Điện Tử Viễn Thông Sau khi loại bỏ CP tín hiệu thu được y(t) và thực hiện FFT giải điều chế các tín hiệu trong sóng mang con thứ k được cho bởi: Yt [k ] = N =2 ∑S n =1 n ,t [k ].H n ,t [k ] + Z t [k ] Với trong đó Hn,t [k] là đáp ứng tần số kênh truyền từ anten phát n tới anten thu trong suốt khe thời gian t và Zt[k] là nhiễu lấy mẫu trong miền tần số Kết quả mô phỏng Điện Tử Viễn Thông. .. =h1c1 +h2 c2 +n1 r2 =−h1c2* +h2 c1* +n2 Trong đó n1 và n2 biểu di n nhiễu Gauss trắng cộng tương ứng tại khe thời gian t và t+T  Tín hiệu ước lượng được tính như sau: ( =(h 2 ~ c1 = h1 + h2 2 ~ c 2 2 1 2 + h2 )c + h n + h n )c − h n + h n 1 2 * 1 1 1 * 2 2 * 2 * 2 1 STBC OFDM Điện Tử Viễn Thông Sơ đồ khối hệ thống STBC- OFDM được biểu di n như sau: Chúng ta đưa 2 khối có độ dài K sau đây vào bộ mã... thuật mã hóa khối không gian-thời gian STBC có khả năng mở rộng vùng phủ sóng, hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, nâng cao độ lợi phân tập mà không cần tăng công suất phát hay băng thông ⇒ Việc kết hợp 2 kỹ thuật STBC và OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho các hệ thống vô tuyến băng rộng tương lai như WiMAX, LTE …  ...NỘI DUNG Điện Tử Viễn Thông GIỚI THIỆU Kỹ thuật OFDM Kỹ thuật STBC STBC - OFDM Kết mô GIỚI THIỆU Điện Tử Viễn Thông  Trong thông tin di động: Fading lựa chọn tần số gây trở ngại... nối tiếp xn Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông Chèn khoảng bảo vệ TS = TG + TFFT Kỹ thuật STBC Điện Tử Viễn Thông STBC: Space-Time Block Coding (mã hóa khối không gian-thời gian) Một thuật toán... tập phát Kỹ thuật OFDM Điện Tử Viễn Thông OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao)  OFDM = Orthogonal FDM  Ý tưởng bản: chia băng thông kênh