Ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống MIMO OFDM

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDMKỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến. Kỹ thuật này cho phép truyền dữliệu với tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả. Ngoài ra OFDM có đặc điểm nổi bật là khả năng chống lại fading lựa chọn tần số cao bằng cách sử dụng kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.Kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trong hệ thống thông tin, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Đặc biệt đối với kênh truyền vô tuyến, nó không ổn định và không thể dự đoán chính xác được. Vì vậy nắm được các đặc tính kênh truyền sẽ giúp lựa chọn cấu trúc, thông số phù hợp cho hệ thống.Chương 2: Hệ thống MIMOOFDMMIMOOFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống. Chương 2 trình bày về hệ thống MIMO và các các dạng cấu hình của nó, các kỹ thuật phân tập của, hệ thống MIMOOFDM kết hợp và mô hình toán học của nó.Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDMTrong hệ thống MIMO, máy phát sử dụng nhiều anten để truyền tín hiệu với máy thu (một máy thu có thể có nhiều anten), đây chính là kỹ thuật SDMA. Hệ thống này kết hợp với sử dụng kỹ thuật OFDM sẽ làm tăng đáng kể năng lực truyền thông băng rộng hông dây. Tuy nhiên, tại mỗi thuê bao, ngoài tín hiệu mong muốn thu được còn có các thành phần không mong muốn khác mà về mặt công suất là tương đương với tín hiệu mong muốn. Kỹ thuật tiền mã hóa giúp loại bỏ những thành phần nhiễu này.Các phương pháp tiền mã hóa được chia làm hai loại chính: tuyến tính (như phương pháp Zeroforcing, MMSE) và phi tuyến (như DPC, THS). Các phương pháp phi tuyến cho độ chính xác cao nhưng phức tạp, thực hiện khó khăn, trong khi đó các phương pháp tuyến tính cho kết quả chấp nhận được với việc thực hiện đơn giản hơn nhiều.Các phương pháp tiền mã hóa trình bày trong đồ án:Phương pháp Zeroforcing (ZF)Đây là phương pháp tuyến tính tiền mã hóa tuyến tính dùng đề loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các người dùng. Ma trận tiền mã hóa W được nhân vào tín hiệu trước khi phát đi. Ma trận này được xác định dựa vào thông tin kênh truyền H hồi tiếp về trạm phát và được tính bằng:W = HH (HHH)1Phương pháp Block Diagonalization (BD)Đây là một phương pháp tiền mã hóa mở rộng của phương pháp ZF khi thuê bao có nhiều anten thu. Ngoài việc loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các thuê bao thì còn phải loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các anten thu.Sau khi loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các thuê bao thì tín hiệu thu được có dạng: yn = Hn Wn s + zLoại bỏ nhiễu giao thoa giữa các anten bằng cách nhân với ma trận trọng số w sao cho wHnWn = 1.Phương pháp Dirty Paper Coding (DPC)Với kỹ thuật DPC, việc thiết kế ma trận tiền mã hóa không chỉ dựa trên thông tin kênh truyền mà còn dựa vào mối liên hệ lẫn nhau về thông tin giữa tín hiệu nhiễu của mỗi người dùng tại trạm phát. Ma trận tiền mã hóa trong phương pháp DPC có thể tìm được từ khối ma trận tam giác L như sau:Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDMChương này sẽ đi thực hiện mô phỏng để đánh giá các phương pháp tiền mã hóa trong việc nâng cao chất lượng hệ thống. Qua đó có sự so sánh, nhận xét các kết quả có phù hợp với lý thuyết đã trình bày hay không.Kết quả mô phỏng:Hình 1: BER của các phương pháp ZF, BD, DPCNhận xét:BER của hệ thống giảm khi tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu.Cùng một mức SNR thì BER của phương pháp DPC là tốt nhất.Hình 2: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê baoHình 3: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê baoNhận xét:BER của hệ thống giảm khi số thuê bao tăng lên ở cùng một mức SNR.BER của hệ thống sẽ tiệm cận đến một mức giới hạn khi số lượng thuê bao tăng lên.3. Kết luậnKỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten thu trong cùng một thuê bao đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng của hệ thống MIMOOFDM đang được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao. Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDM, đồ án án đã tập trung vào các phương pháp phổ biến như ZF, BD, DPC. Bên cạnh đó, đồ án cũng trình bày về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô tuyến nhằm có cái nhìn toàn diện hơn về hệ thống MIMOOFDM.

MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DÁNH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Addition White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng ADC Analog-to-Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BD Block Diagonalization BS Base Staion Trạm gốc CFO Carrier frequency offsets Độ lệch tần số sóng mang CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DAC Digital-to-Analog Chuyển đổi số sang tương tự DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc DPC Dirty Paper Coding FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc đảo IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự IUI Inter- User Interference Nhiễu giao thoa liên thuê bao MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ M-QAM M Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương M điểm MMSE Minimum Mean Squared Error OFDM PAPR Orthogonal Frequency Multiplexing Peak to Average Power Ratio QAM Quadrature Amplitude Modulation Tối thiểu bình phương trung bình sai lệch Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Tỉ số công suất đỉnh công suất trung bình Điều chế biên độ cầu phương Division DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không gian SINR Signal Interference to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu tạp âm can nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu ZF Zero forcing LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu thông tin người lớn diễn lúc nơi Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày phổ biến với số lượng thuê bao lớn ngày tăng Do đó, yêu cầu đặt cho hệ thống viễn thông ngày cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp dịch vụ có chất lượng tốt tốc độ cao Để đáp ứng yêu cầu băng rộng, tính di động cao dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều anten phát thu (MIMO) chọn làm giải pháp truyền dẫn mạng băng rộng Tuy nhiên, với số lượng thuê bao lớn hiệu hệ thống MIMOOFDM phụ thuộc nhiều vào độ xác thông tin trạng thái kênh truyền bị suy giảm nhiều ảnh hưởng nhiễu giao thoa liên thuê bao Để đạt tiêu chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống MIMOOFDM không ngừng bổ sung kỹ thuật hỗ trợ Một số phương pháp đưa kỹ thuật tiền mã hóa Với kỹ thuật này, hệ thống tiết kiệm băng tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số loại bỏ thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao Từ ưu điểm kỹ thuật tiền mã hóa, với mong muốn tìm hiểu kỹ kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống MIMOOFDM” Đồ án bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống OFDM Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa hệ thống MIMO-OFDM Chương 4: Mô kỹ thuật tiền mã hóa hệ thống MIMO-OFDM Đồ án tìm hiểu giải vấn đề liên quan đến tiền mã hóa đưa kết mô phần mềm Mathlab LỜI MỞ ĐẦU Trong trình thực đồ án, em cố gắng nhiều với kiến thức hạn chế không khỏi mắc sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm đóng góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Em xin cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt thầy Tăng Tấn Chiến tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu động viên giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án Chương 1: Tổng quan hệ thống OFDM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM 1.1 Giới thiệu chương Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng rộng rãi ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến Kỹ thuật cho phép truyền liệu với tốc độ cao sử dụng băng thông cách hiệu Đặc biệt nhiều chuẩn mạng không dây Wifi, DVB, LTE… ứng dụng kỹ thuật OFDM phương tiện để phát triển mạnh mẽ mạng thông tin di động tốc độ cao thời gian tới OFDM kỹ thuật truyền dẫn có nhiều ưu điểm so với kỹ thuật truyền thống Trong hệ thống thông tin di động, yếu tố kênh truyền ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống cho dù sử dụng kỹ thuật truyền dẫn Trong chương trình bày tổng quan OFDM đặc tính kênh truyền để thấy ưu, nhược điểm yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống 1.2 Nguyên lý OFDM 1.2.1 Khái niệm Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) kỹ thuật điều chế đa sóng mang, ký tự liệu điều chế song song cách sóng mang phụ Các sóng mang phụ có phân chia tần số tối thiểu cần thiết để trì tính trực giao tương ứng với dạng sóng miền thời gian, phổ tín hiệu tương ứng với sóng mang phụ khác chồng lấn miền tần số Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ cao nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Ngoài OFDM có đặc điểm bật khả chống lại fading lựa chọn tần số cao cách sử dụng kênh truyền fading phẳng cho phép luồng thông tin tốc độ cao truyền song song với tốc độ thấp kênh băng hẹp Ngoài ra, OFDM kỹ thuật đơn giản áp dụng Chương 1: Tổng quan hệ thống OFDM hiệu để khắc phục tượng nhiễu liên ký tự (ISI) việc trải trễ fading đa đường cách sử dụng khoảng bảo vệ vị trí bắt đầu ký tự Một tín hiệu OFDM gồm số lượng lớn sóng mang có khoảng tần gần nhau, chúng chồng lấn lên điêu chế tín hiệu Vì máy thu phải nhận toàn tín hiệu giải điều chế chúng xác Với kỹ thuật trước FDM, tín hiệu phải tách biệt truyền để máy thu tách rời chúng lọc khoảng băng bảo vệ chúng Tuy nhiên với cải tiến kỹ thuật OFDM máy thu thu tín hiệu mà không bị nhiễu phổ sóng mang chồng lấn lên nhờ vào tính trực giao sóng mang Hình 1.1: So sánh hiệu sử dụng phổ FDM OFDM Một yêu cầu quan trọng hệ thống thu phát OFDM chúng phải tuyến tính Các sóng mang bị nhiễu méo xuyên điều chế hệ thống có phi tuyến Khi méo phi tuyến xảy xuất hiến tín hiệu không mong muốn tính trực giao ban đầu Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR) tín hiệu hệ thống đa sóng mang OFDM lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng RF đầu máy phát phải đáp ứng công suất đỉnh công suất đỉnh trung bình thấp Hạn chế công suất đỉnh phương pháp để khắc phục Chương 1: Tổng quan hệ thống OFDM số hệ thống Tuy nhiên việc hạn chế gây méo tín hiệu làm cho lỗi cao Để giảm lỗi, hệ thống phải sử dụng kỹ thuật sửa lỗi để nâng cao chất lượng Việc sử dụng phép biến đổi IDFT điều chế phép biến đổi DFT giải điều chế kỹ thuật OFDM làm tăng tốc độ xử lý tín hiệu máy phát máy thu Ngày nay, thay sử dụng IDFT/DFT người ta sử dụng IFFT/FFT để giảm bớt độ phức tạp hệ thống 1.2.2 Sự trực giao Orthogonal thuật ngữ đề cập mối quan hệ xác mặt toán học tần số sóng mang hệ thống OFDM Trong FDM, sóng mang thường đặt cách khoảng dải tần để tín hiệu không bị can nhiễu thu chúng giải điều chế lọc thông thường Vì khoảng bảo vệ sóng mang cần dự liệu trước việc sử dụng khoảng bảo vệ làm giảm hiệu sử dụng phổ hệ thống Trong kỹ thuật OFDM, sóng mang xếp cho dải biên chúng che phủ lên mà máy thu thu xác tín hiệu can nhiễu sóng mang Muốn đạt điều sóng mang phải trực giao mặt toán học OFDM đạt trực giao cách cấp phát cho nguồn thông tin số sóng mang định khác Tín hiệu OFDM tổng hợp tất sóng sin Mỗi sóng mang có chu kỳ cho số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền ký hiệu Tập hợp hàm gọi trực giao thỏa mãn biểu thức toán học sau: T c ⇔ i = j ∫ si (t ) s j (t )dt = C * δ (i − j ) = 0 ⇔ i ≠ j (1.1) Xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao sử dụng kỹ thuật OFDM Các dạng sóng sin cosin có giá trị trung bình chu kỳ thỏa mãn tính trực giao sóng nên sử dụng làm sóng mang phụ điều chế tín hiệu Xét tính trực giao hai sóng sin sau: Si(t) = sin(mωt) Sj(t) = sin(nωt) Chương 1: Tổng quan hệ thống OFDM 2π 2π 0 ∫ sin(mwt ).sin(nwt )dt = ∫ = 2π ∫ cos(m − n) wtdt + 2π ∫ [cos( m − n) wt − cos(m + n) wt ]dt cos(m + n) wtdt = + = (1.2) Nếu hai sóng sin có tần số dạng sóng hợp thành dương giá trị trung bình khác Tính trực giao sóng mang thể chổ: đỉnh sóng mang nhóm sóng mang khác Hình 1.2: Phổ sóng mang OFDM 1.3 Sơ đồ khối OFDM Xét hệ thống OFDM sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M-QAM Hình 1.3: Sơ đồ khối máy phát OFDM Chương 1: Tổng quan hệ thống OFDM Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu OFDM Dòng liệu đầu vào với tốc độ cao mã hóa (thông qua Conv Encoder) xếp theo trình tự hỗn hợp xen rẽ (Interleaving) Sau dòng bit nhánh điều chế số QAM mapping.Có thể chèn pilot để phục vụ ước lượng kênh Dòng liệu tiếp tục đưa vào chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P) sau đưa vào IFFT để chuyển đổi liệu từ miền tần số sang miền thời gian Chèn tiền tố lặp (CP) để giảm nhiễu liên ký tự (ISI) nhiễu xuyên kênh Dữ liệu tiếp tục chuyển đổi từ song song thành nối tiếp thông qua P/S, liệu điều chế cao tần, khuếch đại công suất phát thông qua anten Tại máy thu, tín hiệu thu chuyển xuống tần số thấp đưa qua ADC thành tín hiệu rời rạc Tiền tố lặp loại bỏ tín hiệu chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số thông qua FFT Tín hiệu tiếp tục giải điều chế phương pháp tương ứng với bên phát sau xếp lại giải mã Thông qua chuyển đổi từ song song thành nối tiếp ta thu lại tín hiệu ban đầu 1.3.1 Mã hóa kênh Bộ mã hóa kênh sử dụng phương pháp mã hóa điều khiển lỗi để cải thiện BER tuyến truyền dẫn nhằm đáp ứng yêu cầu dịch vụ Mã hóa kênh sử dụng để phát lỗi sửa ký tự hay bít thu bị lỗi, bao gồm mã phát lỗi mã sửa lỗi Cả hai loại mã đưa thêm độ dư vào liệu phát, độ dư thêm mã sửa lỗi nhiều mã phát lỗi để bên thu 10 KẾT LUẬN VÀ HƯƠNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội loại bỏ nhiễu giao thoa tín hiệu nhận thuê bao khác nhau, anten thu thuê bao góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng nhiều hệ thống viễn thông tốc độ cao Trong trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa hệ thống MIMOOFDM, đồ án án tập trung vào phương pháp phổ biến ZF, BD, DPC Bên cạnh đó, đồ án trình bày kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô tuyến nhằm có nhìn toàn diện hệ thống MIMO-OFDM Ngoài đồ án đề cập đến kỹ thuật SDMA, kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian, góp phần giảm tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa đường, tăng dung lượng hệ thống Hiện SDMA sử dụng rộng rãi mang lại lợi ích to lớn Do hạn chế thời gian hoàn thành đồ án nên chưa nghiên cứu phương pháp tiền mã hóa phức tạp MMSE (Minimum Mean Squared Error), THS (Tomlinson – Harashima).Hơn nữa, đồ án sử dụng kênh truyền chuẩn để thiết kế ma trận tiền mã hóa Nếu có điều kiện, đề tài phát triển thêm sử dụng kênh truyền biến đổi theo thời gian có ước lượng kênh truyền đầu thu, đưa trạm phát thông tin trạng thái kênh truyền có giới hạn, nghiên cứu thêm kỹ thuật tiền mã hóa MMSE, THS 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lê Hùng, “Thông tin di động”, khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng [2] Nguyễn Văn Tuấn, “Thông tin vi ba- vệ tinh”, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2011 [3] Dorra Ben Cheikh, Jean-Marc Kelif, Marceau Coupechoux and Philippe Godlewski, “Multicellular Zero Forcing Precoding Performance in Rayleigh and Shadow Fading”, TELECOM Paris Tech & CNRS LTCI Paris, France [4] Young Soo Chi, Jaek Won Kim, “MIMO-OFDM wireless communications”, Willey and Sons Pte Ltd, Clementi Loop, # 02-01,Singapore 129809, 2010 [5] Jingon Joung, Member, IEEE, “User Selection Methods for Multiuser Two- Way Relay Communications Using Space Division Multiple Access”, IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL 9, NO 7, JULY 2010 [6] Francesco Verde, Donatella Darsena, Member, IEEE, “Cooperative Randomized MIMO-OFDM Downlinkfor Multicell Networks: Design and Analysis”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL 58, NO 1, JANUARY 2010 59 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Code chương trình khảo sát BER phương pháp ZF, BD, DPC clear all; clf N_frame=10; % So khung N_packet=4000; % So goi tin b=2; % Muc dieu che BPSK % ZF NT=4; N_user=4; N_act_user=4; % BD %NT=4; NR_BD=2; N_user_BD=2; % PDC -NT=4; N_user=4; N_act_user=4; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% N_pbits = N_frame*NT*b; % so bit mot goi tin N_tbits = N_pbits*N_packet; % tong so bit phat SNRdBs = [0:2:30]; sq2=sqrt(2); for i_SNR=1:length(SNRdBs) SNRdB=SNRdBs(i_SNR); N_ebits_ZF = 0; N_ebits_BD = 0; N_ebits_DPC = 0; N_ebits_without = 0; % khoi tao dem so bit loi rand('seed',1);randn('seed',1); sigma2 = NT*signal_power_computation(b)*0.5*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2); for i_packet=1:N_packet msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % Tao bit phat %% Dieu che %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).'; x = reshape(symbol,NT,N_frame); for i_user=1:N_user 60 PHỤ LỤC H(i_user,:) = (randn(1,NT)+j*randn(1,NT))/sq2; Channel_norm(i_user)=norm(H(i_user,:)); end [Ch_norm,Index]=sort(Channel_norm,'descend'); H_used = H(Index(1:N_act_user),:); %%%%%%%%%% Dan qua kenh truyen va cong nhieu %%%%%%%%%%%%% Rx_signal = H_used*x + sigma*(randn(NT,N_frame)+j*randn(NT,N_frame)); %%%%%%%%%%%%% ZF %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% W = inv(H_used'*H_used)*H_used'; Rx_data = W*Rx_signal; %%%%%%%%%%%%%% Thu khoi phuc du lieu %%%%%%%%%%%%%%% %%%%%% symbol_hat = reshape(Rx_data,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits_ZF = N_ebits_ZF + sum(msg_bit~=reco_bit); %%%%%%%%%%%%%% BD %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % H1 = (randn(NR_BD,NT)+j*randn(NR_BD,NT))/sq2; H2 = (randn(NR_BD,NT)+j*randn(NR_BD,NT))/sq2; [U1,S1,V1] = svd(H1); W2 = V1(:,3:4); [U2,S2,V2] = svd(H2); W1 = V2(:,3:4); Tx_Data = W1*x(1:2,:) + W2*x(3:4,:); Rx1 = H1*Tx_Data + sigma*(randn(2,N_frame)+j*randn(2,N_frame)); Rx2 = H2*Tx_Data + sigma*(randn(2,N_frame)+j*randn(2,N_frame)); W1_H1=H1*W1; EQ1 = W1_H1'*inv(W1_H1*W1_H1'); % Can bang cho thue bao thu nhat W2_H2=H2*W2; EQ2 = W2_H2'*inv(W2_H2*W2_H2'); % Can bang cho thue bao thu hai Rx_signal = H_used*x + sigma*(randn(NT,N_frame)+j*randn(NT,N_frame)); y = [EQ1*Rx1; EQ2*Rx2]; %%%%%%%%%%%%%% Thu khoi phuc du lieu %%%%%%%%%%%%%%% %%% symbol_hat = reshape(y,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); 61 PHỤ LỤC N_ebits_BD = N_ebits_BD + sum(msg_bit~=reco_bit); %%%%%%%%%%%%%% DPC %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% H = (randn(N_user,NT)+j*randn(N_user,NT))/sq2; Combinations = nchoosek([1:N_user],N_act_user)'; % Lua chon nhom nguoi dung for i=1:size(Combinations,2) H_used = H(Combinations(:,i),:); [Q_temp,R_temp] = qr(H_used); minimum_l(i) = min(diag(R_temp)); end [max_min_l,Index] = max(minimum_l); H_used = H(Combinations(:,Index),:); [Q_temp,R_temp] = qr(H_used'); L=R_temp'; Q=Q_temp'; %————————— DPC precoding —————————— xp = x; for m=2:4 xp(m,:) = xp(m,:) - L(m,1:m-1)/L(m,m)*xp(1:m-1,:); end Tx_signal = Q'*xp; % DPC encoder %—————————— Thu khoi phuc du lieu —————————————— Rx_signal = H_used*Tx_signal + sigma*(randn(N_act_user,N_frame)+j*randn(N_act_user,N_frame)); %—————————— Receiver —————————————— y = inv(diag(diag(L)))*Rx_signal; symbol_hat = reshape(y,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits_DPC = N_ebits_DPC + sum(msg_bit~=reco_bit); %%%%%%%%%%%%%% Without precoding %%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%% Rx_signal = H_used*x + sigma*(randn(NT,N_frame)+j*randn(NT,N_frame)); symbol_hat = reshape(Rx_signal,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits_without = N_ebits_without + sum(msg_bit~=reco_bit); end 62 PHỤ LỤC BER_ZF(i_SNR) = N_ebits_ZF/N_tbits BER_BD(i_SNR) = N_ebits_BD/N_tbits BER_DPC(i_SNR)= N_ebits_DPC/N_tbits BER_Without(i_SNR)= N_ebits_without/N_tbits end semilogy(SNRdBs,BER_ZF,'ro-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_BD,'s-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_DPC,'g*-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy (SNRdBs,BER_Without,'kp-','LineWidth',1.5); hold on; xlabel ('SNR(db)'); ylabel ('Bit error rate(BER)'); title ('SO SANH BER CUA CAC PHUONG PHAP'); legend ('zero forcing', 'BD', 'DPC', 'Without'); Code chương trình khảo sát BER theo mức điều chế tín hiệu phương pháp tiền mã hóa Phương pháp ZF clear all; clf N_frame=10; % so khung N_packet=100; % so goi tin NT=4; NR=4; Q_b = [1 6]; for i_b=1:length(Q_b) b = Q_b(i_b); 63 PHỤ LỤC N_pbits = N_frame*NT*b; % so bit mot goi tin N_tbits = N_pbits*N_packet; % tong so bit phat SNRdBs = [0:2:30]; sq2=sqrt(2); for i_SNR=1:length(SNRdBs) SNRdB=SNRdBs(i_SNR); N_ebits = 0; % khoi tao dem so bit loi rand('seed',1); randn('seed',1); sigma2 = signal_power_computation(b)*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2); for i_packet=1:N_packet msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % tao bit phat symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).'; x = reshape(symbol,NT,N_frame); H = (randn(NR,NT)+j*randn(NR,NT))/sq2; %%%%%%%%%%%%% dan qua kenh truyen va cong nhieu %%%%%%%%% %%%% Rx_signal = H*x + sigma*(randn(NT,N_frame)+j*randn(NT,N_frame)); %%%%%%%%%%%%%% ZF %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% W = inv(H'*H)*H'; %%%%%%%%%%%%%% thu va giai dieu che %%%%%%%%%%%%%%%% %%%%% Rx_data = W*Rx_signal; symbol_hat = reshape(Rx_data,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits = N_ebits + sum(msg_bit~=reco_bit); end BER(i_SNR) = N_ebits/(1.5*N_tbits); end BER_all(i_b,:)=BER end semilogy(SNRdBs,BER_all(1,:),'ro-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(2,:),'s-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(3,:),'-cx','LineWidth',1.5); 64 PHỤ LỤC hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(4,:),'-md','LineWidth',1.5); hold on; xlabel('SNR(db)'); ylabel('Bit error rate(BER)'); legend('BPSK', 'QPSK', '16QAM', '64QAM'); Phương pháp BD clear all; clf N_frame=10; % so khung N_packet=4000; % so goi tin NT=4; NR=2; N_user=NT/NR; Q_b = [1 6]; for i_b=1:length(Q_b) b = Q_b(i_b); N_pbits = N_frame*NT*b; % so bit mot goi N_tbits = N_pbits*N_packet; % tong so bit SNRdBs = [0:2:30]; sq2=sqrt(2); for i_SNR=1:length(SNRdBs) SNRdB=SNRdBs(i_SNR); N_ebits=0; rand('seed',1); randn('seed',1); sigma2 = signal_power_computation(b)*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2); for i_packet=1:N_packet msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % tao bit phat symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).'; x = reshape(symbol,NT,N_frame); H = (randn(NR*N_user,NT)+j*randn(NR*N_user,NT))/sq2; Tx_Data = 0; 65 PHỤ LỤC for user = 1:N_user Hu = H; Hu(2*user-1:2*user,:) = []; [U,S,V] = svd(Hu); W = V(:,NT-1:NT); Tx_Data = Tx_Data + W*x(2*user-1:2*user,:); % tin hieu phat W_H = H(2*user-1:2*user,:)*W; EQ(2*user-1:2*user,:) = W_H'*inv(W_H*W_H'); % can bang end for user = 1:N_user Rx = H(2*user-1:2*user,:)*Tx_Data + sigma*(randn(2,N_frame) +j*randn(2,N_frame)); y(2*user-1:2*user,:) = EQ(2*user-1:2*user,:)*Rx; end symbol_hat = reshape(y,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits = N_ebits + sum(msg_bit~=reco_bit); end BER(i_SNR) = N_ebits/N_tbits; end BER_all(i_b,:)=BER end semilogy(SNRdBs,BER_all(1,:),'ro-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(2,:),'s-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(3,:),'-cx','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(4,:),'-md','LineWidth',1.5); hold on; xlabel('SNR(db)'); ylabel('Bit error rate(BER)'); legend('BPSK', 'QPSK', '16QAM', 66 PHỤ LỤC '64QAM'); Phương pháp DPC % Dirty PaPer Coding precoding.m clear all; clf N_frame=10; N_packet=4000; % Number of frames/packet and Number of packets %b=2; % Number of bits per QPSK symbol NT=4; N_user=4; N_act_user=4; I=eye(N_act_user,NT); Q_b = [1 6]; for i_b=1:length(Q_b) b = Q_b(i_b); N_pbits = N_frame*NT*b; % Number of bits in a packet N_tbits = N_pbits*N_packet; % Number of total bits SNRdBs=[0:2:30]; sq2=sqrt(2); for i_SNR=1:length(SNRdBs) SNRdB = SNRdBs(i_SNR); N_ebits = 0; rand('seed',1); randn('seed',1); sigma2 = signal_power_computation(b)*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2); for i_packet=1:N_packet msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % Bit generation %——————————— Transmitter —————————————— symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).'; x = reshape(symbol,NT,N_frame); H = (randn(N_user,NT)+j*randn(N_user,NT))/sq2; Combinations = nchoosek([1:N_user],N_act_user)'; for i=1:size(Combinations,2) % H_used = H(Combinations(:,i),:); [Q_temp,R_temp] = qr(H_used); % Diagonal entries of R_temp are real minimum_l(i) = min(diag(R_temp)); end [max_min_l,Index] = max(minimum_l); H_used = H(Combinations(:,Index),:); [Q_temp,R_temp] = qr(H_used'); 67 PHỤ LỤC L=R_temp'; Q=Q_temp'; xp = x; for m=2:4 % Eqs.(13.39)_(13.41) xp(m,:) = xp(m,:) - L(m,1:m-1)/L(m,m)*xp(1:m-1,:); end Tx_signal = Q'*xp; % DPC encoder %—————————— Channel and Noise —————————————— Rx_signal = H_used*Tx_signal + sigma*(randn(N_act_user,N_frame)+j*randn(N_act_user,N_frame)); %—————————— Receiver —————————————— y = inv(diag(diag(L)))*Rx_signal; symbol_hat = reshape(y,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits = N_ebits + sum(msg_bit~=reco_bit); end BER(i_SNR) = N_ebits/N_tbits; end BER_all(i_b,:)=BER end semilogy(SNRdBs,BER_all(1,:),'ro-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(2,:),'s-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(3,:),'-cx','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(4,:),'-md','LineWidth',1.5); hold on; xlabel('SNR(db)'); ylabel('Bit error rate(BER)'); legend('BPSK', 'QPSK', '16QAM', '64QAM'); Khảo sát BER thay đổi số thuê bao 68 PHỤ LỤC Phương pháp ZF clear all; clf N_frame=10; % So khung N_packet=1000; % So goi tin b=2; NT=4; N_act_user=4; SNRdBs = [0:2:30]; sq2=sqrt(2); user = [4 10 20 30] % so thue bao for ii_user=1:length(user) N_user = user(ii_user); N_pbits = N_frame*NT*b; % so bit mot goi tin N_tbits = N_pbits*N_packet; % tong so bit for i_SNR=1:length(SNRdBs) SNRdB=SNRdBs(i_SNR); N_ebits = 0; % khoi tao dem so bit loi rand('seed',1); randn('seed',1); sigma2 = signal_power_computation(b)*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2); for i_packet=1:N_packet msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % tao bit phat %% dieu che symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).'; x = reshape(symbol,NT,N_frame); for i_user=1:N_user H(i_user,:) = (randn(1,NT)+j*randn(1,NT))/sq2; Channel_norm(i_user)=norm(H(i_user,:)); end [Ch_norm,Index]=sort(Channel_norm,'descend'); H_used = H(Index(1:N_act_user),:); %%%%%%%%%%%%% Dan qua kenh truyen va cong nhieu %%%%%%%%% %%%% Rx_signal = H_used*x + sigma*(randn(NT,N_frame)+j*randn(NT,N_frame)); %%%%%%%%%%%%%% ZF %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% W = inv(H_used'*H_used)*H_used'; Rx_data = W*Rx_signal; 69 PHỤ LỤC %%%%%%%%%%%%%% thu va giai dieu che %%%%%%%%%%%%%%%% %%%%% symbol_hat = reshape(Rx_data,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits = N_ebits + sum(msg_bit~=reco_bit); end BER(i_SNR) = N_ebits/N_tbits; end BER_all(ii_user,:) = BER end semilogy(SNRdBs,BER_all(1,:),'ro-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(2,:),'s-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(3,:),'g*-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(4,:),'md-','LineWidth',1.5); hold on; xlabel('SNR(db)'); ylabel('Bit error rate(BER)'); legend('user=4', 'user=10', 'user=20', 'user=30'); Phương pháp DPC clear all; clf N_frame=10; N_packet=500; b=2; % so khung % so goi tin % dieu che BPSK NT=4; N_act_user=4; I=eye(N_act_user,NT); SNRdBs=[0:2:20]; sq2=sqrt(2); N_pbits = N_frame*NT*b; % so bit mot goi tin 70 PHỤ LỤC N_tbits = N_pbits*N_packet; % tong so bit user = [4 12 20] for ii_user=1:length(user) N_user = user(ii_user); for i_SNR=1:length(SNRdBs) SNRdB = SNRdBs(i_SNR); N_ebits = 0; % khoi tao dem so bit loi rand('seed',1); randn('seed',1); sigma2 = NT*signal_power_computation(b)*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2); for i_packet=1:N_packet msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % tao bit phat %——————————— dieu che —————————————— symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).'; x = reshape(symbol,NT,N_frame); H = (randn(N_user,NT)+j*randn(N_user,NT))/sq2; Combinations = nchoosek([1:N_user],N_act_user)'; % lua chon nguoi dung for i=1:size(Combinations,2) H_used = H(Combinations(:,i),:); [Q_temp,R_temp] = qr(H_used); % Diagonal entries of R_temp are real minimum_l(i) = min(diag(R_temp)); end [max_min_l,Index] = max(minimum_l); H_used = H(Combinations(:,Index),:); [Q_temp,R_temp] = qr(H_used'); L=R_temp'; Q=Q_temp'; xp = x; % Dirty precoding for m=2:4 % Eqs.(13.39)_(13.41) xp(m,:) = xp(m,:) - L(m,1:m-1)/L(m,m)*xp(1:m-1,:); end Tx_signal = Q'*xp; % DPC encoder %—————————— dan qua kenh truyen va cong nhieu —————————————— Rx_signal = H_used*Tx_signal + 71 PHỤ LỤC sigma*(randn(N_act_user,N_frame)+j*randn(N_act_user,N_frame)); %—————————— thu va giai dieu che —————————————— y = inv(diag(diag(L)))*Rx_signal; symbol_hat = reshape(y,NT*N_frame,1); reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b); N_ebits = N_ebits + sum(msg_bit~=reco_bit); end BER(i_SNR) = N_ebits/N_tbits; end BER_all(ii_user,:) = BER end semilogy(SNRdBs,BER_all(1,:),'ro-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(2,:),'s-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(3,:),'g*-','LineWidth',1.5); hold on; semilogy(SNRdBs,BER_all(4,:),'md-','LineWidth',1.5); hold on; xlabel('SNR(db)'); ylabel('Bit error rate(BER)'); legend('user=4', 'user=10', 'user=20', 'user=30'); 72 [...]... Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO- OFDM CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO- OFDM 3.1 Giới thiệu chương Kỹ thuật tiền mã hóa là một trong những kỹ thuật sử dụng trong mạng truyền thông không dây có tốc độ cao để loại bỏ nhiễu không mong muốn đặc biệt là nhiễu giao thoa liên thuê bao Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO- OFDM. .. tốc độ thấp Kỹ thuật OFDM còn loại bỏ được nhiễu liên ký tự khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Việc kết hợp các ưu điểm trên của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM đã tạo ra hệ thống có chất lượng tốt hơn ứng dụng cho hệ thống thông tin di động băng rộng hiện nay 2.3.2 Mô hình hệ thống MIMO- OFDM Hệ thống MIMO- OFDM bao gồm hệ thống MIMO sử dụng NT anten phát và NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang... 3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO- OFDM Trong hệ thống MIMO, máy phát sử dụng nhiều anten để truyền tín hiệu với máy thu (một máy thu có thể có nhiều anten), đây chính là kỹ thuật SDMA Hệ thống này kết hợp với sử dụng kỹ thuật OFDM sẽ làm tăng đáng kể năng lực truyền thông băng rộng hông dây Mô hình tiền mã hóa trong hệ thống SDMA -OFDM được thể hiện như ở hình dưới đây: 35 Chương 3: Kỹ thuật tiền. .. Hệ thống MIMO- OFDM CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO- OFDM 2.1 Giới thiệu chương MIMO- OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống Đây là một giải pháp triển vọng cho hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về hệ thống MIMO, ... suất mãi được vì khi tăng công suất sẽ gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh Còn băng thông cũng không thể tăng lên nhiều vì chúng đã được chuẩn hóa và có giới hạn nhất định Vì thế các nhà nghiên cứu đang tập trung vào các giải pháp kỹ thuật nhằm tăng chất lượng hệ thống MIMO- OFDM là hệ thống sử dụng kết hợp các ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng. .. nghệ để nâng cao chất lượng cho hệ thống, tăng dung lượng kênh truyền, giảm nhiễu cho hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay Tuy nhiên khi số thuê bao trong hệ thống tăng lên sẽ làm tăng nhiễu giao thoa xuyên kênh Sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa là một trong những giải pháp để khắc phục vấn đề này Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO- OFDM 31 Chương 3: Kỹ. .. hiểu kỹ thuật truyền dẫn SDMA, kỹ thuật lựa chọn người dùng, đây là các kỹ thuật giúp tăng dung lượng của hệ thống và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến 3.2 Giới thiệu kỹ thuật SDMA Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) là một kỹ thuật truyền dẫn trong hệ thống thông tin di động, nó giúp tăng đáng kể dung lượng và tốc độ của hệ thống Trước SDMA, có các kỹ thuật. .. hiểu về hệ thống MIMO, các dạng cấu hình, các kỹ thuật phân tập của nó, hệ thống MIMO- OFDM và mô hình toán học của nó 2.2 Hệ thống MIMO 2.2.1 Giới thiệu hệ thống MIMO Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống thông tin điểm điểm sử dụng đa anten phát và thu Nhờ vậy hệ thống có thể cung cấp phân tập phát và thu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống như tang tốc độ truyền, giảm BER, tăng... này Với kỹ thuật tiền mã hóa, hệ thống sẽ tiết kiệm băng tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số nhưng vẫn loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao 3.3.2 Phân loại tiền mã hóa Kỹ thuật tiền mã hóa được phân chia thành 2 loại là tuyến tính và phi tuyến Trong đó:  Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính gồm các phương pháp: MMSE ( Minimum Mean Squared Error ) và Zero-Forcing  Kỹ thuật tiền mã hóa phi... đồ hệ thống MIMO Hệ thống MIMO ra đời vào khoảng năm 1984 do Jack Winters của phòng thí nghiệm Bell xin cấp bằng sáng chế với việc sử dụng đa anten trong vô tuyến Từ đó đến nay có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống này Đến năm 2004, IEEE bắt đầu 25 Chương 2: Hệ thống MIMO- OFDM nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp với kỹ thuật OFDM và đưa ra thử nghiệm vào năm 2006 Từ đó hệ thống MIMO