Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông mimo SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ DOÃN THIỆN THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGÔ VŨ ĐỨC Hà Nội - 2016 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Lê Doãn Thiện Đề tài luận văn: Thiết kế tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số SV: CB140222 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 22/04/2016 với nội dung sau: - Bổ sung thêm trích dẫn tài liệu tham khảo nhằm làm rõ nội dung mà tác giả trích dẫn phần mà tác giả đóng góp Thay đổi tên ma trận tín hiệu nhận đƣợc nút đích N2 để phân biệt với ký hiệu ma trận tổng - hiệu Ngày 25 tháng 04 năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn TS Ngô Vũ Đức Lê Doãn Thiện CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Phạm Ngọc Nam Luận văn thạc sĩ sĩ2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn công trình nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn giảng viên TS Ngô Vũ Đức Các số liệu, kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình trƣớc Các kết sử dụng tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ theo quy định Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016 Tác giả Lê Doãn Thiện Lê Doãn Thiện Luận văn thạc sĩ sĩ2016 LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này, nhận đƣợc nhiều giúp đỡ nhiệt tình đóng góp quý báu Thầy hƣớng dẫn với thành viên phòng System VLSI Lab Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn TS Ngô Vũ Đức tận tình định hƣớng phƣơng pháp tiếp cận, nghiên cứu khoa học, hƣớng dẫn vấn đề chuyên môn cho trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn thành viên System VLSI Lab hƣớng dẫn góp ý khoa học cho trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tƣ vấn trình học tập nghiên cứu luận văn Tôi xin cảm ơn Thầy, Cô dìu dắt, truyền đạt kiến thức quý báu lửa nhiệt huyết nghiên cứu khoa học thời gian đào tạo trƣờng Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp bên cạnh động viên, giúp đỡ vƣợt qua khó khăn để đạt đƣợc kết nghiên cứu nhƣ ngày hôm Lê Doãn Thiện Luận văn thạc sĩ sĩ2016 MỤC LỤC BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 DANH MỤC HÌNH VẼ 11 MỞ ĐẦU 13 Lý chọn đề tài 13 Lịch sử nghiên cứu 15 Mục đích nghiên cứu 17 Đối tƣợng nghiên cứu 17 Các đóng góp luận văn 18 Phƣơng pháp nghiên cứu 18 Chƣơng I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO 19 1.1 Mô hình hệ thống MIMO 19 1.1.1 Dung lƣợng kênh MIMO 20 1.1.2 Các phƣơng pháp truyền dẫn MIMO 21 1.1.3 Ghép kênh chia theo không gian 22 1.1.4 Mã hóa Không gian – Thời gian 22 1.2 Các tách tín hiệu tuyến tính 24 1.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF 26 1.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE 28 Lê Doãn Thiện Luận văn thạc sĩ sĩ2016 1.3 Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến 29 1.3.1 Phân loại trạm chuyển tiếp 31 1.3.2 Phân loại kỹ thuật chuyển tiếp 32 1.3.3 Ứng dụng chuyển tiếp vô tuyến 35 1.4 Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC 35 1.4.1 Sơ đồ không sử dụng mã hóa mạng 36 1.4.2 Sơ đồ mã hóa mạng NC 36 1.4.3 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý 38 1.4.4 Nguyên lý PNC dựa phép XOR 39 1.4.5 Mô hình mô PNC kênh TWRC 42 Chƣơng II: TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC 45 2.1 Mô hình hệ thống 45 2.2 Tách tín hiệu nút chuyển tiếp 47 2.3 Mã hóa tín hiệu nút chuyển tiếp 50 2.4 Tách tín hiệu nút đích 51 2.5 Đánh giá chất lƣợng hệ thống MIMO-SDM-PNC 52 2.5.1 Mô hình mô 52 2.5.2 Lựa chọn ngƣỡng tối ƣu cho phƣơng pháp định kết hợp chọn lọc 53 2.5.3 Đánh giá phẩm chất BER 54 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDMPNC 57 3.1 Kiến trúc tách sóng mức đỉnh 57 3.2 Xây dựng kiến trúc kiểu pipeline timing 59 3.3 Kiến trúc tách sóng mức chi tiết 62 3.4 Mô đánh giá kết 66 Lê Doãn Thiện Luận văn thạc sĩ sĩ2016 3.4.1 Mô hình mô 66 3.4.2 Kết mô đánh giá 68 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 75 Lê Doãn Thiện Luận văn thạc sĩ sĩ2016 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 3GPP Dự án hợp tác hệ thứ ba BER Third Generation Partnership Project Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh DF Decode and Forward Giải mã chuyển tiếp FPGA Mảng cổng lập trình đƣợc dạng trƣờng HSPA Field Programmable Gate Array High Speed Packet Access IC Integrated Circuit Mạch tích hợp LLR Log Likelihood Ratio Tỉ số hợp lệ theo hàm logarith LMS Least Mean Square Trung bình phƣơng nhỏ LS Least Square Bình phƣơng nhỏ LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc di động MAP Maximum A posteriori Probability Multiple Input Multiple Output Maximum Likelihood Xác xuất hậu nghiệm cực đại Bộ tách tín hiệu hợp lẽ tối đa MMSE Maximum Likelihood Detector Minimum Mean Square Error MRT Maximal Ratio Transmission Phát tỉ lệ cực đại MS Mobile Station Trạm di động MSE Mean Square Error Sai số bình phƣơng trung bình NC Network Coding Mã hóa mạng PNC Physical layer Network Coding Mã hóa mạng vật lý AWGN MIMO ML MLD Lê Doãn Thiện Tạp âm Gauss trắng cộng tính Tỉ lệ lỗi bit Truy cập gói tin tốc độ cao Nhiều đầu vào - nhiều đầu Hợp lệ cực đại Sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu Luận văn thạc sĩ sĩ2016 Điều chế biên độ cầu phƣơng RF Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase-Shift Keying Radio Frequency RLS Recursive Least Square Bình phƣơng nhỏ quy hồi RN Relay Node Nút chuyển tiếp RS Relay Station Trạm chuyển tiếp SD Sphere decoding Bộ tách tín hiệu cầu phƣơng SDM Spatial Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào - nhiều đầu SINR SIR Signal to Interference plus Noise Ratio Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm cộng với nhiễu Tỉ số tín hiệu nhiễu SISO Single Input Single Output Một đầu vào - đầu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space-Time Coding Mã không gian thời gian STE SpaceTime Encoder Bộ mã hóa không gian thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lƣới không gian thời gian SVD Bình phƣơng tối thiểu tuyến tính TS Singular Value Decomposition Traditional Scheme TWRC Two-Way Relay Channel Kênh chuyển tiếp hai chiều UE User Equipment Thiết bị ngƣời dùng VANET Vehicle Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc giao thông V-BLAST Vertical Bell Labs Layered Space Time Wireless Fidelity Hệ thống không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc Bell Labs Chuẩn mạng cục không dây WiFi Alliance Tƣơng thích toàn cầu qua truy nhập viba Cƣỡng không QAM QPSK Wi-Fi WiMAX ZF Worldwide Interoperability for Microwave Access Zero Forcing Lê Doãn Thiện Điều chế khóa dịch pha cầu phƣơng Tần số vô tuyến Sơ đồ truyền thống Luận văn thạc sĩ sĩ2016 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phép ánh xạ PNC thành phần tín hiệu đồng pha 40 Bảng 1.2 Phép ánh xạ PNC thành phần tín hiệu vuông pha 41 Bảng 3.1 Độ dài liệu đầu vào đầu 68 Bảng 3.2 Kết tổng hợp thiết kế tách sóng ZF FPGA 70 Bảng 3.3 Kết tổng hợp thiết kế tách sóng MMSE FPGA 70 10 Lê Doãn Thiện Luận văn thạc sĩ sĩ2016 // S input check_S = 0; for(i = 0; i