Mô phỏng hệ thống thông tin vô tuyến đa anten luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐA ANTEN Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp VINH – 2011 i : TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa : Phan Duy Tùng : 47K Điện tử viễn thông Lời nói đầu Mạng thông tin di động thê hệ thứ (3G) đưa vào thương mại hóa rộng rãi từ vài năm trước Hiện nay, công nghệ di động sau 3G tổ chức đặc biệt 3GPP quan tâm nghiên cứu triển khai giới Tại Việt Nam, kiện Viettel Telecom thử nghiệm thành công mạng 4G LTE ngày 12/5/2011, vừa qua với tốc độ lên tới 75Mbps khởi đầu cho chạy đua tiến lên 4G nhà mạng Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu cao tốc độ chất lượng đó, hệ mạng sau 3G phải có cải tiến mặt kỹ thuật so với hệ trước Một kỹ thuật quan tâm nghiên cứu, triển khai ứng dụng kỹ thuật đa anten (MIMO-Multiple Input Multiple Output) Kỹ thuật MIMO có triển vọng hệ thống di động hệ sau Bởi lẽ, không cho phép đạt hiệu sử dụng phổ tần cao mà có tính khả thi phần cứng phần mềm tiến công nghệ xử lý tín hiệu số DSP biến đổi tương tự số tốc ADC độ cao Thực tế nay, MIMO áp dụng rộng rãi cho mạng truy nhập gói tốc độ cao (HSPA), 4G LTE, mạng cục không dây (WLAN)… Với mục đích tìm hiểu sâu kỹ thuật MIMO để đánh giá tính ưu việt so với hệ thống đơn anten (SISO-Single Input Single Output) truyền thống, em chọn đề tài “Mô hệ thống thông tin vô tuyến đa anten” Do nhiều mặt hạn chế, đồng thời trình tìm hiểu, nhìn nhận vấn đề mang tính chủ quan nên đề tài không tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp Thầy cô bạn để đồ án hoàn thiện Trong trình học tập thực đồ án này, em nhận nhiều giúp đỡ từ Thầy Khoa Điện tử Viễn thông - Đại học Vinh, gia đình, bạn bè lớp đặc biệt TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Vì vậy, cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy cô, gia đình bạn ii Tóm tắt đồ án Mô hình truyền thông nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) đem lại hiệu suất sử dụng phổ vượt xa kỹ thuật truyền dẫn thông thường Dung lượng hệ thống MIMO môi trường pha-đinh Rayleigh tăng tuyến tính với số anten Trong năm gần đây, tập trung nghiên cứu đề xuất hình mẫu cho mô hình truyền thông không dây hệ môi trường truyền dẫn giàu pha-đinh Đồ án gồm chương tìm hiểu chi tiết hệ thống MIMO Chương trình bày đặc tính kênh truyền vô tuyến đặc tính suy hao, tượng pha-đinh Chương nêu mô hình kênh truyền thông không dây Phân tiếp theo, Chương đồ án trình bày kỹ thuật MIMO phổ biến Ở đầu thu, kỹ thuật phân tập thu tách sóng tín hiệu Chương trình bày kỹ thuật phân tập thu kỹ thuật tách sóng tín hiệu Còn phía phát, kỹ thuật phân tập phát mã hóa không gian-thời gian, Chương giới thiệu kỹ thuật phân tập phát kỹ thuật mã hóa khối không gian thời gian (STBC) Phần cuối đồ án, Chương tiến hành mô cho hệ thống MIMO phân tập phát không gian-thời gian, phân tập thu kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC) kết hợp tách sóng hợp lẽ tối đa (MLD) sử dụng mã STBC Các kết mô thu nhằm xác nhận đánh giá định tính dung lượng tỉ lệ lỗi bit (BER) hệ thống iii Abstract Multiple-input multiple output (MIMO) communication architecture has spectral efficiencies far beyond those offered by conventional techniques The channel capacity of the MIMO architecture in independent Rayleigh channels scales linearly as the number of antennas In recent years, it has focused to research and apply as a new paradigm for wireless communications in rich multipath environment This thesis consists of three chapters to found out detailly about MIMO system Chapter presented the basic characteristics of radio channel such as attenuation, fading This chapter also describes the models of wireless communication The next section, Chapter presented popular techniques of MIMO that has been used At receiver, it is the received diversity and signal detection techniques This chapter has presented techniques of received diversity and signal detection ones At transmit side, it is the techniques of transmit diversity and space-time coding (STC) Chapter has introduced three techniques of transmit diversity and space time block encoding (STBC) method Chapter was conducted simulations for MIMO that using space time transmit diversity combine STBC and maximum ratio combining (MRC) addition maximum likelihood detector (MLD) at receiver side The simulated results has obtained one again confirm that the capacity of MIMO increase linearly and bit error rate (BER) reduce when number of antenna increase iv Mục lục Trang 1.4.3 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Rice 21 1.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 23 1.5.1 Hệ thống SISO 23 1.5.4 Hệ thống MIMO .24 Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Mô hình kênh AWGN .3 Hình 1.2 Mô hình truyền sóng đa đường Hình 1.3 Đáp ứng tần số kênh Pha-đinh Hình 1.4 Kênh truyền thay đổi theo thời gian 10 Hình 1.5 Hàm mật độ xác suất Rayleigh Rice 12 Hình 1.6 Phân loại hệ thống thông tin không dây 13 Hình 2.1 Mô hình kênh MIMO vô tuyến Error: Reference source not found Hình 2.2 Mô hình tương đương kênh truyền SISO 18 Hình 2.3 Mô hình tương đương kênh truyền MISO .19 Hình 2.4 Mô hình tương đương kênh truyền SIMO .19 Hình 2.5 Phương pháp kết hợp chọn lọc 25 Hình 2.6 Phân phối xác suất SNR cho phương pháp SC .27 Hình 2.7 Độ lợi phân tập phương pháp kết hợp phân tập .28 Hình 2.8 Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa 29 Hình 2.9 Phân phối xác suất SNR MRC 32 Hình 2.10 Sơ đồ máy thu nhánh MRC tách tín hiệu tối ưu 34 Hình 2.11 Phẩm chất BER MRC với M nhánh phân tập, đ/chế BPSK 38 Hình 2.12 Sơ đồ MRT N nhánh phân tập có đường phản hồi 39 Hình 2.13 Sơ đồ cấu hình N nhánh phân tập phát giữ chậm 40 Hình 2.14 Mô hình phân tập không gian-thời gian 41 Hình 2.15 Sơ đồ máy phát mã STBC Alamouti 2x1 41 v Hình 2.16 Sơ đồ Alamouti với anten phát anten thu 45 Hình 2.17 Phương pháp phân kênh theo không gian 48 Hình 2.18 Phân loại tách tín hiệu MIMO-SDM 48 Hình 2.19 Sơ đồ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM 48 Hình 2.20 Phẩm chất BER tách tín hiệu cho MIMO SDM × 56 Hình 3.1 Lược độ xây dựng mô hình mô 61 Hình 3.2 Mối quan hệ sai số, độ phức tạp thời gian mô .62 Hình 3.3 Mô hình mô Monte-Carlo cho hệ thống MIMO kênh truyền pha-đinh Rayleigh 63 Hình 3.4 BER lý thuyết mô SIMO STBC ×1 điều chế BPSK 67 Hình 3.5 Phẩm chất BER MRC 1x2, SISO, MISO 2x1 68 Hình 3.6 So sánh phẩm chất BER MIMO 2x2 với MIMO 2x1 SISO 70 Hình 3.7 Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO 72 vi Danh mục bảng biểu Trang Bảng 2.1 Quy luật mã hóa không gian-thời gian Alamouti 42 Bảng 2.2 Thuật toán tách tín hiệu QR 54 Bảng 2.3 Thuật toán tách tín hiệu V-BLAST .55 Bảng 3.1 Bảng so sánh BER lý thuyết mô Alamouti 63 Bảng 3.2 Giá trị BER phương pháp SISO, MRC 2x1 .69 Bảng 3.3 Bảng so sánh giá trị BER SISO, Alamouti, MIMO 2x2 70 Bảng 3.4 Giá trị dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO 72 vii Danh mục quy ước toán học Qui ước Ý nghĩa A ( :, j ) A ( i,:) det(A) * ( g) Ma trận tạo thành từ cột thứ j ma trận A Ma trận tạo thành từ hàng thứ i ma trận A Định thức ma trận A Liên hợp phức ( g) H ( g) Ma trận chuyển vị g g Ex { f ( x)} Pr ( a ) Pr ( a | b ) Pr ( a > γ ) Giá trị tuyệt đối 2-Norm ( g) T Toán tử chuyển vị Hermitan ( f ( x ) ) x∈C Kỳ vọng x f ( x ) Xác suất a Xác suất a với điều kiện b Xác suất a > γ Giá trị nhỏ f(x) với x ∈ C max ( f ( x ) ) Giá trị lớn f(x) với x ∈ C p ( x) ∠( x) σx Hàm mật độ xác suất x Góc pha x Độ lệch chuẩn x Giá trị trung bình x Giá trị ước lượng x Giá trị trung bình x x∈C x x$ arg(x) Danh mục từ viết tắt Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3GPP Third Generation Partnership Nhóm cộng tác 3GPP Project A viii AWGN B BEP BER BPSK BS C CDF CDMA CSI E EGC F FDD FER I ISI L LOS LS LTE M MIMO MISI MLD MMSE MSE MS MRC MRT N NLOS O OTD Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gao-xơ trắng cộng Bit Error Probability Bit Rate Error Binary Phase Shift Keying Base Station Xác suất lỗi bit Tỉ lệ lỗi bit Điều chế dịch pha nhị phân Trạm gốc Cummulative Distribution Function Code Division Multiple Access Channel State Information Hàm phân bố tích luỹ Đa truy nhập phân chia theo mã Thông tin trạng thái kênh Equal Gain Combiner Bộ kết hợp đồng tăng ích Frequency Division Duplex Frame Error Ratio Song công theo tần số Tỷ lệ lỗi khung InterSymbol Interference Xuyên nhiễu ký hiệu Line Of Sight Least Square Long Term Evolution Tia nhìn thẳng Bình phương nhỏ Phát triển dài hạn Multi Input-Multi Output Multiple Input Single Output Maximum-Likelihood Detection Minimum Mean Square Error Nhiều đầu vào – nhiều đầu Nhiều đầu vào - đâu Tách tín hiệu khả cực đại Sai số trung bình bình phương Mean Square Error Mobile Station Maximum Ratio Combiner Maximum Ratio Transmit cực tiểu Sai số trung bình bình phương Máy di động Bộ kết hợp tỷ lệ cực đại Phát tỉ lệ tối đa Non-Light Of Sight Tia không thẳng Orthogonal Transmit Diversity Phân tập phát trực giao ix P PDF PEP PSK Q QAM QPSK QRD S SDM SER SIMO SISO SIC Probability Density Function Pairwise Error Probability Phase Shift Keying Hàm mật độ xác suất Xác suất lỗi cặp từ mã Điều chế dịch pha Quadrature Amplitude Modulation Quaternary Phase Shift Keying QR Decompsition Điều chế biên độ vuông góc Điều chế dịch pha bốn mức Ph.pháp phân tích QR Space Division Multiplexing Symbol Error Ratio Single Input Multiple Output Single Input Single Output Successive Interference Ghép kênh theo không gian Tỷ lệ lỗi ký hiệu Một đầu vào - nhiều đầu Một đầu vào - đầu Triệt nhiễu nối tiếp Cancellation Signal-to-Noise Ratio Space-Time Block Code Space-Time Transmit Diversity Tỷ lệ tín hiệu tạp Mã khối không gian – thời gian Phân tập phát không gian – thời STS STMLD Space-Time Spreading Space-Time Maximum Likelihood gian Trải không gian- thời gian Tách sóng hợp lý tối đa không STTC Detection Space-Time Trellis Coding gian-thời gian Mã hóa lưới không gian – thời SNR STBC STTD SVD Single Value Decoposition V V-BLAST Vertical-Bell Labs Layered Space Time gian Phân chia đơn giá trị Ph.pháp phân cực không gianthời gian Bell Labs đề xuất x Nhìn vào kết đồ thị số liệu thu Bảng 3.1 ta rút kết luận sau: - Kết mô kết lý thuyết tiệm cận khoảng Eb/No từ 0dB-22dB - Khi Eb/No > 22dB kết mô có khác biệt so với kết tính toán lý thuyết phương pháp giải tích Để đánh giá hiệu phương pháp Alamouti STBC so với phương pháp khác sử dụng số anten không mã hóa STBC, ta so sánh phẩm chất BER truyền dẫn MIMO STBC Alamouti với MRC 1× Chương trình mô AlmoutiBPSK.m Phụ lục Hình 3.5 Phẩm chất BER MRC 1x2, SISO, MISO 2x1 80 Bảng 3.2 Giá trị BER phương pháp SISO, MRC 2x1 Hệ thống SNR (dB) BER=10-1 BER=10-2 BER=10-3 BER=10-4 BER=10-5 SISO 2.5 14 24 34 44 MISO 2x1 0.5 8.5 14 19.6 25.2 MRC 1x2 -2.5 5.5 11 16.3 21.3 Dựa vào kết mô Hình vẽ 3.8 Bảng 3.2, ta rút kết luận: - Cùng mức lượng tín hiệu Eb (năng lượng phát anten Eb/N), BER phương pháp Alamouti giảm (performance tăng) số lượng anten tăng Độ lợi có độ lợi phân tập không gian-thời gian STBC Hiểu cách đơn giản, yêu cầu sai số truyền, STBC (MIMO) đòi hỏi lượng dùng SISO truyền thống (hoặc với mức lượng tín hiệu, yêu cầu sai số truyền, STBC cho phép tốc độ liệu cao SISO truyền thống) Hệ rút là, tác động pha-đinh nhanh kênh truyền cải thiện đáng kể với phương pháp Alamouti Với kênh truyền pha-đinh chậm, sau tổng hợp tín hiệu MIMO không gian-thời gian, kênh truyền tương đương kênh truyền không fading AWGN - So với MRC SNR MISO 2x1 3dB so với MRC 1x2 3.2.2 Trường hợp Alamouti STBC × Luật tách sóng hợp lẽ tối ưu cho s1 s2 thu (2.103) viết lại dạng sau: (h ( ) = arg ( h ( ) s$ = arg $min $ s1 , s ∈C s$ s$1 , s$ ∈C 1 ) − 1) s$ ( 2 2 + h1 + h1 + h1 − s$ + d s%1 , s$ 2 + h1 + h1 + h1 81 2 +d ( ) s% , s$ ) (3.13) Xây dựng mô hình mô Hình vẽ 3.3, tương tự trường hợp Almouti 2x1 ta xây dựng chương trình mô phẩm chất BER cho hệ thống MIMO STBC 2x2 so sánh với SISO, MISO 2x1 MIMOSTBC2x2BPSK.m Phụ lục Kết thu Hình 3.16 Bảng 3.3 Hình 3.6 So sánh phẩm chất BER MIMO 2x2 với MIMO 2x1 SISO Bảng 3.3 Bảng so sánh giá trị BER SISO, Alamouti, MIMO 2x2 Hệ thống BER=10 -1 BER=10 -2 Eb/No BER=10-3 BER=10-4 BER=10-5 SISO 1x1 2.5 14 24 34 44 MISO 2x1 MIMO 2x2 0.7 -3.2 8.5 3.2 14.1 7.1 19.3 10.1 24.3 12.9 Dựa vào kết Hình 3.6 Bảng 3.3, ta có kết luận : 82 - Phẩm chất BER hệ thống tốt lên số anten thu phát tăng Sự tăng tỉ lệ thuận với số anten phía thu phát - Khi giá trị Eb/No nhỏ tỉ số BER phương pháp hội tụ giá trị Trong mức độ xác đó, lấy giá trị Eb/N0 = -10dB làm giá trị hội tụ BER MIMO với cấu hình anten phát thu khác Điều có nghĩa là, giá trị Eb/N0 nhỏ, việc tăng số anten thu phát không ý nghĩa cải thiện phẩm chất BER Như kết mô phỏng, thu điểm hội tụ BER Tuy nhiên, tăng số anten thu phát, việc đảm bảo tính trực giao tín hiệu thu khó khăn (bộ mã không gian-thời gian thiết kế phức tạp), dẫn tới ảnh hưởng nhiễu tín hiệu thu với nhau, làm giảm phẩm chất BER Lúc tăng số anten đạt hiệu phẩm chất BER đến lúc không cải thiện Tuy nhiên chưa thể tìm hiểu điểm hội tụ BER Điều hướng để phát triển đề tài này, mà phạm vi thời gian làm đồ án khả thân chưa cho phép 3.3 Mô đánh giá dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO Như đánh giá phân tích dung lượng kênh MIMO Chương 2, qua kết phân tích phương pháp đại số dung lượng kênh truyền tăng số anten thu phát tăng Mô nhằm so sánh dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO 2x2, 3x3, 4x4 Từ minh họa cho đánh giá dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO nêu Chương đồ án Chương trình mô Phụ lục xây dựng dựa công thức tính toán phương pháp đại số Shannon dung lượng kênh truyền cuả kênh SISO lý tưởng, tính toán dung lượng kênh MIMO với công thức tổng quát Công thức (2.24) Kết mô so sánh dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO nói sử dụng Matlab thu Hình vẽ 3.7 Bảng 3.4 83 Hình 3.7 Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO Bảng 3.4 Giá trị dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO SNR (dB) SISO 1.9 MIMO 2x2 MIMO3x3 2.1 MIMO 4x4 2.2 20 60 13 25 37 50 20 38 57 76 Dung lượng (bit/s/Hz) 80 100 120 140 160 26.5 51.2 77 102 33 65 97 129 40 78 117 156 46.5 91 137 182 180 200 53 60 66 104 118 131 157 176.5 196.5 209 235 262 Dựa vào kết thu được, ta có kết luận: - Hiệu suất sử dụng kênh truyền (tính bit/s/Hz) giá trị SNR định tăng gần tuyến tính với số anten thu phát (các đường dung lượng Hình vẽ 3.7 gần đường thẳng Điều có nghĩa việc tăng số anten thu phát làm tăng đáng kể dung lượng kênh truyền Điều thích hợp với hệ thống truyền thông tốc độ cao 84 - Cũng giống trường hơp MIMO 2x2, SNR < 2dB dung lượng kênh truyền SISO kênh truyền MIMO gần hội tụ giá trị Trong mức độ xác định xem SNR = 2dB điểm hội tụ dung lượng kênh giá trị dung lượng kênh hội tụ (bit/s/Hz) (như Bảng 3.4) Điều có nghĩa SNR thấp, việc tăng số anten thu phát ý nghĩa việc nâng cao dung lượng hiệu suất sử dụng kênh truyền 3.4 Kết luận Chương mô đánh giá phẩm chất BER hệ thống MISO STBC 2x1 Alamouti để xuất MIMO STBC 2x2 Qua kết thu nhận thấy mức tỉ lệ Eb/N0, phương pháp MIMO STBC 2x2 có BER nhỏ so với MISO STBC 2x1 SISO Cũng kết này, ta thấy phương pháp MRC cho BER lớn 3dB so với MIMO STBC có số anten Ngoài ra, Chương tiến hành mô dung lượng hệ thống SISO, MIMO 2x2, MIMO 3x3, MIMO 4x4 Kết thu chứng tỏ dung lượng hệ thống tăng tuyến tính với số anten 85 Kết luận kiến nghị Kết luận a Những nội dung giải đồ án - Trình bày đặc điểm kênh thông tin vô tuyến - Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp phân tập thu phát không gianthời gian Trình bày cụ thể mô hình nét dung lượng hệ thống thông tin đa anten Đồ án phân tích cụ thể phương pháp mã hóa không gian thời gian sử dụng mã khối – STBC - Mô hệ thống thông tin MIMO STBC hệ thống Alamouti, hệ thống đa anten gồm anten phát anten thu Kết mô đánh giá phẩm chất BER lẫn dung lượng hệ thống b Những hạn chế đồ án - Mới dừng lại kĩ thuật mã khối không gian-thời gian mà chưa đề cập đến kỹ thuật phức tạp mã lưới không gian thời gian (STTCSpace Time Trellis Code) - Kết mô đánh giá chưa đầy đủ đặc điểm phẩm chất dung lượng kênh MIMO STBC Kiến nghị - Nghiên cứu kỹ thuật thu phát để xây dựng cấu trúc thu, phát mã hóa tối ưu cấu trúc sử dụng MRC kết hợp MLD, mã hóa STBC - Xây dựng chương trình mô đánh giá cách toàn diện hệ thống MIMO STBC điều chế mức cao (QPSK, QAM ), cấu hình nhiều anten thu phát để từ tìm giới hạn cho hệ thống 86 Tài liệu tham khảo [1] Trần Xuân Nam, Mô hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng MATLAB, Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn, 2008 [2] B.Sklar, Digital Communications Fundamentals and Applications, Prentice Hall, 1988 [3] J.K.Cavers, Mobile Channel Chracteristics, Kluwer Academic Pulishers, 2000 [4] S.M Alamouti, A simple transmit diversity technique for Wireless communications IEEE journal on selected areas in communications, no.16, pp.1451-1458, 1998 [5] M Schwartz, W.R Bennet, S.Stein, Communication systems and techniques, McGraw-Hill, Inc, 1996 [6] W C Jakes, Microwave mobil communication IEEE Press, 1974 [7] S.M Alamouti, A simple transmit diversity technique for Wireless communications, IEEE journal on selected areas in communications, 1998 [8] Masoud Elzinati, Space-time Block Code for Wireless Communications Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy, 2008 [9] V Tarokh, H Jafarkhani, A R Calderbank, Space-Time block codes from orthogonal design, IEEE Transactions on information theory, vol 45, 1999 [10] Yong Soo Cho, Jeakwon Kim, Won Young Jang, Chung G.Kang, MIMO-OFDM Wireless Communications with Malab, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, 2010 87 Phụ lục Phụ lục ►Matlab Program 3.1 TheovsSim.m Clear all Close all clc N = input('Nhap so bit can mo phong: N = '); Eb_N0_dB = [-10:45]; for ii = 1:length(Eb_N0_dB) % Transmitter ip = rand(1,N)>0.5; % Tao nguon bit s = 2*ip-1; % BPSK modulation -> -1; -> % Alamouti STBC sCode = zeros(2,N); sCode(:,1:2:end)=(1/sqrt(2))*reshape(s,2,N/2); sCode(:,2:2:end)=(1/sqrt(2))*(kron(ones(1,N/2),[1;1]).*flipud(reshape(conj(s),2,N/2))); % Rayleigh channel h = 1/sqrt(2)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N)); % lap lai kenh cho symbol hMod = kron(reshape(h,2,N/2),ones(1,2)); % white gaussian noise n = 1/sqrt(2)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N)); % Tin hieu cong nhieu tren kenh y = sum(hMod.*sCode,1) + 10^(-Eb_N0_dB(ii)/20)*n; % Receiver yMod = kron(reshape(y,4,N/4),ones(1,2)); yMod(2,:) = conj(yMod(2,:)); % Ma tran truyen hEq = zeros(2,N); hEq(:,1:2:end) = reshape(h,2,N/2); % [h1 ; h2 ] hEq(:,2:2:end) = kron(ones(1,N/2),[1;1]).*flipud(reshape(h,2,N/2)); % [h1 h2 ; h2 -h1 ] hEq(1,:) = conj(hEq(1,:)); % [h1* h2* ; h2 -h1 ] hEqPower = sum(hEq.*conj(hEq),1); 88 yHat = sum(hEq.*yMod,1)./hEqPower; % [h1*y1 + h2y2*, h2*y1 -h1y2*, ] yHat(2:2:end) = conj(yHat(2:2:end)); % receiver - Giai ma quyet dinh ipHat = real(yHat)>0; % Dem so loi nErr(ii) = size(find(ip- ipHat),2); end % BER mo phong simBer = nErr/N; % BER ly thuyet pAlamouti = 1/2 - 1/2*(1+2./EbN0Lin).^(-1/2); theoryBerAlamouti2x1 = pAlamouti.^2.*(1+2*(1-pAlamouti)); close all % Ve thi figure semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerSISO,'bp-','LineWidth',2); hold on semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerMRC2x1,'kd-','LineWidth',2); semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerAlamouti2x1,'c+-','LineWidth',2); semilogy(Eb_N0_dB,simBer,'mo-','LineWidth',2); axis([-10 45 10^-5 0.5]) grid on legend('Ly thuyet', 'Mo phong'); xlabel('Eb/No, dB'); ylabel('BER'); title('Ly thuyet vs Mo phong'); Phụ lục ►Matlab Program 3.2 AlmoutiBPSK.m Clear all Close all clc N = input('Nhap so bit can mo phong: N = '); Eb_N0_dB = [-10:45]; for ii = 1:length(Eb_N0_dB) 89 % Transmitter ip = rand(1,N)>0.5; % Tao nguon bit s = 2*ip-1; % BPSK modulation -> -1; -> % Alamouti STBC sCode = zeros(2,N); sCode(:,1:2:end)=(1/sqrt(2))*reshape(s,2,N/2); sCode(:,2:2:end)=(1/sqrt(2))*(kron(ones(1,N/2),[1;1]).*flipud(reshape(conj(s),2,N/2))); % Rayleigh channel h = 1/sqrt(2)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N)); % lap lai kenh cho symbol hMod = kron(reshape(h,2,N/2),ones(1,2)); % white gaussian noise n = 1/sqrt(2)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N)); % Tin hieu cong nhieu tren kenh y = sum(hMod.*sCode,1) + 10^(-Eb_N0_dB(ii)/20)*n; % Receiver yMod = kron(reshape(y,4,N/4),ones(1,2)); yMod(2,:) = conj(yMod(2,:)); % Ma tran truyen hEq = zeros(2,N); hEq(:,1:2:end) = reshape(h,2,N/2); % [h1 ; h2 ] hEq(:,2:2:end) = kron(ones(1,N/2),[1;1]).*flipud(reshape(h,2,N/2)); % [h1 h2 ; h2 -h1 ] hEq(1,:) = conj(hEq(1,:)); % [h1* h2* ; h2 -h1 ] hEqPower = sum(hEq.*conj(hEq),1); yHat = sum(hEq.*yMod,1)./hEqPower; % [h1*y1 + h2y2*, h2*y1 -h1y2*, ] yHat(2:2:end) = conj(yHat(2:2:end)); % receiver - Giai ma quyet dinh ipHat = real(yHat)>0; % Dem so loi nErr(ii) = size(find(ip- ipHat),2); end % BER mo phong simBer = nErr/N; 90 % BER Almouti 2x1 ly thuyet pAlamouti = 1/2 - 1/2*(1+2./EbN0Lin).^(-1/2); theoryBerAlamouti2x1 = pAlamouti.^2.*(1+2*(1-pAlamouti)); close all % Ve thi figure semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerAlamouti2x1,'c+-','LineWidth',2); hold on semilogy(Eb_N0_dB,simBer,'mo-','LineWidth',2); axis([-10 45 10^-5 0.5]) grid on legend('Theory SISO', 'TheoryMRC 2x1', 'TheoryAlamouti2x1', 'Simulation Alamouti2x1'); xlabel('Eb/No, dB'); ylabel('BER'); title('BER he thong Almouti 2x1 d/che BPSK kenh Rayleigh'); Phụ lục ►Matlab Program 3.3 MIMOSTBC2x2BPSK.m clear all close all clc N = input(‘Nhap so bit can mo phong: N = ‘); Eb_N0_dB = [-10:45]; nRx = 2; for ii = 1:length(Eb_N0_dB) % Transmitter ip = rand(1,N)>0.5; % tao nguon bit s = 2*ip-1; % BPSK modulation -> -1; -> % Alamouti STBC sCode = 1/sqrt(2)*kron(reshape(s,2,N/2),ones(1,2)) ; % Ken truyen h = 1/sqrt(2)*[randn(nRx,N) + j*randn(nRx,N)]; % Rayleigh n = 1/sqrt(2)*[randn(nRx,N) + j*randn(nRx,N)]; % AWGN y = zeros(nRx,N); yMod = zeros(nRx*2,N); hMod = zeros(nRx*2,N); for kk = 1:nRx hMod = kron(reshape(h(kk,:),2,N/2),ones(1,2)); 91 hMod = kron(reshape(h(kk,:),2,N/2),ones(1,2)); temp = hMod; hMod(1,[2:2:end]) = conj(temp(2,[2:2:end])); hMod(2,[2:2:end]) = -conj(temp(1,[2:2:end])); % Kenh cong nhieu y(kk,:) = sum(hMod.*sCode,1)+10^(-Eb_N0_dB(ii)/20)*n(kk,:); % Receiver yMod([2*kk-1:2*kk],:)=kron(reshape(y(kk,:),2,N/2),ones(1,2)); % forming the equalization matrix hEq([2*kk-1:2*kk],:) = hMod; hEq(2*kk-1,[1:2:end]) = conj(hEq(2*kk-1,[1:2:end])); hEq(2*kk, [2:2:end]) = conj(hEq(2*kk, [2:2:end])); end % equalization hEqPower = sum(hEq.*conj(hEq),1); yHat = sum(hEq.*yMod,1)./hEqPower; yHat(2:2:end) = conj(yHat(2:2:end)); % Giai ma quyet dinh (cung) ipHat = real(yHat)>0; % Dem so loi nErr(ii) = size(find([ip- ipHat]),2); end simBer = nErr/N; % simulated BER EbN0Lin = 10.^(Eb_N0_dB/10); theoryBerSISO = 0.5.*(1-1*(1+1./EbN0Lin).^(-0.5)); pAlamouti = 1/2 - 1/2*(1+2./EbN0Lin).^(-1/2); theoryBerAlamouti2x1 = pAlamouti.^2.*(1+2*(1-pAlamouti)); close all figure semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerSISO,'bp-','LineWidth',2); hold on semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerAlamouti2x1,'c+-','LineWidth',2); semilogy(Eb_N0_dB,simBer,'mo-','LineWidth',2); axis([-10 45 10^-5 0.5]) grid on legend('Ly thuyet SISO','Ly thuyet MISO 2x1,Simulation MIMO 2x2)'); xlabel('Eb/No, dB'); ylabel('Bit Error Rate'); 92 title('Mo phong BER MIMOSTBC 2x2 d/che BPSK kenh Rayleigh'); Phụ lục ►Matlab Program 3.4 Cap_MIMO.m clear all close all clc % Shannon capacity snr = 0; for i = 1:100 snr = snr +2; c = (log(1+10^(snr/10)))/log(2); x(i) = snr; y(i) = c; end figure plot(x,y,'-','LineWidth',1.5 hold on % Capacity of MIMO 2x2 NR = 2; rand('state',456321) snr = 0; for i = 1:100; snr = snr+2; for j = 1:10000; c(j)=(NR*log(1+(10^(snr/10))*abs(normrnd(0,1)))/log(2)); end yy(i)= mean(c); xx(i) = snr; end plot(xx,yy,':','LineWidth',1.5) % Capacity of MIMO 3x3 NR = 3; rand('state',456321) snr = 0; for i = 1:100; snr = snr+2; for j = 1:10000; c(j)=(NR*log(1+(10^(snr/10))*abs(normrnd(0,1)))/log(2)); end yy(i) = mean(c); xx(i) = snr; end plot(xx,yy,'-.','LineWidth',1.5) 93 % Capacity of MIMO 4x4 NR = 4; rand('state',456321) snr = 0; for i = 1:100; snr = snr+2; for j = 1:10000; c(j)=(NR*log(1+(10^(snr/10))*abs(normrnd(0,1)))/log(2)); end yy(i) = mean(c); xx(i) = snr; end plot(xx,yy,' ','LineWidth',1.5) xlabel('SNR(dB)') ylabel('Capacity (bit/s/Hz)') grid on legend('Shannon Capacity','MIMO 2x2','MIMO 3x3','MIMO 4x4',2) title('MIMO Capacity') 94 [...]... hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống. .. kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công thức (1.30) C = log 2 (1 + N SNR) bit/s/Hz (1.30) 1.5.4 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả phía phát và phía thu Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming... mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành bốn hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như Hình vẽ 1.6 Tx Tx N Rx NTx NRx Rx MISO Multiple Output Single Input SISO Single Input Multiple Output NTx Rx MIMO Multiple Input Multiple Output SIMO Single Input Multiple Output Hình 1.6 Phân loại hệ thống thông tin không dây 1.5.1 Hệ thống SISO Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không... đó chúng ta phải xây dựng các mô hình kênh phức tạp và chính xác hơn Một trong những kênh thường xảy ra trong thông tin vô tuyến là kênh pha-đinh 1.4 Hiện tượng pha-đinh Pha-đinh là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn Đối với các hệ thống truyền dẫn thông qua thông tin vệ tinh viễn thông, pha-đinh chủ yếu gây ra... cực đại có thể xác định theo biểu thức (1.32) C = min( NT N R ).log 2 (1 + SNR ) bit/s/Hz (1.32) Với các ưu điểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai 1.6 Kết luận Chương 1 đã trình bày mô hình kênh đơn giản, đặc tính suy hao, hiện tượng pha-đinh trên kênh truyền vô tuyến và bốn mô hình các hệ thống vô. .. được sử dụng trong công nghệ MIMO 2.2 Mô hình kênh MIMO Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và phân tập thu với N anten phát mà M anten thu như Hình vẽ 2.1 Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) va anten máy thu (Rx) được gọi là một kênh đa đầu vào -đa đầu ra (Multiple Input-Multiple Output) Một hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi là hệ thống MIMO Các trường hợp đặc... khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động, khi đó... Hình vẽ 1.1 Hình 1.1 Mô hình kênh AWGN Mô hình kênh đơn giản này có vai trò quan trọng về mặt lý thuyết và thực tế Đây là mô hình chính xác cho nhiều kênh thông tin như các kênh thông tin vệ tinh, kênh thông tin không gian Tuy nhiên, trong rất nhiều hệ thống thông tin, ngoài tạp âm cộng tính các kênh còn bị tác động của rất nhiều 13 các yếu tố khác nhau Đối với các kênh này, mô hình AWGN không còn... logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức (1.29) C = log 2 (1 + N SNR) bit/s/Hz (1.29) 1.5.3 Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền,... Tổng quan về kênh truyền vô tuyến 1.1 Giới thiệu chung Trong mạng thông tin vô tuyến, ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất So với kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến chịu tác động hoàn toàn ngẫu nhiên của nhiều yếu tố và quá trình phân tích phức tạp Các ảnh hưởng chính của kênh truyền vô tuyến có thể chia ra làm các ... loại hệ thống thông tin không dây 1.5.1 Hệ thống SISO Hệ thống SISO hệ thống thông tin không dây truyền thống sử dụng anten phát anten thu Máy phát máy thu có cao tần điều chế, giải điều chế Hệ thống. .. lượng hệ thống, phía sử dụng anten, phía lại sử dụng đa anten Hệ thống sử dụng anten phát nhiều anten thu gọi hệ thống SIMO Trong hệ thống máy thu lựa chọn kết hợp tín hiệu từ anten thu nhằm tối đa. .. MIMO để đánh giá tính ưu việt so với hệ thống đơn anten (SISO-Single Input Single Output) truyền thống, em chọn đề tài Mô hệ thống thông tin vô tuyến đa anten Do nhiều mặt hạn chế, đồng thời