Nâng cao chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến, nhất là hệ thống thông tindi động đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Sự ra đời của mạng diđộng thứ hệ thứ 4 (4G LTE) đã đề xuất ứng dụng kỹ thuật MIMO OFDM cho tuyếnxuống (downlink). Trong hệ thống MIMO bài toán tách tín hiệu hiệu quả ở ghép kênhkhông gian nhằm khai thác triệt để dung lượng vốn có của nó có tính chất quyết định.Các thuật toán tách tín hiệu ghép kênh không gian thường có độ phức tạp cao, vì vậynghiên cứu ứng dụng tách sóng MIMO VBLAST sẽ cho thấy được những ưu nhượcđiểm của các thuật toán tách sóng khác nhau và đề xuất giải pháp có độ phức tạpthấp hơn cho máy thu mà chất lượng của tín hiệu vẫn được đảm bảo.Về phần nội dung: Đề tài Giải thuật VBLAST trong tách sóng MIMO tìm hiểumột kênh vô tuyến di động cơ bản sẽ bao gồm những gì, trong đó khảo sát cụ thể phânbố Rayleigh và phân bố Ricean đồng thời tìm hiểu về mô hình kênh pha đinh phạmvi hẹp. Sau đó xem xét hiệu năng của các hệ thống SISO, SIMO, MISO và MIMO.Đồ án sẽ tập trung vào tìm hiểu tách sóng VBLAST trong MIMO, cụ thể khảo sátkiến trúc hệ thống VBLAST, các giải thuật tách sóng tín hiệu, máy thu tuyến tínhvà máy thu VBLAST kết hợp bao gồm máy thu VBLASTZF, VBLASTLLSE,VBLASTZFMAP, VBLASTLLLSEMAP.Đồ án được kết cấu thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống vô tuyến di động. Chương 2: Tổng quan về hệ thống MIMO. Chương 3: Tách sóng VBLAST trong MIMO. Chương 4: Mô phỏng VBLAST trong MIMO VBLAST.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: GIẢI THUẬT V-BLAST TRONG TÁCH SÓNG MIMO NGƯỜI THỰC HIỆN : TRẦN VĂN NGHĨA LỚP : 09DT3 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : ThS HOÀNG MINH HUY Đà Nẵng - 2014 LỜI CAM ĐOAN Lời cam đoan Em tên Trần Văn Nghĩa, Hiện sinh viên lớp 09DT3, khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng Em xin cam đoan nội dung Đồ án chép hoàn toàn Đồ án Công trình có từ trước Đà Nẵng, tháng 05 năm 2014 Trần Văn Nghĩa MỤC LỤC Mục lục Các từ viết tắt Danh sách hình vẽ Lời mở đầu 11 TỔNG QUAN VỀ KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN 13 1.1 Giới thiệu chương 13 1.2 Mở đầu chương 13 1.3 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến 14 1.4 Kênh truyền vô tuyến 15 1.4.1 Giới thiệu 15 1.4.2 Các tưởng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 16 Phân bố Rayleigh Phân bố Ricean 20 1.5.1 Phân bố Rayleigh 21 1.5.2 Phân bố Ricean 22 Mô hình kênh pha đinh phạm vi hẹp 23 1.6.1 Đáp ứng xung kim kênh (CIR) 23 1.6.2 Mô hình kênh vô tuyến di động đa đường 24 1.6.3 Phân loại pha đinh phạm vi hẹp 25 1.5 1.6 1.7 Kết luận chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO 27 28 2.1 Mở đầu chương 28 2.2 Mô hình kênh truyền sóng MIMO 28 2.2.1 Mô hình kênh MIMO 28 2.2.2 Hàm kênh MIMO 33 Hiệu hệ thống MIMO 36 2.3 MỤC LỤC 2.4 2.3.1 Hiệu kênh SISO, SIMO, MISO MIMO 36 2.3.2 Ảnh hưởng đường truyền trực tiếp (LOS) lên kênh MIMO 40 Kết luận 41 TÁCH SÓNG V-BLAST TRONG MIMO 43 3.1 Mở đầu chương 43 3.2 Kiến trúc hệ thống V-BLAST 44 3.2.1 Kiến trúc V-BLAST 44 3.2.2 So sánh SIC PIC 45 3.2.3 Ảnh hưởng truyền lan lỗi 46 Các giải thuật tách sóng tín hiệu 47 3.3.1 Khái niệm chung 47 3.3.2 Giải thuật xác suất hậu nghiệm cực đại MAP 50 3.3.3 Giải thuật khả giống cực đại (ML: Maximum Likelihood) 50 Máy thu tuyến tính 50 3.4.1 Máy thu ZF 51 3.4.2 Máy thu LLSE hay MMSE 51 Máy thu V-BLAST 51 3.5.1 Giải thuật tách sóng V-BLAST/ZF 53 3.5.2 Giải thuật tách sóng V-BLAST/LLSE 55 3.5.3 Giải thuật tách sóng V-BLAST/ZF/MAP 55 3.5.4 Giải thuật tách sóng V-BLAST/LLSE/MAP 57 Kết luận 57 3.3 3.4 3.5 3.6 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 58 4.1 Mở đầu chương 58 4.2 Mô hình kịch mô 59 4.3 Mô giải thuật tách sóng V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE 59 4.3.1 Giải thuật ZF 59 4.3.2 Giải thuật V-BLAST/ZF 61 4.3.3 Giải thuật LLSE 62 4.3.4 Giải thuật V-BLAST/LLSE 63 4.3.5 Kết mô 64 4.3.6 Nhật xét kết 65 MỤC LỤC 4.4 4.5 Mô tách V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE kết hợp với giải thuật MAP 66 4.4.1 Giải thuật V-BLAST/ZF/MAP 66 4.4.2 Giải thuật V-BLAST/LLSE/MAP 67 4.4.3 Kết mô 68 4.4.4 Nhận xét kết 69 Kết luận 70 Hướng phát triển đề tài 71 Tài liệu tham khảo 73 Phụ lục 75 CÁC TỪ VIẾT TẮT Các từ viết tắt 3G Third Generation Thế hệ thứ ba ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu ô lân cận AWGN Addictive White Gaussion Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BLAST Bell Labs Layered Space-Time Ar- Kiến trúc không gian thời gian A B chitecture phân lớp phòng thí nghiệm Bell BPSK Binary Phase-Shift Keying Điều chế pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CCI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy CDMA Code-Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CSI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu sóng mang ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu ký hiệu C D DPS I L CÁC TỪ VIẾT TẮT LOS Line of Sight Đường truyền thẳng LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MA Multiple Access Đa truy cập MAP Maximum a Posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm cực đại ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều ngõ vào nhiều M ngõ MISO Multiple Input Single Output Nhiều ngõ vào ngõ MMSE Minimum Mean Squared Error Tối thiểu hóa trung bình bình phương lỗi MS Mobile Station Trạm di động MSE Mean Squared Error Trung bình bình phương lỗi MPIC Multi-Stage Parallel Interference Loại bỏ nhiễu song song MQAM Multilevel QAM QAM nhiều mức Normalized Received Power Công suất thu chuẩn hóa N NRP O OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiple trực giao Probability Density Function Ghép kênh phân chia theo tần số P PDF trực giao PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi kép QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Root mean square Delay Spread Trải trễ trung bình quân phương Q R RDS CÁC TỪ VIẾT TẮT rms root mean square Trung bình quân phương SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần SER Symbol Error Rate Tỉ số lỗi ký hiệu SIC Serial Interference Cancellation Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIMO Single Input Multiple Output Một ngõ vào nhiều ngõ SIR Signal - to - Interference Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SINR Signal - to - Interference plus Noise Tỷ số tín hiệu nhiễu cộng Ratio tạp âm SNR Signal - to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SISO Single Input Single Output Một ngõ vào ngõ STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn Transmitter Máy phát Receiver Máy thu Zero Forcing Cưỡng không S T TX R RX Z ZF DANH SÁCH HÌNH VẼ Danh sách hình vẽ 1.1 Mô tả hệ thống thông tin vô tuyến 14 1.2 Hiện tượng truyền sóng đa đường 17 1.3 Hàm truyền đạt kênh truyền di động 17 1.4 Suy hao đa đường 18 1.5 Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 < W ) 19 1.6 Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0 < W ) 20 1.7 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 22 1.8 Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k = −∞dB(Rayleigh) k = dB Với k 1.9 1, giá trị trung bình phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss 23 Đáp ứng xung kim kênh a) CIR băng thông, b) CIR băng gốc 24 1.10 Mô hình kênh vô tuyến đa đường theo mô hình elip Parsons Bajwa 24 1.11 Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp 25 1.12 Khái niệm phân loại kênh pha đinh 26 2.1 Mô hình kênh AWGN song song 29 2.2 Sơ đồ kênh MIMO 30 2.3 Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành kênh phađinh phẳng song song tương đương dưạ SVD 33 2.4 MRRC hai nhánh 34 2.5 Hệ thống SIMO × y1 y2 tín hiệu đầu ra, h1,1 h1,2 kênh cặp phát thu 2.6 37 Hệ thống MISO × x1 x2 tín hiệu đầu vào; y tín hiệu đầu ra; h1,1 h1,2 đáp ứng xung kim kênh cặp thu phát 38 DANH SÁCH HÌNH VẼ 2.7 Hệ thống MIMO × x1 x2 tín hiệu đầu vào; y1 y2 tín hiệu đầu ra; h1,1 , h1,2 , h2,1 h2,2 kênh cặp phát thu 39 3.1 Sơ đồ hệ thống V-BLAST môi trường giàu tán xạ 44 3.2 Sơ đồ hệ thống V-BLAST môi trường giàu tán xạ 47 3.3 Điều chế, truyền dẫn định hệ thống MIMO 48 4.1 Mô hình mô hệ thống MIMO-VBLAST 59 4.2 Lưu đồ thực giải thuật tách sóng ZF 60 4.3 Lưu đồ thực giải thuật tách sóng V-BLAST/ZF 61 4.4 Lưu đồ thực giải thuật LLSE 62 4.5 Lưu đồ thực giải thuật V-BLAST/LLSE 63 4.6 Tỉ số lỗi ký hiệu SER máy thu: ZF; LLSE; V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE Mô cho (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 16-QAM 4.7 Tỉ số lỗi ký hiệu SER máy thu: ZF; LLSE; V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE Mô cho (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 4-QAM 4.8 64 64 Tỉ số lỗi ký hiệu SER máy thu: ZF; LLSE; V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE Mô cho (nt , nr ) = (2, 4) điều chế 16-QAM 65 Lưu đồ thực giải thuật V-BLAST/ZF/MAP tổng thể 66 4.10 Lưu đồ thực giải thuật V-BLAST/LLSE/MAP tổng thể 67 4.9 4.11 SER máy thu: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Khi (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 16-QAM 68 4.12 SER máy thu: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Khi (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 4-QAM 68 4.13 SER máy thu: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Khi (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 64-QAM 69 10 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.4.3 Kết mô SER for 16−QAM modulation with 8x12 MIMO V−BLAST, F = 10000 10 −1 SER 10 V−BLAST/ZF V−BLAST/LLSE V−BLAST/ZF/MAP V−BLAST/LLSE/MAP −2 10 −3 10 −4 10 −10 −5 SNR(dB) Hình 4.11: SER máy thu: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Khi (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 16-QAM SER for 4−QAM modulation with 8x12 MIMO V−BLAST, F = 10000 10 V−BLAST/ZF V−BLAST/LLSE V−BLAST/ZF/MAP V−BLAST/LLSE/MAP −1 SER 10 −2 10 −3 10 −4 10 −10 −8 −6 −4 SNR(dB) −2 Hình 4.12: SER máy thu: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Khi (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 4-QAM 68 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ SER for 64−QAM modulation with 8x12 MIMO V−BLAST, F = 10000 10 V−BLAST/ZF V−BLAST/LLSE V−BLAST/ZF/MAP V−BLAST/LLSE/MAP −1 SER 10 −2 10 −3 10 −4 10 −5 10 SNR(dB) Hình 4.13: SER máy thu: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Khi (nt , nr ) = (8, 12) điều chế 64-QAM 4.4.4 Nhận xét kết Sau mô hệ thống MIMO có (nt , nr ) = (8, 12) dùng kỹ thuật điều chế 4-QAM, 16-QAM máy thu kết hợp V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; VBLAST/ZF/MAP; V-BLAST/LLSE/MAP Eb /N0 nằm khoảng từ -10 dB đến dB Tỉ số lỗi ký hiệu SER tính toán cách thực mô 10.000 lần giá trị Eb /N0 Lẫy mấu kênh H tương ứng giá trị Eb /N0 vòng lập Kết cho thấy máy thu VBLAST kết hợp với giải thuật xác suất hậu nghiệm cực đại MAP cho hệ số phẩm chất SER tốt so với máy thu kết hợp V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE Điều giải thích quy tắc tách sóng giải thuật MAP, có độ phức tạp cao bù lại SER tốt Cụ thể: Với điều chế 4-QAM, SER = 10−3 dB: Máy thu kết hợp V-BLAST/ZF/MAP có SNR -0.3 dB; V-BLAST/LLSE/MAP có SNR -0.2 dB; máy thu VBLAST/ZF có SNR = 0.3 dB; V-BLAST/LLSE có SNR = dB Với điều chế 16-QAM, SER = 10−3 dB: Máy thu kết hợp V-BLAST/ZF/MAP có SNR 3.5 dB; V-BLAST/LLSE/MAP có SNR 3.6 dB; máy thu V-BLAST/ZF có SNR = 4.7 dB; V-BLAST/LLSE có SNR = 4.8 dB Với điều chế 64-QAM, muốn đạt hệ số phẩm chất SER tốt ta cần phải nâng công suất phát lên dB so với điều chế 4-QAM 16-QAM Nghĩa là, kỹ thuật điều chế 64-QAM đạt hiệu suất sử dụng phổ cao 69 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Máy thu kết hợp V-BLAST/MAP đạt hệ số phẩm chất SER gần với máy thu ML tối ưu trì độ phức tạp gần V-BLAST 4.5 Kết luận Chương trình bày ngắn gọn quy tắc tách sóng ký hiệu cho kênh MIMO như: MAP, ML; xét máy thu dùng mô tách tín hiệu MIMO-VBLAST (máy thu ZF, máy thu MMSE; máy thu V-BLAST) Từ ta thấy V-BLAST sơ đồ tách ký hiệu đa lớp, tách ký hiệu phát từ anten phát khác theo trình tự liệu độc lập, kết hợp V-BLAST MAP (V-BLAST/MAP) mở rộng giải thuật V-BLAST, V-BLAST/MAP kết hợp tính MAP (the maximum a-posteriori) với quy tắc V-BLAST, V-BLAST/MAP khác với V-BLAST chỗ thứ tự tách ký hiệu Để tường minh đề tài xây dựng mô hình, lưu đồ thuật toán, chương trình mô phỏng: ❼ Ở dạng độc lập như: Giải thuật ZF; Giải thuật LLSE; Giải thuật V-BLAST; Giải thuật MAP ❼ Ở dạng kết hợp chúng gồm: Giải thuật V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; Giải thuật V-BLAST/ZF/MAP V-BLAST/LLSE/MAP Từ kết mô cho thấy kết hợp giải thuật này, hiệu chất lượng SER hệ thống cải thiện đáng kể, đặc biệt V-BLAST/MAP đạt tỉ lệ lỗi ký hiệu SER gần với sơ đồ ML tối ưu trì mức độ phức tạp ngần V-BLAST 70 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Hướng phát triển đề tài Như đề tài thực công việc sau: ❼ Tìm hiểu đặc tính kênh vô tuyến di động ảnh hưởng chúng lên tín hiệu ❼ Tổng quan hệ thống MIMO, xây dựng mô hình SVD MIMO ❼ Nghiên cứu kiến trúc V-BLAST mô máy thu với giải thuật tách tín hiệu cho kênh MIMO: Giải thuật: V-BLAST/ZF Giải thuật: V-BLAST/LLSE Giải thuật: V-BLAST/ZF/MAP Giải thuật: V-BLAST/LLSE/MAP Cụ thể: Nghiên cứu kênh vô tuyến, đặc trưng kênh vô tuyến, phương pháp lập mô hình hệ thống MIMO sở phân chia giá trị đơn SVD kênh MIMO Phương pháp cho phép ta dễ dàng đánh giá tổng quát tổng quát ưu điểm MIMO mặt dung lượng hệ thống Dựa việc phân tích SVD cho kênh vô tuyến MIMO, cho phép ta xây dựng mô hình kênh mô hình hệ thống MIMO khác đánh giá hiệu Đề tài trình bày ngắn gọn quy tắc tách sóng ký hiệu cho kênh MIMO như: quy tắc xác suất hậu nghiệm cực đại (MAP), quy tắc khả giống cực đại (ML); nghiên cứu máy thu dùng mô tách sóng tín hiệu cho hệ thống MIMO V-BLAST (máy thu ZF, máy thu LLSE, máy thu V-BLAST) Từ ta thấy V-BLAST sơ đồ tách tín hiệu đa lớp, thực tách symbol phát từ anten phát khác theo trình tự liệu độc lập Khi kết hợp V-BLAST MAP 71 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI (V-BLAST/MAP) mở rộng giải thuật V-BLAST, V-BLAST/MAP kết hợp tính MAP với quy tắc V-BLAST, V-BLAST/MAP khác với V-BLAST chỗ thứ tự tách symbol Để cụ thể đề tài xây dựng mô hình, thuật toán mô phỏng, chương trình mô máy thu MIMO V-BLAST với giải thuật: giải thuật ZF; giải thuật LLSE; giải thuật V-BLAST; giải thuật VBLAST/ZF; giải thuật V-BLAST/LLSE; giải thuật V-BLAST/ZF/MAP; giải thuật V-BLAST/LLSE/MAP Từ kết mô cho thấy kết hợp giải thuật này, tỷ số ký tự SER hệ thống giảm cách đáng kể, đặc biệt V-BLAST/MAP có SER thấp trì độ phức tạp gần V-BLAST Hướng phát triển đề tài: ❼ Nghiên cứu thuật toán mô cho hệ thống MIMO kênh truyền pha đinh biến đổi nhanh ❼ Các thuật toán nghiên có độ phức tạp cao, cần phải giảm độ phức tạp thuật toán 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo [1] TS Nguyễn Lê Hùng, "Thông tin di động," Khoa Điện tử Viễn thông - Đại học Bách khoa Đà Nẵng 2012 [2] Helmut B¨ olcskei - Arogyaswami J.Paulraj, Multiple-Input, Multiple-Output MIMO Wireless System, Urbana-Champaign 126 Computer and System Research Lab Information Systems Laboratory, Standford University [3] Zhendong Luo - Dawei Huang, Intergrated Map Detector for V-BLAST Systems, Bell Labs Research China, Alcatel Lucent - Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, July 2008 [4] J H Chong - S Khatun, N K Noordin - B M Ali - M J Syed, Joint Optimal Detection of Ordering SIC ZF and SIC ZF MAP for VBLAST/STBC Wireless Communications Systems, Falcuty of Engineering, University Putra Malaysia - Telecom Research & Development Sdn Bhd, UPM-MTDC [5] Dongfeng Zhao - Daoben Li, A Modified Decoding Algorithm of V-BLAST Architecture, Key Laboratory of Information and Processing Intelligent Technology Information Engineering School [6] Vivek Bhojak - Ashish Sharma, MIMO Wireless Systems: V-BLAST Architecture, Department of Electronic and Communication Engineering, ANAND International College of Engineering - Suresh Gyan Vihar University [7] Gurpreet Singh - Priyanka Mishra - Rhahul Vij , Performance Evaluation of ML - VBLAST MIMO decoder using different antenna configuration using Ricean and Rayleigh Channel, Shaheed Bhagat, Singh State Technical Campus, Ferospur, Punjab, United Group of Insitutation, Allahabad, L R of Institute of Engineering, Solan 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [8] P W Wolniansky - G J Foschini - G.D Golden - R A Valenzuela, V-BLAST: An Architecture for Realizing Very High Data Rates Over Rich-Scattering Wireless Channel, Bell Laboratories, Lucent Technologies, Crawford Hill Laboratory [9] Edward K S Au - Shi Jin, Analatycal Performance of MIMO-SVD Systems in Ricean Fading Channels With Channel Estimation Error and Feedback Delay [10] Joya Jubair J - P J Deore - B P Patil, Performance And Analysis of MIMO Technology Using V-BLAST Maximum A Posteriori (MAP), E&T C Department, RCPIT, Shirpur, India [11] David TSe - Berkeley Pramod Viswanath, The Fundamental of Wireless Communication, University of California, University of Illinois, Urbana-Champaign, August 13 - 2004 74 PHỤ LỤC Phụ lục Đề tài xây dựng chương trình mô giải thuật V-BLAST tách sóng MIMO dùng MATLAB toolbox nằm thư viện MATLAB cung cấp Chương trình mô bao gồm giải thuật: ❼ ZF, LLSE ❼ V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE ❼ V-BLAST/ZF/MAP, V-BLAST/LLSE/MAP Chương trình mô giải thuật ZF, LLSE, V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE hệ thống MIMO 8x12, dùng kỹ thuật điều chế 4-QAM: SimulateZFMMSEandVBLASTZFMMSE.m 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 %Simulate V-BLAST ZF, V-BLAST LLSE, ZF, LLSE % Using 4-QAM Modulation % Number of Transciever antennas is % Number of Reciever antennas is 12 clear all; close all; partition = [-2,0,2]; xcodebook = [-3,-1,1,3]; ycodebook = xcodebook; M = 8; N = 12; Es = 2*sum(xcodebook*xcodebook')/size(xcodebook,2); Eb = Es/(2*log2(size(xcodebook,2))); EbN0 = -10:0.75:5; N0 = Eb./10.^(EbN0/10); F = 1000; for T = 1:length(EbN0) er = 0; %block error event counter bler(T) = 0; %block error rate 75 PHỤ LỤC 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 % V-BLAST/LLSE Algorithm mer = 0; %block error event counter mbler(T) = 0; %block error rate % ZF Algorithm zer = 0; %block error event counter zbler(T) = 0; %block error rate % LLSE Algorithm ser = 0; %block error event counter sbler(T) = 0; %block error rate for f = 1:F x = randsrc(M,1,xcodebook) + j*(randsrc(M,1,ycodebook)); H = (randn(N,M) + j*randn(N,M))/sqrt(2); no = (randn(N,1) + j*randn(N,1))*sqrt(N0(T)/2); y = H*x + no; % Copy r and H for ZF zH = H; zy = y; % Copy r and H for LLSE sH = H; sy = y; % Copy r and H for V-BLAST/LLSE mH = H; my =y; %V-LAST/ZF begins k = zeros(1,M); W1 = pinv(H); for i = 1:M for J = 1:M n(J) = (norm(W1(J,:)))^2; end for t = 1:i-1 n(k(t)) = Inf; end [Y,I] = min(n); k(i) = I; w = W1(I,:); z = w*y; [o,n1] = quantiz(real(z),partition,xcodebook); [o,n2] = quantiz(imag(z),partition,ycodebook); xest(I) = n1 + j*n2; y = y - xest(I)*H(:,I); H(:,I) = 0; W1 = pinv(H); end % end i loop if sum(abs(x - xest.')) = 76 PHỤ LỤC 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 er = er + 1; end % V-BLAST/LLSE begins k = zeros(1,M); W_1 = Es*mH'*pinv(Es*mH*mH' + N0(T)*eye(N)); for i = 1:M for J = 1:M n(J) = (norm(W_1(J,:)))^2; end for t = 1:i-1 n(k(t)) = Inf; end [Y,I] = min(n); k(i) = I; mz = W_1(I,:)*my; [o,n1] = quantiz(real(mz),partition,xcodebook); [o,n2] = quantiz(imag(mz),partition,ycodebook); mxest(I) = n1 + j*n2; my = my - mxest(I)*mH(:,I); mH(:,I) = 0; W_1 = Es*mH'*pinv(Es*mH*mH' + N0(T)*eye(N)); end if sum(abs(x - mxest.')) =0 mer = mer + 1; end %ZF Algorithm begins zxest=zeros(1,M); zW=pinv(zH); zz=zW*zy; for J=1:M [o,n1(J)]= quantiz(real(zz(J)),partition,xcodebook); [o,n2(J)]= quantiz(imag(zz(J)),partition,ycodebook); end zxest(1:M)= n1(1:M)+ j*n2(1:M); if sum(abs(x-zxest.')) =0; zer = zer+1; end %LLSE Algorithm begins sz = Es*sH'*pinv(Es*sH*sH'+N0(T)*eye(N))*sy; for J=1:M [o,n1(J)]= quantiz(real(sz(J)),partition,xcodebook); [o,n2(J)]= quantiz(imag(sz(J)),partition,ycodebook); end sxest = n1 +j*n2; if sum(abs(x-sxest.'))=0; ser = ser+1; 77 PHỤ LỤC 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 end end bler(T)=(er)/F; mbler(T)=(mer)/F; zbler(T)=(zer)/F; sbler(T)=(ser)/F; end %end T loop figure semilogy(EbN0,bler,'-dr'); xlabel('SNR(dB)');ylabel('SER'); title('SER for 4-QAM modulation with 8x12 MIMO V-BLAST, F = 10000'); hold on; semilogy(EbN0,mbler,'-+b'); semilogy(EbN0,zbler,'-*r'); semilogy(EbN0,sbler,'-ob'); hold off; legend('V-BLAST/ZF','V-BLAST/LLSE','ZF','LLSE','lacation','West'); grid Chương trình mô giải thuật V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE, VBLAST/ZF/MAP, V-BLAST/LLSE/MAP hệ thống MIMO 8x12, dùng kỹ thuật điều chế 16-QAM: SimulateVBLASTZFVBLASTMMSEandMAP.m 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 %Simulate V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE, V-BLAST/ZF/MAP, V-BLAST/LLSE/MAP % Using 16-QAM Modulation % Number of Transciever antennas is % Number of Reciever antennas is 12 clear all; close all; partition = [-2,0,2]; xcodebook = [-3,-1,1,3]; ycodebook = xcodebook; for i1 = 1:size(xcodebook,2) for i2 = 1:size(xcodebook,2) constellation((i1-1)*4 + i2) = xcodebook(i1) + j*ycodebook(i2); end end M = 8; N = 12; Es = 2*sum(xcodebook*xcodebook')/size(xcodebook,2); Eb = Es/(2*log2(size(xcodebook,2))); EbN0 = -10:0.75:5; 78 PHỤ LỤC 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 N0 = Eb./10.^(EbN0/10); randn('state',12); rand('state',12); F = 10000; for T = 1:length(EbN0) %tic er = 0; bler(T) = 0; % V-Blast/LLSE algorithm mer = 0; mbler(T) = 0; % V-blast/ZF/MAP Algorithm zer = 0; zbler(T) = 0; % V-BLAST/LLSE/MAP Algorithm ser = 0; sbler(T) = 0; for f = 1:F x = randsrc(M,1,xcodebook) + j*(randsrc(M,1,ycodebook)); H = (randn(N,M) + j*randn(N,M))/sqrt(2); no = (randn(N,1) + j*randn(N,1))*sqrt((N0(T)/2)); y = H*x + no; % Copy r and H for V-blast/ZF/MAP zH = H; zy = y; % Copy r and H for V-blast/LLSE/MAP sH = H; sy = y; % Copy r and H for V-blast/LLSE mH = H; my = y; %%V-blast/ZF k = zeros(1,M); W1 = pinv(H); for i = 1:M for J = 1:M n(J) = (norm(W1(J,:)))^2; end for t = 1:i-1 n(k(t)) = Inf; end [Y,I] = min(n); k(i) = I; w = W1(I,:); z = w*y; [o,n1] = quantiz(real(z),partition,xcodebook); 79 PHỤ LỤC 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 [o,n2] = quantiz(imag(z),partition,ycodebook); xest(I) = n1 + j*n2; y = y - xest(I)*H(:,I); H(:,I) = 0; W1 = pinv(H); end % end i loop if sum(abs(x - xest.')) = er = er + 1; end % V-blast/LLSE k = zeros(1,M); W_1 = Es*mH'*pinv(Es*mH*mH' + N0(T)*eye(N)); for i = 1:M for J = 1:M n(J) = (norm(W_1(J,:)))^2; end for t = 1:i-1 n(k(t)) = Inf; end [Y,I] = min(n); k(i) = I; mz = W_1(I,:)*my; [o,n1] = quantiz(real(mz),partition,xcodebook); [o,n2] = quantiz(imag(mz),partition,ycodebook); mxest(I) = n1 + j*n2; my = my - mxest(I)*mH(:,I); mH(:,I) = 0; W_1 = Es*mH'*pinv(Es*mH*mH' + N0(T)*eye(N)); end if sum(abs(x - mxest.')) =0 mer = mer + 1; end % V-blast/ZF/MAP W = pinv(zH); zdecision = zeros(M,1); p = zeros(1,M); zk = zeros(1,M); ahat = zeros(1,M); for i = 1:M zdecision = W*zy; for J = 1:M if size(find(zk == J),2) == [o,n1] = quantiz(real(zdecision(J)),partition, xcodebook); 80 PHỤ LỤC [o,n2] = quantiz(imag(zdecision(J)),partition, ycodebook); n(J) = N0(T)*(norm(W(J,:)))^2; ahat(J) = n1 + j*n2; % Caculating trusted probability desicion pij numerat = exp(-(1/n(J))*(abs(ahat(J) - zdecision(J)))^2); denom = 0; for i1 = 1:size(constellation,2) denom = denom + exp(-(1/n(J))* (abs(constellation(i1) - zdecision(J)))^2); end p(J) = numerat/denom; 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 else p(J) = -1; 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 end end [Y,I] = max(p); zk(i) = I; zxest(I) = ahat(I); zy = zy - zxest(I)*zH(:,I); zH(:,I) = 0; W = pinv(zH); end if sum(abs(x-zxest.')) = zer = zer + 1; end % V-blast/LLSE/MAP Algorithm W_llse = Es*sH'*pinv(Es*sH*sH' + N0(T)*eye(N)); zdecision1 = zeros(M,1); p = zeros(1,M); k = zeros(1,M); ahat = zeros(1,M); for i = 1:M zdecision1 = W_llse*sy; for J = 1:M if size(find(k == J),2) == [o,n1] = quantiz(real(zdecision1(J)), partition,xcodebook); [o,n2] = quantiz(imag(zdecision1(J)), partition,ycodebook); n(J) = N0(T)*(norm(W_llse(J,:)))^2; ahat(J) = n1 + j*n2; % Caculating trusted probability desicion pij 81 PHỤ LỤC numerat = exp(-(1/n(J))*(abs(ahat(J) -zdecision1(J)))^2); denom = 0; for i1 = 1:size(constellation,2) denom = denom + exp(-(1/n(J))* (abs(constellation(i1) - zdecision1(J)))^2); end p(J) = numerat/denom; 155 156 157 158 159 160 161 162 else 163 p(J) = -1; 164 end 165 end [Y,I] = max(p); k(i) = I; sxest(I) = ahat(I); sy = sy - sxest(I)*sH(:,I); sH(:,I) = 0; W_llse = Es*sH'*pinv(Es*sH*sH' + N0(T)*eye(N)); 166 167 168 169 170 171 172 end if sum(abs(x-sxest.')) ser = ser + 1; end 173 174 175 176 177 = end 178 179 180 181 182 183 %figure bler(T)=(er)/F; mbler(T)=(mer)/F; zbler(T)=(zer)/F; sbler(T)=(ser)/F; 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 end %ket thuc T vong lap % ve hinh bieu dien cac gia tri %d = 8; figure semilogy(EbN0,bler,'-+r') xlabel('SNR(dB)');ylabel('SER'); title('SER for 16-QAM modulation with 8x12 MIMO V-BLAST, F = 10000'); hold on; semilogy(EbN0, mbler,'-db') semilogy(EbN0, zbler,'-or') semilogy(EbN0, sbler,'-*b') hold off; legend('V-BLAST/ZF','V-BLAST/LLSE','V-BLAST/ZF/MAP','V-BLAST/LLSE/MAP', 'lacation','West'); grid 82 [...]... Tìm hiểu về giải thuật tách sóng ZF - Tìm hiểu về giải thuật tách sóng LLSE - Tìm hiểu về giải thuật tách sóng kết hợp - Tìm hiểu về giải thuật tách sóng kết hợp V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE - Tìm hiểu về giải thuật tách sóng kết hợp - Tìm hiểu về giải thuật tách sóng VV-BLAST/ZF/MAP BLAST/LLSE/MAP PHẦN MÔ PHỎNG Trần Văn Nghĩa Đào Đắc Quang - Mô phỏng giải thuật ZF; V-BLAST/ZF; - Mô phỏng giải thuật LLSE;... hiểu tách sóng V-BLAST trong MIMO, cụ thể khảo sát kiến trúc hệ thống V-BLAST, các giải thuật tách sóng tín hiệu, máy thu tuyến tính và máy thu V-BLAST kết hợp bao gồm máy thu V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE, V-BLAST/ZF/MAP, V-BLAST/LLLSE/MAP Đồ án được kết cấu thành 4 chương: ❼ Chương 1: Tổng quan về hệ thống vô tuyến di động ❼ Chương 2: Tổng quan về hệ thống MIMO ❼ Chương 3: Tách sóng V-BLAST trong MIMO. .. ứng dụng kỹ thuật MIMO OFDM cho tuyến xuống (downlink) Trong hệ thống MIMO bài toán tách tín hiệu hiệu quả ở ghép kênh không gian nhằm khai thác triệt để dung lượng vốn có của nó có tính chất quyết định Các thuật toán tách tín hiệu ghép kênh không gian thường có độ phức tạp cao, vì vậy nghiên cứu ứng dụng tách sóng MIMO V-BLAST sẽ cho thấy được những ưu nhược điểm của các thuật toán tách sóng khác nhau... V-BLAST trong MIMO V-BLAST Nội dung công việc của từng thành viên được phân công như bảng sau: 11 LỜI MỞ ĐẦU PHẦN LÝ THUYẾT Trần Văn Nghĩa Đào Đắc Quang 1 Chương 1: Tổng quan về kênh vô tuyến 1 Chương 1: Tổng quan về kênh vô tuyến di động di động 2 Chương 2: Tổng quan về hệ thống 2 Chương 2:Tổng quan về hệ thống MIMO MIMO 3 Chương 3: Tách sóng V-BLAST trong 3 Chương 3: Tách sóng V-BLAST trong MIMO: MIMO: ... giải thuật LLSE; VV-BLAST/ZF/MAP trong hệ thống BLAST/LLSE; V-BLAST/LLSE/MAP MIMO sử dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM Phương pháp nghiên cứu đồ án: Tìm hiểu lý thuyết sau đó xây dựng lưu đồ thuật toán cho từng giải thuật, cuối cùng dùng Matlab mô phỏng và so sánh kết quả giữa các giải thuật Em xin gửi lời cám ơn chân... xuất giải pháp có độ phức tạp thấp hơn cho máy thu mà chất lượng của tín hiệu vẫn được đảm bảo Về phần nội dung: Đề tài "Giải thuật V-BLAST trong tách sóng MIMO" tìm hiểu một kênh vô tuyến di động cơ bản sẽ bao gồm những gì, trong đó khảo sát cụ thể phân bố Rayleigh và phân bố Ricean đồng thời tìm hiểu về mô hình kênh pha đinh phạm vi hẹp Sau đó xem xét hiệu năng của các hệ thống SISO, SIMO, MISO và MIMO. .. định trễ truyền sóng Thành phần LOS Hướng chuyển động Hình 1.10: Mô hình kênh vô tuyến đa đường theo mô hình các elip của Parsons và Bajwa và công suất trung bình của sóng tại anten thu Mỗi sóng trong vùng tán xạ được đặc trưng bởi hình elip thứ chịu cùng một trễ truyền sóng τ = τ0 + ∆τ = 0, 1, , L − 1 (1.13) 24 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong đó τ0 là trễ truyền sóng của thành... kênh MIMO trên cơ sở SVD này cho phép ta dễ ràng đánh giá tổng quát những ưu điểm của MIMO về mặt hiệu năng Dựa trên phương pháp phân tích SVD cho kênh vô tuyến MIMO, cho phép ta xây dựng các mô hình kênh và mô hình hệ thống MIMO khac nhau như: OFDM -MIMO, CDMA -MIMO cũng như đánh giá hiệu năng của hệ thống MIMO Các sơ đồ MIMO được xây dựng trên hai kỹ thuât: phân tập không gian thời gian, ghép kênh không... phạm vi hẹp thành pha đinh nhanh hay chậm Trải Doppler là một thông số trong miền tần số trong khi đó hiện tượng kênh thay đổi nhanh hay chậm lại phụ thuộc miền thời gian Vậy trong trường hợp này, trải Doppler, thông số trong miền tần số, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền thời gian Hiểu biết được các quan hệ này sẽ hỗ trợ ta trong quá trình thiết kế hệ thống Hình 1.11: Phân loại kênh pha đinh phạm... 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO 2.1 Mở đầu chương Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm của kênh truyền vô tuyến ở chương 1 Ở chương 2 chúng ta đi xem xét mô hình kênh truyền sóng MIMO: Nghiên cứu phương pháp thành lập mô hình kênh thông tin vô tuyến MIMO trên cơ sở phân chia giá trị đơn (SVD: singular value decomposition) Phương pháp xây dựng kênh MIMO trên cơ sở SVD này