giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO OFDM, cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn đề được nêu ra trong lý thuyết

Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cô, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Xuân Vinh, trưởng khoa Điện tử - Viễn thông, giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông - trường ĐHKH Huế người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm khoá luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐHKH Huế nói chung, thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành khoá luận tốt nghiệp Huế, 6/2015 Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hồng Hoạt 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh MỤC LỤC 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh DANH MỤC HÌNH 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt A/D AWGN BER BLAST BPSK BS CDM CP D/A DFT FDM FEC FFT ICI IDFT IFFT I.I.D ISI LAN MIMO MISO ML MMSE MS OFDM P/S PAPR QPSK RF SIMO SISO S/P SC STBC V-BLAST Diễn giải Analog to Digital Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bell-Laboratories Layered SpaceTime Code Binary Phase Shift Keying Base Station Code Division Multiplexing Cyclic Prefix Digital to Analog Discrete Fourier Transform Frequency Division Multiplexing Forward Error Correction Fast Fourier Transform Interchannel Interference Inverse Discrete Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform Independent and Identically Distributed Inter Symbol Interference Local Area Network Multiple Input Muliple Output Multiple Input single Output Maximum Likelihood Minimum Mean Sqare Error Mobile Station Orthogonal Frequency Division Multiplexing Parallel to Serial Peak to Average Power Ratio Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Single Input Multiple Output Single Input Single Output Serial to Parallel Single Carrier Communication Space-Time Block Code Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time Dịch nghĩa Chuyển đổi tương tự sang số Nhiễu Gauss trắng Tỷ lệ lỗi bit Mã hóa không gian - thời gian lớp BLAST Điều chế pha nhị phân Băng sở Ghép kênh theo mã Tiền tố lặp Chuyển đổi số sang tương tự Biến đổi Fourie rời rạc Ghép kênh theo tần số Mã sửa lỗi Biến đổi Fourie nhanh Nhiễu liên kênh Biến đổi Fourie rời rạc ngược Biến đổi Fourie rời rạc nhanh Mẫu độc lập có phân bố Nhiễu liên ký tự Mạng nội Nhiều đầu vào, nhiều đầu Nhiều đầu vào, đầu Tương quan tối đa Tổ hợp tuyến tính Thiết bị đầu cuối Điều chế đa sóng mang Song song sang nối tiếp Công suất cực đại Điều chế pha trực giao Tần số Radio Một đầu vào, nhiều đầu Một đầu vào, đầu Nối tiếp sang song song Cờ mang thông tin Mã hóa không gian - thời gian khối Hệ thống/thuật toán BLAST Đồ án tốt nghiệp Đại học ZF SNR SC EGC MRC STC STBC STTC GVHD: TS Đặng Xuân Vinh Zero-Forcing Signal-to-Noise Ratio Switching combining Equal Gain Combining Maximum Ratio Combining Space-time-code Space-Time Block Code Space-Time Trellis Code Gán Tỷ số tín hiệu nhiễu kết hợp chuyển nhánh kết hợp theo độ lợi kết hợp theo tỷ lệ lớn mã hóa không gian - thời gian Mã hóa không gian - thời gian khối Mã hóa không gian - thời gian lưới Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày phát triển đặc biệt thông tin vô tuyến ngày quan trọng sống đại ngày Tuy nhiên, việc truyền thông tin môi trường vô tuyến lại chịu tác động nhiều từ môi trường, với việc hạn chế băng thông công suất Vì để hạn chế tác động môi trường, với khả sử dụng tài nguyên vô tuyến cách có hiệu Người ta ứng dụng kỹ thuật ghép kênh tiên tiến TDM,FDM,CDM…, kết hợp với phương pháp khác để cải thiện chất lượng kênh truyền vô tuyến dùng mã tối ưu, anten thông minh, phân tập Một kỹthuật tiên tiến, có hiệu ứng dụng nhiều thực tế hệ thống MIMO Việc sử dụng kỹ thuật hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền cách đáng kể, nâng cao dung lượng hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu hơn, người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội kỹ thuật OFDM Với công nghệ OFDM ta truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông cách tối ưu hơn, có khả chống số loại nhiễu Vì mục đích đề tài giới thiệu tìm hiểu hệ thống MIMOOFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phân tích vấn đề nêu lý thuyết Nội dung đồ án bao gồm chương sau: Chương : Lý thuyết sở Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM Chương 3: Hệ thống MIMO Chương : Hệ thống MIMO-OFDM Chương 5: Mô kết luận Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh Chương LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu chung Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao kênh truyền băng rộng, đặc biệt kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference) xuất độ trễ kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) cách đáng kể Để giải vấn đề này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trục giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) áp dụng cho hệ thống truyền dẫn OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành nhiều kênh truyền fading phẳng băng hẹp triệt ISI nhờ thêm khoảng bảo vệ có chiều dài lớn độ trễ kênh truyền vào tín hiệu điều chế Nhờ ưu điểm bật mà OFDM ứng dụng rộng rãi phát số DAB (Digital Audio Broadcasting), truyền hình số DVB (Digital Video Broadcasting), mạng cục chất lượng cao HIPERLAN (High Performance Local Area Networks), mạng cục vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network) theo chuẩn 802.11.a Bên cạnh kỹ thuật nghiên cứu thử nghiệm có hệ thống khác làm tương tự Nổi bật hệ thống MIMO Việc sử dụng kỹ thuật hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền cách đáng kể, nâng cao dung lượng hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao 1.1.2 Những tồn khó khăn kỹ thuật lĩnh vực thông tin di động Dung lượng hệ thống thông tin di động hệ bị hạn chế nhiều sử dụng kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA CDMA Các kỹ thuật xác định người dùng việc cấp phát tần số khe thời gian mã trải phổ họ đăng nhập vào hệ thống Nhưng phổ Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh tần dành cho thông tin di động có hạn CDMA làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể lại dẫn đến gia tăng nhiễu đồng kênh nhiễu xuyên kênh mật độ phân bố cao người dùng cell Do dung lượng hệ thống không cao Bên cạnh chất lượng dịch vụ người dùng giảm fading nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh họ di chuyển Các hệ thống thông tin di động hệ thứ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm dịch vụ thoại số liệu tốc độ thấp dịch vụ số liệu tốc độ cao, video truyền Tốc độ cực đại người sử dụng lên đến 2Mhz Nhưng tốc độ cực đại có ô pico nhà, dịch vụ với tốc dộ 14,4Kbps đảm bảo cho di động thông thường ô macro 1.2 Môi trường vô tuyến thông tin di động Trong kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu bao gồm tín hiệu đến trực tiếp thu hoàn hảo tín hiệu khác Trong kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi suốt trình truyền, tín hiệu nhận tổng hợp thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ tín hiệu khác Quan trọng kênh truyền cộng nhiễu vào tín hiệu gây dịch tần số sóng mang máy phát máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler) Chất lượng hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền Do đó, hiểu biết ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu vấn đề qua trọng Kênh truyền tín hiệu OFDM môi trường truyền sóng điện từ máy phát máy thu Trong trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến tác động tạp âm bên nhiễu giao thoa lơn Kênh truyền vô tuyến môi trường truyền đa đường chịu ảnh hưởng đáng kể Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số Với đặc tính truyền tín hiệu sóng mang trực giao, phân chia băng tần gốc thành nhiều băng tần nhau, kỹ thuật OFDM khắc phục Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh ảnh hưởng fading lựa chọn tần số, kênh coi kênh fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM hạn chế ảnh hưởng fading nhiều tia, đảm bảo đồng ký tự đồng sóng mang 1.3 Suy hao đường truyền Suy hao đường truyền dẫn trung bình xảy tượng như: mở rộng hướng tín hiệu, hấp thụ tín hiệu nước, phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách biện độ chậm thuê bao di chuyển với tốc độ cao Tại anten phát, sóng vô tuyến truyền theo hướng (nghĩa sóng mở rộng theo hình cầu) Ngay sử dụng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng mở rộng dạng hình cầu mật độ lượng tập trung vào vùng ta thiết kế Vì thế, mật độ công suất sóng tỷ lệ với diện tích mặt cầu Phương trình (1.1) tính công suất thu sau truyền tín hiệu qua khoảng cách R: 111Equation Chapter (Next) Section Chapter Section PR PT : Công suất phát (W) GT 211Equation (1.1) : Công suất tín hiệu thu (W) GR  λ  PR = PT GT GR  ÷  4π R  : Độ lợi anten thu ( anten đẳng hướng) : Độ lợi anten phát λ : Bước sóng sóng mang R : Khoảng cách truyền Hoặc ta viết lại là: Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh PT  4π R  1 4π 2 1 = = R f ÷ PR  λ  GT GR C GT GR (1.2) Gọi Lpt hệ số suy hao việc truyền dẫn không gian tự : Lpt ( dB) = PT ( dB) − PR ( dB) = −10 log GT − 10 log GR + 20 logf + 20 logR − 47, dB (1.3) Ví dụ, kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, điều kiện không gian tự không thỏa mãn, có công thức tính suy hao đường truyền sau: Lpt = −10 log10 GT − 10 log10 GR − 20 log10 hBS − 20 log10 hMS − 40 log10 R (1.4) Với hBS, hMS [...]... chúng ta vẫn có thể khắc phục được Nên công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống như Wimax, Vowifi, trong các tiêu chuẩn IEEE Kỹ thuật này là cơ sở cho các hệ thống di dộng thứ 3, thứ 4 và các hệ thống khác nữa 28 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh Chương 3 HỆ THỐNG MIMO 3.1 giới thiệu MIMO là hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hóa nhằm tăng... hệ thống OFDM[5] Các tín hiệu OFDM thường được tạo ra trong miền số do sự phức tạp khi phải tạo ra một số lượng lớn các bộ dao động khóa pha và các bộ thu trong miền tương tự Hình 2.6 mô tả sơ đồ khối hệ của một hệ thống thu phát OFDM 18 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh tiêu biểu Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Máy phát sẽ chuyển đổi chuỗi dữ liệu nối tiếp thành song song và đưa vào... tại phía phát và/ hoặc phía thu Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho các tín hiệu không tương quan với nhau Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến... hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường Trong phân tập anten phát, nhiều anten được sử dụng ở nơi phát, dữ liệu được xử lý ở nơi phát, kế đến dữ liệu được đưa đến các anten phát Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiều chiều (multi - dimensinal diversity) 3.2.2 Phân tập tần số Đây là kỹ thuật. .. khoảng cách giữa các anten là khá nhỏ nên tín hiệu tại anten là các phiên bản giống nhau bị trễ, trong hệ thống MIMO sử dụng hệ thống mã hóa không gian - thời gian STC(Space-timecode) Các anten được thiết kế với khoảng cách đủ lớn để các tín hiệu tại anten không ảnh hưởng lẫn nhau Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và tán xạ mạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn... chung của hệ thống đơn sóng mang Với quá trình điều chế đơn sóng mang, tín hiệu được biểu diễn như sau: S (t) = ∑ al g (t − lTl ) l (2.1) Trong đó là dữ liệu đầu vào của ký tự thứ l 2.2.2 Hệ thống đa sóng mang Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác Tức là hệ thống đa sóng mang chia tín hiệu ban đầu thành các luồng tín hiệu khác nhau, và điều... thừa trong miền không gian Phân tập không gian làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai Phân tập phân cực (Polarization) và phân tập góc (Angle diversity) là hai khía cạnh của phân tập không gian Hình 3.2 Mô hình phân tập không gian  Phân tập phân cực : Tín hiệu có phân cực đứng và phân cực ngang được phát bởi anten có hai phân. .. nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu nhiên trong khoảng [0.2π] Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải Vì vậy hàm pdf của các thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình không và phương sai đồng nhất theo định lí giới hạn trung... hiệu quả đã và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi ngày nay là kỹ thuật OFDM, cùng với hệ thống MIMO Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về nó ở các chương sau 14 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh Chương 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 2.1 Giới thiệu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu... FDM và OFDM Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài khuyết điểm cần khắc phục 2.2 Khái niệm chung 2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang Hệ thống đơn sóng mang là hệ thống mà dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang 15 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh Hình 2.2 Sơ đồ ... Vì mục đích đề tài giới thiệu tìm hiểu hệ thống MIMOOFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phân tích vấn đề nêu lý thuyết Nội dung đồ án bao gồm chương sau: Chương : Lý thuyết sở Chương... kỹ thuật nghiên cứu thử nghiệm có hệ thống khác làm tương tự Nổi bật hệ thống MIMO Việc sử dụng kỹ thuật hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền cách đáng kể, nâng cao dung lượng hệ thống. .. công nghệ áp dụng rộng rãi hệ thống Wimax, Vowifi, tiêu chuẩn IEEE Kỹ thuật sở cho hệ thống di dộng thứ 3, thứ hệ thống khác 28 Đồ án tốt nghiệp Đại học GVHD: TS Đặng Xuân Vinh Chương HỆ THỐNG