Ước lượng kênh truyền cho mạng di động trong hệ thống MIMO - OFDM

Header Page of 126 B GIO DC V O TO I HC NNG - TRN TH KIM PHNG C LNG KấNH TRUYN CHO MNG DI NG TRONG H THNG MIMO-OFDM Chuyờn ngnh: K THUT IN T Mó s: 60.52.70 TểM TT LUN VN THC S K THUT Nng - Nm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Cụng trỡnh c hon thnh ti I HC NNG - Ngi hng dn khoa hc: PGS TS TNG TN CHIN Phn bin 1: TS Nguyn Lờ Hựng Phn bin 2: PGS.TS Nguyn Hu Thanh Lun c bo v trc Hi ng chm Lun tt nghip thc s K thut hp ti i hc Nng vo ngy thỏng nm 2013 Cú th tỡm hiu lun ti : Trung tõm Thụng tin - Hc liu, i hc Nng Footer Page of 126 Header Page of 126 M U Tớnh cp thit ca ti ỏp ng c cỏc yờu cu v bng rng v tớnh di ng cao ca cỏc dch v cung cp cho ngi dựng, truyn dn a truy cp phõn chia theo tn s trc giao (OFDM) kt hp vi cu hỡnh truyn dn gm nhiu anten phỏt v thu (MIMO) c chn l gii phỏp k thut truyn dn vụ tuyn chớnh cho cỏc mng bng rng, tc cao Bờn cnh cỏc thun li v hiu qu s dng ph tn s v cht lng truyn d liu cao, cụng ngh MIMO-OFDM yờu cu vic thc hin c lng kờnh truyn vụ tuyn a ng phi t chớnh xỏc cao trc tin hnh khụi phc d liu phỏt ti cỏc mỏy thu di ng khc phc ny, nhu cu tỡm hiu v nghiờn cu v c lng kờnh truyn h thng thụng tin di ng l rt cn thit Lun tỡm hiu v nghiờn cu v c lng kờnh truyn h thng MIMO-OFDM, l mt khõu rt quan trng vic thit k h thng thụng tin di ng Cú hai hng tip cn chớnh ú l Bayesian v Fisher Lun s c lng kờnh theo c hai hng v so sỏnh kt qu vi Mc tiờu nghiờn cu ti trung nghiờn cu cỏc sau: - Nghiờn cu v cỏc c lng kờnh truyn MIMOOFDM - Nghiờn cu k thut c lng ML (Maximum Likelihood) theo hng tip cn Fisher - Nghiờn cu k thut c lng MAP (Maximum-a-Posteriori) theo hng tip cn Bayesian - Xõy dng chng trỡnh c lng kờnh truyn Footer Page of 126 Header Page of 126 - Mụ phng so sỏnh cỏc phng phỏp c lng thy rừ u nhc im ca tng phng phỏp, t ú rỳt c cỏch la chn phng phỏp c lng kờnh truyn iu kin thớch hp i tng v phm vi nghiờn cu * i tng nghiờn cu: - Nghiờn cu v kờnh truyn vụ tuyn - Nghiờn cu v k thut OFDM - Nghiờn cu v h thng MIMO-OFDM - Nghiờn cu v cỏc phng phỏp c lng kờnh truyn * Phm vi nghiờn cu: Nghiờn cu kờnh truyn vụ tuyn a ng mng di ng, cỏc phng phỏp c lng kờnh truyn v ỏnh giỏ kờnh truyn qua kt qu mụ phng bng ngụn ng Matlab Phng phỏp nghiờn cu - Thu thp, phõn tớch cỏc ti liu v thụng tin liờn quan n ti - Nghiờn cu cỏc k thut c lng kờnh trờn c s lý thuyt - Xõy dng chng trỡnh mụ phng, thu thp cỏc kt qu s liu - Tin hnh phõn tớch, so sỏnh v la chn hp lý cỏc k thut c lng nhm gim s sai khỏc ca hm truyn ca kờnh phỏt so vi kờnh thu nhiu nguyờn nhõn quỏ trỡnh truyn dn B cc ca lun Lun bao gm chng nh sau: Chng 1: Tng quan v kờnh truyn vụ tuyn Chng 2: K thut OFDM Chng 3: H thng MIMO-OFDM Chng 4: c lng kờnh truyn h thng MIMOOFDM Footer Page of 126 Header Page of 126 Tng quan ti liu nghiờn cu Chng 1: TNG QUAN V KấNH TRUYN Vễ TUYN 1.1 GII THIU CHNG c tớnh chung ca kờnh truyn vụ tuyn di ng l s thay i v thi gian v tn s ca kờnh Dn n cỏc hin tng suy hao ng truyn, shadowing, hiu ng Doppler 1.2 C TNH CHUNG CA KấNH TRUYN TN HIU OFDM i vi tớn hiu OFDM, kờnh truyn vụ tuyn l mụi trng truyn a ng (multipath environment) v chu nh hng ỏng k ca fading nhiu tia, fading la chn tn s Tớn hiu t anten phỏt c truyn n mỏy thu thụng qua nhiu hng phn x khỏc Tớn hiu mỏy thu l tng ca tớn hiu nhn c t cỏc tuyn truyn dn khỏc ú 1.3 CC HIN TNG NH HNG N CHT LNG KấNH TRUYN 1.3.1 Hin tng a ng Tớn hiu qua kờnh truyn vụ tuyn s lan to khụng gian, va chm vo cỏc vt cn trờn ng truyn nh nh ca, cõy ci, sụng h, nỳi i gõy hin tng: phn x, nhiu x, tỏn x Khi súng va chm vo cỏc vt cn s to vụ s tớn hiu bn khỏc vi nhng hng truyn khỏc v mt nhng tớn hiu ny s n c phớa thu 1.3.2 Suy hao trờn ng truyn Suy hao ng truyn dn xy do: S chuyn ng v mi hng ca tớn hiu, s hp th tớn hiu bi nc, khụng khớ, b vt chn, b phn x t mt t 1.3.3 Hiu ng Doppler Footer Page of 126 Header Page of 126 Hiu ng Doppler l s thay i tn s ca tớn hiu thu so vi tớn hiu ó c phỏt i s chuyn ng tng i gia mỏy phỏt v mỏy thu quỏ trỡnh truyn súng Bn cht ca hin tng ny l ph ca tớn hiu thu c b xờ dch i so vi tn s trung tõm mt khong gi l tn s Doppler 1.3.4 Hiu ng búng rõm Do nh hng ca cỏc vt cn tr trờn ng truyn (gõy bi s che khut tm nhỡn thng gia anten trm gc vi anten trm di ng) Vớ d nh cỏc to nh cao tng, cỏc ngn nỳi, i, lm cho biờn tớn hiu b suy gim Tuy nhiờn, hin tng ny ch xy trờn mt khong cỏch ln, nờn tc bin i chm Vỡ vy, hiu ng ny c gi l fading chm 1.3.5 Tri tr Khi mt tớn hiu c phỏt i trờn kờnh truyn dn a ng, bờn thu ta s thu c nhiu tớn hiu n t nhiu ng, cú suy hao v thi gian tr khỏc tri tr l lng thi gian tr ln nht cỏc tớn hiu thu c ti u thu 1.4 CC DNG KấNH TRUYN Tựy theo ỏp ng tn s ca kờnh truyn v bng thụng ca tớn hiu phỏt m ta cú: - Kờnh truyn fading chn lc tn s v kờnh truyn fading phng - Kờnh truyn chn lc thi gian v kờnh truyn khụng chn lc thi gian 1.5 QUAN H GIA TN HIU PHT, TN HIU THU V Mễ HèNH CA KấNH y(t) = x(t)* h(t ) = Trong ú: Footer Page of 126 +Ơ ũ x(t - t )h(t ) -Ơ (1.10) Header Page of 126 x(t) l mt hm xỏc nh no ú v l tớn hiu phỏt y(t) l tớn hiu thu h(t ) l ỏp ng xung ca kờnh tn s thay vỡ phộp cng ca tớn hiu phỏt vi kờnh truyn l phộp nhõn nh phng trỡnh sau Y ( jw ) = X ( jw ) H ( jw ); w = 2pf (1.11) 1.6 KấNH TRUYN DN TRONG MễI TRNG NHIU TRNG Nhiu tn ti tt c cỏc h thng truyn dn, cỏc ngun nhiu ch yu nh l thi tit, b khuch i mỏy thu, nhit , Nhiu ny lm gim t s tớn hiu trờn nhiu SNR, gim hiu qu ph ca h thng Tp õm nhiu trng cng Gauss l loi nhiu ph bin nht h thng truyn dn Loi nhiu ny cú mt ph cụng sut l ng u c bng thụng v biờn tuõn theo phõn b Gauss Theo phng thc tỏc ng thỡ nhiu Gaussian l nhiu cng Vỡ vy tớn hiu thu c vit li nh sau: y (t ) = x(t ) * h(t ) + n(t ) (1.20) 1.7 NHIU LIấN K T ISI L xuyờn nhiu gia cỏc kớ t khong thi gian T ca cỏc frame FFT liờn tip (trong thi gian), ngha l cỏc kớ t cnh s giao thoa vi dn n mộo dng kớ t v mỏy thu cú th quyt nh sai v kớ t ny Hin tng a ng lm cho mi súng mang tri nng lng i vi nhng kờnh k cn, iu ny lm cho tớn hiu c gi trc s gõy nhiu lờn tớn hiu ang gi hin hnh Bng vic chốn tin t vũng, ny s c gii quyt 1.8 NHIU LIấN SểNG MANG ICI Footer Page of 126 Header Page of 126 Nhiu giao thoa liờn súng mang, c nh ngha l xuyờn nhiu (crosstalk) gia cỏc súng mang ph ca cựng mt frame FFT (trong tn s) ICI phỏ hy tớnh trc giao ca súng mang Nhiu ICI c loi b hon ton nh s dng tn s trc giao lm tn s ca cỏc kờnh ph 1.9 DUNG LNG KấNH Vễ TUYN 1.10 KT LUN CHNG CHNG 2- K THUT OFDM 2.1 GII THIU CHNG 2.2 KHI NIM Nguyờn lý c bn ca OFDM l chia mt lung d liu tc cao thnh cỏc lung d liu tc thp hn v phỏt ng thi trờn mt s cỏc súng mang trc giao 2.3 SO SNH FDM V OFDM - Trong FDM, tớn hiu truyn cn cú khong bo v tn s gia cỏc kờnh m bo khụng b chng ph, vỡ vy khụng cú hin tng giao thoa liờn kớ t ISI (Inter symbol Interference) gia nhng súng mang iu ny lm gim hiu qu ph - Trong OFDM tt c cỏc súng mang th cp tớn hiu c ng b thi gian v tn s vi nhau, cho phộp kim soỏt tt can nhiu gia cỏc súng mang vi Cỏc súng mang ny chng lp tn s nhng khụng gõy can nhiu gia cỏc súng mang ICI (Inter Carrier Interference) bn cht trc giao ca iu ch 2.4 TNH TRC GIAO Ti v trớ nh ca súng mang ny s l null (im khụng) ca cỏc súng mang cũn li, nờn cỏc súng mang ny s khụng gõy nhiu ln Footer Page of 126 Header Page of 126 2.5 CU TRC OFDM Cu trỳc tn s OFDM gm loi súng mang con: - Súng mang d liu cho truyn d liu - Súng mang dn ng cho mc ớch c lng v ng b - Súng mang vụ dng (null) khụng truyn dn, c s dng cho cỏc bng bo v v cỏc súng mang DC 2.6 S KHI CA H THNG OFDM Hỡnh 2.7 S h thng OFDM u tiờn, dũng d liu u vo vi tc cao c chia thnh nhiu dũng d liu song song tc thp hn nh b chuyn i ni tip-song song Mi dũng d liu song song sau ú c mó húa (Conv Encoder) v c sp xp theo mt trỡnh t hn hp bng b xen r (Interleaver) Sau ó c mó húa v xen r, cỏc dũng bit trờn cỏc nhỏnh s c iu ch s (ỏnh x vo biờn v pha ca súng mang ph) bng b MQAM mapping v c a n u Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 vo ca IFFT Khi IFFT cú nhim v bin i ph ca d liu t tn s sang thi gian Sau ú tin t lp CP (Cyclic Prefix) c chốn vo gim nhiu xuyờn ký t (ISI), nhiu xuyờn kờnh (ICI) truyn trờn cỏc kờnh vụ tuyn di ng a ng Cui cựng thc hin iu ch cao tn, khuch i cụng sut v phỏt i t anten Trong quỏ trỡnh truyn, trờn cỏc kờnh s cú cỏc ngun nhiu tỏc ng n nh nhiu Gausian trng, fading Rayleigh, dch Doppler, tri tr Bờn phớa thu, tớn hiu thu c chuyn xung tn s thp v tớn hiu ri rc nhn c sau b D/A thu Khong bo v c loi b v cỏc mu c chuyn i t thi gian sang tn s bng phộp bin i FFT Sau ú, tựy vo s iu ch c s dng, s dch chuyn v biờn v pha ca cỏc súng mang s c sp xp ngc tr li v c gii mó Sau cựng, chỳng ta nhn li c dũng d liu ni tip ban u sau chuyn t song song v ni tip 2.7 NG B ng b l mt nhng ang rt c quan tõm k thut OFDM bi nú cú ý ngha quyt nh n kh nng ci thin cỏc nhc im ca OFDM Nu khụng m bo s ng b v tn s súng mang thỡ s dn n nguy c mt tớnh trc giao gia cỏc súng mang nhỏnh, lm cho h thng OFDM mt i cỏc u im c trng nh s trc giao ny Trong h thng OFDM, cú ba loi ng b khỏc l: ng b ký t, ng b tn s súng mang v ng b tn s ly mu 2.8 U NHC IM CA H THNG OFDM 2.8.1.u im Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 ú: y ẻ C N R biu din tớn hiu nhn NR anten (NR chiu) x ẻ C NT biu din tớn hiu phỏt t NT anten (NT chiu) n ẻ C N R kớ hiu nhiu Gauss trng N(0,2) H ẻ C N R NT l ma trn kờnh truyn cha cỏc h s phc hij, kớch thc NR x NT , hij cú biờn v dch pha ngu nhiờn ph thuc vo s bin i ca kờnh truyn, mi h s hij biu din li ca kờnh truyn t anten phỏt j n anten thu i 3.2.2 Dung lng ca h thng MIMO Dung lng kờnh truyn MIMO c tớnh theo biu thc sau : Bớt/s/Hz (3.9) Tu thuc v thụng tin trng thỏi kờnh truyn CSI (Channel State Information) c bit ti c hai ni phỏt v ni thu hay CSI ch bit ti ni thu, m dung lng kờnh truyn cú th khỏc cỏch phõn phi cụng sut ti u hay ng u ti anten phỏt 3.2.3 Mụ hỡnh h thng MIMO-OFDM Hỡnh 3.4 Mụ hỡnh h thng MIMO-OFDM Gi s s s dng NT anten phỏt v NR anten thu Footer Page 12 of 126 11 Header Page 13 of 126 K thut OFDM s dng b chuyn i ni tip-song song chia kờnh truyn chn lc tn s thnh N kờnh truyn fading phng H thng MIMO-OFDM cú chc nng tng ng nh h thng MIMO Kờnh truyn h thng MIMO-OFDM cú th mụ t thụng qua ma trn H nh sau: h1NT (k ) ự ỳ h2 NT (k ) ỳ (3.10) M ỳ ỳ hN R NT (k )ỳỷ ộh11 (k ) h21 (k ) H (k ) = ờờ M ờởhN R (k ) hN R (k ) Trong ú l li kờnh truyn t anten phỏt th j hij (k ) h12 (k ) L h22 (k ) L M O L ti anten thu th i ti súng mang ph th k 3.3 CC K THUT PHN TP TRONG H THNG MIMO-OFDM 3.3.1 Phõn thi gian L k thut s dng i vi kờnh truyn bin i theo thi gian, iu ny thng xy i vi cỏc trng hp mỏy thu hay mỏy phỏt ang chuyn ng tng i vi Phõn thi gian cú th thu c tớn hiu qua mó hoỏ v xen kờnh 3.3.2 Phõn khụng gian S dng nhiu anten c xp khụng gian ti phớa phỏt hoc phớa thu phỏt hoc thu tớn hiu Cỏc anten c phõn chia nhng khong cỏch ln cho tớn hiu khụng b tng quan vi Yờu cu v khong cỏch gia cỏc anten tựy thuc vo cao ca anten, mụi trng lan truyn v tn s lm vic Khong cỏch Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 in hỡnh khong vi bc súng l cỏc tớn hiu khụng b tng quan vi Cú th chia phõn khụng gian thnh loi: Phõn anten phỏt, phõn anten thu, phõn anten phỏt v thu 3.3.3 Phõn tn s S dng cỏc thnh phn tn s khỏc phỏt cựng mt thụng tin Cỏc tn s cn c phõn chia m bo cỏc tớn hiu truyn khụng b tng quan vi v b nh hng fading mt cỏch c lp Khong cỏch gia cỏc tn s phi ln hn vi ln bng thụng nht quỏn m bo rng fading trờn cỏc tn s khỏc l khụng tng quan vi 3.4 NHNG LI CH CA H THNG MIMO-OFDM 3.4.1 li mng (Beamforming) 3.4.2 li ghộp kờnh khụng gian (Spatial Multiplexing) 3.4.3 li phõn (Spatial Diversity) 3.4.4 Trit nhiu giao thoa 3.5 M HO KHễNG GIAN-THI GIAN STC Mụi trng vụ tuyn trng hp b cỏc hin tng a ng v tỏn x mnh khin tớn hiu thu c t cỏc anten hon ton c lp Thay vỡ tỡm mi cỏch chng li hin tng a ng, mó hoỏ khụng gian thi gian li dng tớnh cht ny nõng cao dung lng kờnh truyn Vi mt chui symbol vo b mó hoỏ khụng gian thi gian s chn cỏc im tng ng trờn gin chũm truyn ng thi ti tt c cỏc anten qua ú tng li ghộp kờnh v li phõn 3.6 NH HNG CA PAPR TRONG H THNG MIMOOFDM Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 - T s cụng sut nh trờn cụng sut trung bỡnh PAPR (Peak_to_Average Power Ratio) l mt nhng hn ch c bn ca k thut OFDM cỏc h thng MIMO-OFDM Khi t s ny cao, vic s dng b khuch i cụng sut s khụng t hiu sut cao vỡ phi dnh d tr cụng sut trỏnh nhiu phi tuyn Nh vy, gim PAPR l yờu cu quan trng ca h thng MIMO-OFDM - PAPR c nh ngha l t s cụng sut nh tc thi trờn cụng sut trung bỡnh c biu din bi cụng thc toỏn hc sau: Max 0