NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY

Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _ HVTH: Phạm Minh Triết Đề Tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Cán Bộ Hướng Dẫn: TS.Trần Hoài Trung HCM, Ngày 28 Tháng 11 năm 2011 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Cơ quan công tác: Phạm Minh Triết Năm sinh: 17/06/1984 Trường CĐ Công Nghệ Thông Tin TPHCM Khoá: 16 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Cán hướng dẫn: TS Trần Hoài Trung Bộ môn: Điện tử viễn thông Tên luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO-OFDM ứng dụng hệ thống thông tin không dây Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu kỹ thuật OFDM hệ thống MIMO để kết hợp công nghệ MIMO kỹ thuật OFDM nhầm để tăng dung lượng chất lượng cho hệ thống thông tin không dây Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết nhằm có nhìn tổng quan kỹ thuật OFDM hệ công nghệ MIMO từ kết hợp lại để tạo mô hình ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây Chủ yếu hai mô hình Alamouti mô hình V_BLAST để cải thiện chất lượng hệ thống Điểm bình quân môn hoc: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày Xác nhận cán hướng dẫn: Xác nhận môn: Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử tháng năm Học viên Phạm Minh Triết HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày tăng Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả kháng nhiễu tốt Hệ thống thông tin truyền thống phương thức ghép kênh cũ khả đáp ứng yêu cầu hệ thống thông tin tương lai OFDM phương pháp truyền phức tạp kênh vật lý, nguyên lý phương pháp sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền lượng lớn ký tự thời điểm Tuy nhiên kỹ thuật OFDM lại tồi số nhược điểm đường bao biên độ tín hiệu phát không phẳng Điều gây méo phi tuyến khuyếch đại công suất máy phát máy thu Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu phân tập đa đường làm giảm phần hiệu suất sử dụng đường truyền Công nghệ MIMO có ưu điểm gia tăng tốc độ truyền liệu mở rộng tầm phủ sóng băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu nhận tín hiệu mạnh từ anten vị trí Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau tập hợp lại đầu nhận theo định dạng ấn định Tuy nhiên bị giới hạn hệ thống băng hẹp Vì giải pháp đưa kết hợp công nghệ MIMO kỹ thuật OFDM nhằm để tăng dung lượng chất lượng cho hệ thống thông tin không dây Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung MỤC LỤC Tờ bìa .1 Trích yếu luận văn cao học Lời mở đầu .3 Mục lục Danh mục chữ viết tắt .7 Danh mục hình vẽ 10 Chương I : Tổng quan hệ thống thông tin không dây 13 1.1 Hệ thống thông tin di động .13 1.2 Kênh truyền vô tuyến .15 1.2.1 Suy hao đường truyền 15 1.2.2 Hiệu ứng Multipath-Fading 16 1.2.3 Hiệu ứng Dopper 17 1.2.4 Kênh truyền Fading phẳng chọn lọc tần số 19 1.2.5 Kênh truyền biến đổi nhanh biến đổi chậm 21 1.2.6 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean 23 1.3 Phương thức ghép kênh 24 1.3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số .24 1.3.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian 25 1.3.3 Ghép kênh phân chia theo mã 25 1.3.4 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 25 1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 26 1.4.1 Hệ thống SISO 26 1.4.2 Hệ thống MISO 27 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung 1.4.3 Hệ thống SIMO 27 1.4.4 Hệ thống MIMO 28 Chương II : Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao 30 2.1 Lịch sử phát triển 30 2.2 Các ưu điểm nhược điểm 31 2.3 Tính trực giao OFDM 32 2.4 Mô hình hệ thống 33 2.4.1 Mã hóa kênh .34 2.4.2 Kỹ thuật phân tán liệu 34 2.4.3 Chuyển đổi song song/ nối tiếp, nối tiếp/song song 35 2.4.4 Điều chế sóng mang 36 2.4.5 Kỹ thuật IFT/FFT .37 2.4.6 Khoảng bảo vệ 39 2.4.7 Biến đổi D/A A/D 43 2.4.8 Up converter Down converter .44 2.4.9 Bộ Equalizer .45 2.5 Mô hệ thống OFDM 47 Chương III : Hệ thống MIMO .50 3.1 Tổng quan hệ thống MIMO 50 3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 50 3.1.2 Các kỹ thuật phân tập 51 3.1.3 Độ lợi hệ thống MIMO .54 3.2 Kỹ thuật mã hóa không gian thời gian MIMO 56 3.2.1 Mã khối không gian thời gian STBC 56 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung 3.2.2 Mã lưới không gian thời gian STTC 59 3.3 Mô hình hệ thống MIMO 61 3.3.1 Sơ đồ Alamouti 66 3.3.2 Mô hình V_BLAST 73 3.4 Kết mô hệ thống MIMO 87 3.4.1 Sơ đồ Alamouti 87 3.4.2 Sơ đồ V-BLAST 90 Chương IV : Kết hợp kỹ thuật OFDM với hệ thống MIMO ứng dụng hệ thống thông tin không dây .93 4.1 Giới thiệu .93 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM .94 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 94 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 97 4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST 101 4.3 Mô hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 105 4.4 Mô hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST 107 4.5 So sánh hệ thống MIMO-OFDM 108 Kết luận hướng nghiên cứu mở 110 Lời cảm ơn 112 Tài liệu tham khảo .113 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPF Band Pass Filter BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CSI Channel State Information D/A Digital to Analog DAB Digital Analog Broadcasting D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code DFT Discrete Fourier Transform DPSK Differential Phase Shift Keying DVB -H Digital Video Broadcasting - Handheld DVB -T Digital Video Broadcasting – Terrestrial FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impluse Response HDSL Hight-bir-rate Digital Subscriber Line HiperLAN2 High Performance Radio Local Area Network Type Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 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 MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation MS Mobile Station NLOS Non Light Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PDF Probability Density Function QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SC SingleCarrier Communication STBC Space-Time Block Code STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder TGn Task Group N V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time ZF Zero-Forcing ZF-OIC Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 10 GVHD: TS Trần Hoài Trung DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình phát triển thông tin di dộng tế bào Hình 1.2: Mô hình kênh truyền Fading đa đường Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler Hình 1.4: Đáp ứng kênh truyền Fading phẳng Hình 1.5: Đáp ứng kênh truyền Fading chọn lọc tần số Hình 1.6: Kênh truyền thay đổi theo thời gian Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh Ricean Hình 1.8: Hệ thống SISO Hình 1.9: Hệ thống MISO Hình 1.10: Hệ thống SIMO Hình 1.11: Hệ thống MIMO Hình 2.1: Cấu trúc tín hiệu OFDM Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM Hình 2.3: Bộ chuyển đổi S/P Hình 2.4: Bộ chuyển đổi P/S Hình 2.5: Mô tả ứng dụng chuỗi bảo vệ việc chống nhiễu ISI Hình 2.6: Trải trễ nhỏ khoảng bảo vệ không gây ISI ICI Hình 2.7: Thành phần ký tự OFDM thu truyền qua kênh Multipath Hình 2.8: Những ký tự OFDM thu sau truyền qua kênh truyền Multipath Hình 2.9: Bộ chuyển đổi D/A A/D Hình 2.10: Bộ up-converter down-converter Hình 2.11: Bộ Equalizer miền tần số Hình 2.12: Kết mô BER OFDM Hình 3.1: Tổng quan hệ thống MIMO Hình 3.2: Phân tập theo thời gian Hình 3.3: Kỹ thuật Beamforming Hình 3.4: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 93 GVHD: TS Trần Hoài Trung s1' = − F −1 X 2* Sau s’1 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten thứ Quá trình phát lập lại trình trình bày chu kỳ symbol k k+1 Tại phía thu, vector thu sau loại bỏ khoảng bảo vệ có dạng sau: y1 = H s + H s + v1 = H F −1 X + H F −1 X + v1 y1 = H s1' + H s 2' + v1 = − H F −1 X 2* + H F −1 X 1* + v Với H1 ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ tới anten thu H2 ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ hai tới anten thu Sau qua FFT vector thu có biểu thức sau: Y1 = Λ1 X + Λ X + V1 Y2 = −Λ1 X 2* + Λ X 1* + V2 Với Y1 = Fy1, Y2 = Fy2 , X1 = Fx1, X2 = Fx2, FFT tương ứng y1, y2, x1, x2, ∧1 , ∧ ma trận tính theo biểu thức sau: Λ1 = FH F −1 Λ = FH F −1 Do tính chất phép biến đổi FFT IFFT ma trận vòng H H2 ∧1 , ∧ ma trận đường chéo Λ = diag (λ1 ) Λ = diag (λ2 ) Các giá trị λ1 (k) với k = 1, 2…N N-FFT đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ tới anten thu, tương tự giá trị λ2 (k) với k = 1, 2…N NFFT đáp ứng kênh truyền từ anten thứ tới anten thu Sau Y1 Y2 đưa qua ước lượng ∧1 , ∧ Kênh truyền ước lượng thông qua chuỗi huấn luyện biết trước, ta viết lại vector thu Y1 Y2 theo dạng sau: Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung 94 χ  λ1  V1  Y1   χ1 = +  Y  * *  λ2  V2  2   −χ 2  χ1    N ×1 N ×1 N ×2 N N ×1 Với χ χ ma trận đường chéo, có đường chéo X1 X2 χ = diag ( X ) χ = diag ( X ) Vector huấn luyện quy ước trước máy thu có tính chất sau:  χ 1*  χ − χ 2*   χ  * χ1  − χ χ2   = αI χ 1*  ∧1 , ∧ ước lượng theo biểu thức sau: ~ λ1   χ 1* ~  =  λ   χ − χ 2*  Y1   χ 1*   =  χ1  Y2   χ λ   χ * =α  +  λ   χ − χ 2*   χ   * χ1  − χ χ  λ1  V1     +    χ1*  λ2  V2   − χ 2*  V1    χ1  V2  Ta ước lượng ∧1 , ∧ theo biểu thức sau: ~ ~ Λ = diag (λ1 ) ~ ~ Λ = diag (λ2 ) Sau ước lượng ∧1 , ∧ ,các vector Y1 Y2 theo sau chuỗi vector huấn luyện đưa vào kết hợp để khôi phục lại X X2 Viết lại biểu thức ta biểu thức thu sau: Y1 (1)   X (1)         Y1 N )    = * Y2 (1)  − X (1)         Y2 ( N )   λ1 (1)  V1 (1)             X ( N )  λ1 ( N )  V1 ( N )   +  X 1* (1)  λ (1)  V2 (1)             X 1* ( N ) λ ( N ) V2 ( N ) X (1) X1(N ) − X 1* ( N ) Sắp xếp lại thứ tự vector thu ta biểu thức: Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 95 GVHD: TS Trần Hoài Trung  λ1 (1)  V1 (1)  Y1 (1)   X (1) X (1)  Y (1)  − X * (1) X * (1)    2   λ2 (1)  V2 (1)                 = +             Y1 ( N )   X ( N ) X ( N )  λ1 ( N )  V1 ( N )         Y2 ( N )  − X 2* ( N ) X 1* ( N ) λ2 ( N ) V2 ( N ) Biểu thức cho thấy kỹ thuật OFDM chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành N kênh truyền nhỏ chịu fading phẳng, tức hệ thống MIMOOFDM có khả chống lại fading chọn lọc tần số đạt phân tập lớn nhờ vào sơ đồ Alamouti Tiếp theo kết hợp kết hợp symbol Y 1(k) Y2(k) đưa vào giải mã ML 4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 96 GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 4.6: Máy phát MIMO-OFDM VBLAST Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST áp dụng nhằm tăng tối đa dung lượng kênh truyền fading chọn lọc tần số Bộ STC Coder (hình 4.6) trường hợp S/P chia luồng liệu lớn thành N T luồng liệu nhỏ, sau NT luồng đưa vào NT phát OFDM Từng luồng liệu biến đổi nối tiếp sang song song thành NT vector Xj , j = 1,2,…NT gồm N symbol, vector Xj miền tần số đưa qua N-IFFT để đưa miền thời gian tạo thành NT vector gồm N mẫu rời rạc xi = F * X i Sau vector xj chèn khoảng bảo vệ cho qua biến đổi D/A lọc thông thấp LPF nhằm tạo N T tín hiệu miền thời gian s j (t ) , sau tín hiệu thời gian cho qua khối Up-Converter dùng để dịch chuyển RF phổ tín hiệu s(t) lên tần số cao tạo thành tín hiệu cao tần S j (t ) đưa phát đồng thời NT anten phát Phía thu sử dụng OFDM receiver để thu tín hiệu cao tần Sau OFDM receiver loại bỏ khoảng bảo vệ CP khỏi symbol OFDM, vector thu có dạng sau: y1 = H 11 x1 + H12 x2 +  + H 1NT x NT + v1 y2 = H 21 x1 + H 22 x2 +  + H NT x NT + v2 y NR  = H N R x1 + H N R x2 +  + H N r NT x NT + v N R Với H ij ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j v j vector nhiễu anten thu thứ j Dùng phương pháp ta biểu thức sau: y1 = H 11F −1 X + H12F −1 X +  + H1NT F −1 X NT + v1 y2 = H 21 F −1 X + H 22 F −1 X +  + H NT F −1 X NT + v2  y N R = H N R F −1 X + H N R F −1 X +  + H Nr NT F −1 X NT + v N R Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung 97 Sau qua FFT vector thu có biểu thức sau: F y1 = FH 11F −1 X + F H 12F −1 X +  + F H1NT F −1 X NT + F v1 Fy2 = FH 21 F −1 X + FH 22 F −1 X +  + FH NT F −1 X NT + Fv2  Fy N R = FH N R F −1 X + FH N R F −1 X +  + FH Nr NT F −1 X NT + Fv N R Viết lại ta có biểu thức sau : Y1 = Λ 11F −1 X + Λ 12F −1 X +  + Λ 1NT F −1 X NT + V1 Y2 = Λ 21 F −1 X + Λ 22 F −1 X +  + Λ NT F −1 X NT + V2  YN R = Λ N R F −1 X + Λ N R F −1 X +  + Λ N r NT F −1 X NT + VN R Với Yi = Fy i Vi = Fvi biến đổi FFT yi vi Λ ij ma trận xác định theo biểu thức sau Λ ij = FH ij F −1 Do tính chất biến đổi FFT với ma trân vòng nên ma trận Λ ij ma trận đường chéo Λ ij = diag (λij ) , biểu thức viết lại sau : Y1(k ) = λ11 (k ) X 1(k ) + λ12 (k ) X (k ) +  + λ1NT (k ) X NT (k ) + V1(k ) Y2 (k ) = λ21 ( k ) X (k ) + λ22 (k ) X (k ) +  + λ2 NT (k ) X NT (k ) + V2 (k )  YN R (k ) = λN R (k ) X (k ) + λN R (k ) X (k ) +  + λN R NT (k ) X NT (k ) + VN R (k ) Biểu thức cho thấy kỹ thuật OFDM biến đổi kênh truyên fading chọn lọc tần số thành N kênh truyền băng hẹp chịu fading phẳng Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST tương đương với hệ thống gồm N hệ thống MIMO V-BLAST băng hẹp ( ) Bộ STC Decoder (hình 4.8) giải mã vector thu Y1 (1), Y2 (1),  , YN R (1) để ước ( ) lượng vector phát X (1), X (1),, X N R (1) thông qua giải thuật Zero-forcing hay MMSE Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 98 GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 4.7: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 99 GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 4.8: ZF/MMSE Decoder 4.3 Mô hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Ta mô hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với kiểu điều chế sóng mang 16QAM với thông số hệ thống OFDM trình mô thử nghiệm thực 10 lần sau lấy kết trung bình để vẽ đồ thị BER trình mô thực sau: Xác định thông số đầu vào: Hệ thống MIMO-OFDM có số anten phát số anten thu Số điểm FFT 256 Khoảng bảo vệ OFDM symbols Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 100 GVHD: TS Trần Hoài Trung Tạo tín hiệu Điều chế 16QAM Mã hóa STC Chèn khoảng bảo vệ Cho qua IFFT Hệ số kênh Ricean Hệ số Fading Ở phía thu ta thực bước sau: Giải điều chế Cho qua FFT Tách khoảng bảo vệ Tối ưu kênh Giải mã STC Tính bit lỗi Vẽ đồ thị Kết thể hình sau : Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 101 GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 4.9 : Mô hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Quan sát đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ứng với phương pháp điều chế QAM ta thấy BER hệ thống tốt BER hệ thống MIMO BER hệ thống MIMO-OFDM Alamouti giảm ta tăng số anten phát thu cải thiện chất lượng hệ thống 4.4 Mô hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST Ta mô hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST theo mô hình dùng phương pháp điều chế QPSK phần máy thu ta sử dụng giải thuật giải mã MMSE V_BLAST Tiến trình mô thực sau: Xác định tham số đầu vào: Hệ thống MIMO-OFDM có số anten phát 4, số anten thu Size FFT 16 Độ dài khoản bảo vệ Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 102 GVHD: TS Trần Hoài Trung Xác định tham số cần mô BER hệ thống với SNR Tạo mẫu tín hiệu nguồn Sử dụng điều chế QPSK Truyền liệu Tạo Tap kênh Xử lý tín hiệu nhận Dùng giải thuật giải mã MMSE V_BLAST Đếm lỗi xảy trình truyền Tính toán BER Vẽ kết mô Kết mô thể hình sau: Hình 4.10: Mô MIMO-OFDM V_BLAST Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 103 GVHD: TS Trần Hoài Trung Quan sát đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST với phương pháp điều chế QPSK sử dụng giải thuật giải mã MMSE ta thấy tỉ số tín hiệu nhiễu tăng BER hệ thống giảm mạnh, BER hệ thống tăng ta tăng số anten phát anten thu hệ thống 4.5 So sánh hệ thống MIMO-OFDM Từ kết mô chương III chương IV ta thấy BER hệ thống giảm ta tăng số anten phát anten thu điều cho thấy chất lượng hệ thống cải thiện đồng thời nâng cao tốc độ hệ thống khoảng cách thông tin Trong hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với số anten phát số anten thu ta tăng số trạng thái điều chế nhằm nâng cao hiệu sử dụng băng thông hệ thống làm cho BER hệ thống tăng theo Trong hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ta thấy BER hệ thống tốt hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST khoảng 5dB Tuy nhiên mô hình Alamouti số anten phát tối đa hai anten anten thu tăng lên Trong hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST số anten phát thu dùng nhiều anten để cải thiện tốc độ liệu kỹ thuật V_BLAST tín hiệu truyền xếp dọc cho anten phát Mỗi anten truyền đồng thời stream symbol khác tín hiệu tốc độ liệu tăng lên Nt lần với Nt số anten phát Tại anten thu tín hiệu chồng chập nhiều anten phát khác xử lý giải mã ZF hay MMSE để tìm chuỗi liệu Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 104 GVHD: TS Trần Hoài Trung KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đề tài trình bày tổng quan sâu phân tích số kỹ thuật hệ thống MIMO-OFDM đồng thời cho thấy ưu điểm nhược điểm hệ thống hệ thống thông tin không dây Dựa phân tích lý thuyết tìm hiểu tiến hành mô cho kết tương đối phù hợp với lý thuyết Chương I trình bày phần lý thuyết sở bao gồm mô hình, tính toán kênh truyền kỹ thuật ghép kênh hệ thống thông tin không dây Chương II trình bày kỹ thuật hệ thống OFDM, phân tích tính toán để thấy ưu điểm kỹ thuật OFDM truyền tốc độ liệu cao sử dụng băng thông hiệu quả, chống fading chọn lọc tần số, chống nhiễu ISI,… Chương III giới thiệu hệ thống MIMO, phân tích tính toán dung lượng hệ thống MIMO, phân tích lý thuyết mã hoá không gian thời gian STC nhằm nâng cao chất lượng dung lượng hệ thống Chương IV sử dụng sở lý thuyết phân tích chương II chương III để phân tích hệ thống MIMO-OFDM Từ sở lý thuyết đề tài ta rút số điểm sau: MIMO hệ thống đa anten đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hoá nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu phổ mà tăng công suất phát hay băng thông MIMO phương thức truyền dẫn liệu cho phép tăng nhanh dung lượng kênh truyền vô tuyến Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến triển khai ứng dụng đề xuất cho hệ thống 3G trở Tuy nhiên, xây dựng hệ thống MIMO đạt hiệu cao vấn đề đặt Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao kênh truyền băng rộng, đặt biệt kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự (Inter-Symbol Interference) xuất độ trễ kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 105 GVHD: TS Trần Hoài Trung cách đáng kể Để khắc phục vấn đề ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để chuyển kênh truyền băng rộng Fading chọn tần số thành nhiều kênh truyền Fading phẳng băng hẹp triệt nhiễu nhờ chèn thêm khoảng bảo vệ có chiều dài lớn độ trễ kênh truyền Điều minh chứng luận văn Với việc kết hợp hệ thống MIMO với kỹ thuật OFDM đặc biệt hai mô hình Alamouti mô hình V_BLAST cho phép tăng dung lượng chất lượng hệ thống cách đáng kể Chính nhờ thành công việc kết hợp hệ thống MIMO với kỹ thuật OFDM nên trở thành tảng cho phát triển 4G hệ thông tin Một hướng nghiên cứu cần tiếp tục phát triển việc đề xuất tách tín hiệu MIMO-OFDM hiệu quả, có phẩm chất BER tốt lại không yêu cầu độ phức tạp tính toán cao Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 106 GVHD: TS Trần Hoài Trung LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất Thầy khoa Điện-Điện Tử Thầy môn Kỹ Thuật Viễn Thông cung cấp kiến thức tảng để giúp cho em hoàn thành luận văn Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy TS Trần Hoài Trung tận tình bảo, giúp đở tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian thực luận văn Sau xin gửi lời cảm ơn đến gia đình người thân bạn bè hỗ trợ động viên suốt thời gian làm luận văn Một lần em xin chân thành cảm ơn! HCM, ngày 28 tháng 11 năm 2011 Học viên thực Phạm Minh Triết Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 107 GVHD: TS Trần Hoài Trung TÀI LIỆU THAM KHẢO Chung G Kang, Won Young Yang, Jaekwon Kim, Yong Soo Cho (2010) MIMO-OFDM WIRELESS COMMUNICATIONS WITH MATLAB Constantine M Caramanis, Adaptation in Convolutionally-Coded MIMO-OFDM Wireless Systems through Supervised Learning and SNR Ordering Jinliang Huang, A Matlab/Octave Simulation Environment forSDR with application to OFDM and MIMO Hamid Jafarkhani, SPACE-TIME CODINGTHEORY AND PRACTICE Harry Zhi Bing Chen, SIGNAL DESIGN FOR MIMO–OFDM SYSTEMS Hassen Karaa, Raviraj S Adve and Adam J Tenenbaum, Linear Precoding for Multiuser MIMO-OFDM Systems L Hanzo, J.Akhtman, M Jiang, L WangUNIVERSITY OF SOUTHAMPTON, MIMO-OFDM for LTE,WIFI and WIMAX Coherent versus Non-Coherent and Cooperative Turbo-Transceivers Ming Jiang, MultiuserMIMO-OFDM for Next-Generation Wireless Systems Nguyen Tuan Duc, MIMO - MIMO OFDM Techniques: State of Art and Future, PhD student, IRISA/Universite de Rennes Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết [...]... sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin số Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz được chia thành 125 kênh với băng thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kỹ thuật FDM Mỗi kênh 200KHz này được chia thành 8 khe thời gian sử dụng kỹ thuật TDM Mỗi user sẽ chiếm giữ một khe thời gian, do sử dụng kết hợp FDM và TDM nên hiệu suất sử dụng kênh truyền tăng lên đáng kể 1.3.3 Ghép kênh phân chia theo mã Trong. .. GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 1.8: Hệ thống SISO Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu... thống MIMO-OFDM Alamouti Hình 4.10: Mô phỏng MIMO-OFDM V_BLAST Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 13 GVHD: TS Trần Hoài Trung CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY 1.1 Hệ thống thông tin di dộng hiện nay Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G Mạng 2G có thể phân ra hai loại:... Trung thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA Tuy nhiên đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Generation) 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên. .. = log2 (1+SNR) bit/s/Hz 1.4.2 Hệ thống MISO Hình 1.9: 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 lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ Khi máy phát biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của... phân trong khoảng thời gian T sẽ có kết quả bằng không 2.4 Mô hình hệ thống Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 31 GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM 2.4.1 Mã hóa kênh Kỹ thuật mã hoá kiểm soát lỗi có thể tách và sửa lỗi xảy ra khi thông điệp được truyền trên hệ thống thông tin số Để thực hiện điều này, mã hoá không chỉ truyền ký tự thông tin. .. Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, được tính theo công thức: C = log2 (1+M.SNR) bit/s/Hz 1.4.4 Hệ thống MIMO Hình 1.11: Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi 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... (1+N.SNR) bit/s/Hz 1.4.3 Hệ thống SIMO Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 26 GVHD: TS Trần Hoài Trung Hình 1.10: Hệ thống SIMO 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... ứng CDM là một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp đòi hỏi sự đồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật điều khiển công suất chính xác 1.3.4 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Ghép phân chia theo tần số trực giao là một công nghệ trong lĩnh vực truyền dẫn áp dụng cho môi trường không dây, thí dụ truyền thanh radio Khi áp dụng vào môi trường có dây như đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL), thường sử dụng. .. 4G Trong tương lai, nhiều nghiên cứu sẽ đựơc phát triển để cải tiến chất lượng, dung lượng của hệ 1.2 thống MIMO-OFDM Kênh truyền vô tuyến Trong hệ thống thông tin di động, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố được quan tâm nhiều Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng lớn đến hoạt động hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền và thiết kế hệ ... thống thông tin không dây Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu kỹ thuật OFDM hệ thống MIMO để kết hợp công nghệ MIMO kỹ thuật OFDM nhầm để tăng dung lượng chất lượng cho hệ thống thông tin không dây. .. Kết hợp kỹ thuật OFDM với hệ thống MIMO ứng dụng hệ thống thông tin không dây .93 4.1 Giới thiệu .93 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM .94 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM. .. không dây Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết nhằm có nhìn tổng quan kỹ thuật OFDM hệ công nghệ MIMO từ kết hợp lại để tạo mô hình ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây Chủ yếu hai mô