Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin mimo OFDM

Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM MỤC LỤC MỤC LỤC 1  MỤC LỤC HÌNH VẼ 3  MỤC LỤC BẢNG BIỂU 5  DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6  LỜI NÓI ĐẦU 8  CHƯƠNG 1  ĐẶT VẤN ĐỀ 9  1.1  Xu hướng phát triển yêu cầu hệ thống di động .9  1.2  Đặc điểm OFDM 10  1.2.1  Giới thiệu 10  1.2.2  Ưu điểm 10  1.2.3  Nhược điểm 11  1.3  Đặc điểm hệ thống MIMO 12  1.3.1  Giới thiệu 12  1.3.2  Ưu điểm 13  1.3.3  Nhược điểm 13  1.4  Bài toán đặt .14  1.5  Phương pháp nghiên cứu 15  CHƯƠNG 15  CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 16  2.1  Suy hao đường truyền 16  2.2  Các tượng fading 17  2.3  Hiện tượng Doppler .19  2.4  Nhiễu trắng Gauss .19  2.5  Kết luận chương 20  CHƯƠNG 3  OFDM 21  3.1  Giới Thiệu 21  3.2  Cơ sở lý thuyết OFDM .21  3.2.1  Sóng mang trực giao .21  3.2.2  Cấu trúc tín hiệu OFDM .26  3.3  Hệ thống truyền dẫn OFDM 27  3.3.1  Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song .28  3.3.2  Tầng điều chế sóng mang 29  3.3.3  Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 30  3.3.4  Tầng chèn khoảng bảo vệ .32  3.3.5  Tầng điều chế sóng mang cao tần RF 36  3.4  Các thông số đặc trưng hệ thống truyền dẫn OFDM 36  3.4.1  Các thông số miền thời gian .36  3.4.2  Các thông số miền tần số 37  3.4.3  Thông lượng kênh 37  3.5  Kết luận chương 39  CHƯƠNG 4  HỆ THỐNG MIMO .40  1  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM 4.1  Giới thiệu .40  4.2  Cơ sở lý thuyết MIMO 40  4.2.1  Kỹ thuật phân tập 40  4.2.2  Độ lợi hệ thống MIMO 42  4.2.3  Dung lượng hệ thống 44  4.3  Hệ thống MIMO 46  4.3.1  Mô hình hệ thống MIMO sử dụng mã không gian thời gian: 47  4.3.2  Mã hóa không gian thời gian khối STBC .48  4.3.3  Mã lưới không gian thời gian STTC .54  •  Thuật toán giải mã chập Viterbi 57  Mã hóa không gian – thời gian lớp BLAST .61  Bộ thu V-BLAST Zero-Forcing 63  Bộ thu V-BLAST MMSE (Minimum Mean-Squared Error) .65  4.4  Kết luận chương 68  CHƯƠNG 5  HỆ THỐNG MIMO-OFDM .69  5.1  Giới thiệu .69  5.2  Hệ thống MIMO – OFDM 69  5.2.1  Giới thiệu 69  5.2.2  Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti .71  5.2.3  Cải thiện chất lượng hệ thống MIMO – OFDM nhờ sử dụng mã lưới 75  5.2.4  Hệ thống MIMO – OFDM V-BLAST 77  5.2.5  Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình PAPR 80  5.3  Ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMO – OFDM .81  5.3.1  Giới thiệu 81  5.3.2  Ước lượng kênh truyền 82  5.3.3  Điều chế ký tự pilot thêm vào ( Pilot Symbol Assisted Modulation ) 83  5.3.4  Sắp xếp pilot 84  5.3.5  Ước lượng theo kiểu xếp pilot dạng khối .88  5.3.6  Ước lượng theo kiểu xếp pilot dạng lược .92  5.3.7  Phương pháp ước lượng kênh dựng lọc LS (least square filter) cho hệ thống MIMO – OFDM 93  5.3.8  Cân tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM 96  5.4  Kết luận chương 97  CHƯƠNG 6  MÔ PHỎNG 98  6.1  Giới thiệu .98  6.2  Dung lượng hệ thống MIMO - OFDM .98  6.3  Ước lượng kênh hệ thống MIMO – OFDM 99  KẾT LUẬN 105  HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 106  TÀI LIỆU THAM KHẢO 107  2  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Trực quan hệ thống MIMO 12  Hình 2.1 Tín hiệu tới anten thu theo L đường 17  Hình 2.2 Cường độ tín hiệu thay đổi theo thời gian 18  Hình 3.1 Tích phân sóng hình sin 22  Hình 3.2 Tích phân hai sóng hình sin khác tần số 23  Hình 3.3 Tích phân hai sóng hình sin tần số 23  Hình 3.4 Minh họa tín hiệu OFDM miền thời gian miền tần số 25  Hình 3.5 Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang so với phổ tín hiệu 25  Hình 3.6 Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM với sóng mang 26  Hình 3.7 Cấu trúc tín hiệu OFDM 26  Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống OFDM điể hình 27  Hình 3.9 Minh họa biến đổi song song/ nối tiếp nối tiếp/ song song 29  Hình 3.10 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB 30  Hình 3.11 Tần IFFT, tạo tín hiệu OFDM 31  Hình 3.12 Đáp ứng xung kênh truyền fading chọn lọc tần số 32  Hình 3.13 Tín hiệu khoảng bảo vệ 33  Hình 3.14 Tín hiệu chèn khoảng bảo vệ rỗng 33  Hình 3.15 Khoảng bảo vệ có tính Cyclic Prefix 34  Hình 3.16 Tiền tố lặp CP OFDM 35  Hình 3.17 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở sử dụng kỹ thuật tương tự 36  Hình 3.18 Độ rộng băng tần hệ thống độ rộng băng sóng mang 37  Hình 4.1 Minh họa phân tập thời gian 41  Hình 4.2 Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn 43  Hình 4.3 Phân tập không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống 44  Hình 4.4 Sơ đồ Alamouti anten phát anten thu 49  Hình 4.5 Các symbol phát thu sơ đồ Alamouti 49  Hình 4.6 Sơ đồ Alamouti anten phát M anten thu 52  Hình 4.7 Sơ đồ lưới mã Trellis K = 3, k/n = 1/2 55  Hình 4.8 Bộ lập mã chập với chiều dài cưỡng K = 3, k/n = ½ 58  Hình 4.9 Sơ đồ lưới lập mã K=3, tốc độ 1/2 với giá trị nhánh 58  Hình 4.10 Sơ đồ mã lưới với giá trị Hamming 59  Hình 4.11 Lựa chọn đường sống sót thời điểm t4 60  Hình 4.12 Khoảng cách mã thời điểm t5 61  Hình 4.13 Lựa chọn đường sống sót thời điểm t5 61  Hình 4.14 Máy thu V-BLAST MMSE 68  Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống MIMO – OFDM 69  Hình 5.2 Ma trận kênh truyền MIMO – OFDM 71  Hình 5.3 Máy phát MIMO-OFDM Alamouti 71  3  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM Hình 5.4 Sơ đồ khối hệ thống MIMO - OFDM Trellis Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống thu MIMO-OFDM Trellis Hình 5.6 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST Hình 5.7 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST Hình 5.8 ZF/MMSE Decoder 4  Nguyễn Huy Phong CH2010B 76  77  77  80  80  Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Đa thức sinh sử dụng điều chế mã Trellis………………….48 5  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADSL Asymmetric Digital Đường dây thuê bao Subscriber Line số bất đối xứng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CP Cycle Prefix Tiền tố lặp DAB Digital Audio Broadcasting Phát số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi thuận FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh I.I.D Independent and Identically Phân bố độc lập đồng Distributed ICI InterChannel Interference Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Biến đổi Fourier ngược rời rạc Fourier Transform IFFT Inverse fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự MIMO Multi Input- Multi Output Đa đầu vào – Đa đầu MISO Multi Input Single Output Đa đầu vào – Một đầu ML Maximum Likelihood Giống nhiều MMRC Maximal – Ratio Receive Kết hợp thu tỷ lệ lớn Combining MMSE Minimum Mean-Squared Error Tối thiểu bình phương sai biệt lỗi OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia Division Multiplexing theo tần số trực giao Peak- to-Average Tỷ số công suất đỉnh Power Ratio công suất trung bình PAPR 6  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ Modulation cầu phương SISO Single Input Single Output Một đầu vào – Một đầu STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian – thời gian STC Space Time Codes Mã không gian thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian 7  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày tăng Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả kháng nhiễu tốt Hệ thống thông tin truyền thống phương thức ghép kênh cũ khả đáp ứng yêu cầu hệ thống thông tin tương lai Một giải pháp đưa kết hợp hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM Trong luận văn tìm hiểu kỹ thuật OFDM tổng quan hệ thống MIMO Phân tích mô hình Alamouti mô hình V-BLAST Dựa lý thuyết phân tích, kiểm chứng lại kết mô Matlab Từ rút kết luận khả thực thi hệ thống MIMO-OFDM Trong trình làm đồ án, em nhận hướng dẫn chu đáo tận tình TS Nguyễn Thúy Anh TS Nguyễn Hữu Trung Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Do kiến thức nhiều hạn chế, nên báo cáo không tránh khỏi sai sót, em mong nhận đánh giá phê bình thầy cô Hà Nội, ngày tháng năm 2011 SV Nguyễn Huy Phong 8  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Xu hướng phát triển yêu cầu hệ thống di động Trong thời đại nay, mà giới bước vào kỷ nguyên hội tụ thông tin di động Internet Điều tạo nên xã hội đa phương tiện băng rộng Các hệ thống tế bào (thường hiểu hệ thống 2G) tối ưu hoá cho dịch vụ thoại thời gian thực chúng có khả hạn chế việc cung cấp dịch vụ đa phương tiện băng rộng chúng có tốc độ truyền liệu chậm hình hiển thị nhỏ Các hệ thống 3G, trình phát triển với tốc độ liệu nhanh lên tới 3.6Mbit/s (7.2Mbit/s sau) có hình hiển thị tốt hệ thống 2G Thông tin truyền qua Internet ngày phong phú Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng tràn đầy mạng cố định dựa công nghệ Internet hệ Tuy nhiên, khả hệ thống 3G đáp ứng nhu cầu ngày tăng dịch vụ đa phương tiện băng rộng Điều đặt phải có hệ thống thông tin có khả đáp ứng nhu cầu truyền thông đa phương tiện – hệ thống di động 4G Dung lượng yêu cầu ngày lớn, tốc độ liệu ngày cao, băng thông lại có giới hạn Yêu cầu khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu MIMO (Multi Input- Multi Output ) nghiên cứu đem lại nhiều thành công đáng kể Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu phổ mà tăng công suất phát hay băng thông Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit BER ( Bit Error Rate), ảnh hưởng fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI (Inter- Symbol Interference)… Nhưng nhu cầu chất lượng dịch vụ không mà giảm Để giải vấn đề này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Nguyên lý OFDM chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ 9  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM thấp phát sóng mang trực giao Nhờ vậy, OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng băng hẹp triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ 1.2 Đặc điểm OFDM 1.2.1 Giới thiệu Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Năm 1971, Weinstein & Ebert để nghị sử dụng FFT khoảng bảo vệ OFDM Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM Phát minh làm cho kỹ thuật OFDM ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực truyền dẫn thông tin băng rộng HDSL, ADSL, VHDSL Sau OFDM ứng dụng phát số DAB truyền hình số DVB Trong năm gần đây, OFDM tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng chuẩn di động 3.75 G 4G 1.2.2 Ưu điểm Hệ thống OFDM có ưu điểm bật sau: - Sử dụng OFDM giúp đạt hiệu phổ tần cao cách cho phép sóng mang chồng lấn lên tính trực giao chúng - Các hệ thống OFDM có khả chịu đựng fading chọn lọc tần số tốt hệ thống sóng mang đơn dựa vào việc chia toàn băng thông kênh thành nhiều kênh fading phẳng Do vậy, OFDM phù hợp với hệ thống truyền dẫn băng rộng 10  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM l =0 ⎧ x ( m) =⎨ p ⎩inf data l = 1, , L − (3.33) Trong : Np số Pilot, L = (số sóng mang con)/N+p , Xp(m) giá trị sóng mang pilot thứ m Định nghĩa { Hp(k) , k = 0, 1, , Np } đáp ứng tần số kênh sóng mang pilot (giải thuật LS) 5.3.7 Phương pháp ước lượng kênh dựng lọc LS (least square filter) cho hệ thống MIMO – OFDM Để thực ước lượng kênh tín hiệu dẫn đường chèn vào dòng liệu miền thời gian tần số Ở bên thu, tín hiệu dẫn đường nhận tách từ dòng tín hiệu thu đưa tới ước lượng kênh Ta xét mẫu tín hiệu dẫn đường nhận miền tần số, nghĩa sau áp dụng biến đổi Fourier rời rạc Ký hiệu Yr[l,i] tín hiệu dẫn đường nhận từ sóng mang phụ l ký hiệu OFDM thứ I anten thu r Tín hiệu từ sóng mang phụ l ký hiệu OFDM thứ I anten thu r Tín hiệu viết phương trình sau: NT Yr [l , i ] = ∑ H t , r [l , i ]X t [l , i ] + W r [l , i ] t =1 (3.34) Ở Ht,r[l,i] hệ số kênh truyền miền tần số anten phát t anten thu r Trong phương trình (3.34), Xr[l,i] Wr[l,i] tín hiệu dẫn đường phát máy phát can nhiễu máy thu NT số lượng anten phát Để biểu diễn tín hiệu dẫn đường nhận tất sóng mang Yr[l,i], với l = 0,…, NFFT – , ta định nghĩa tín hiệu dẫn đường nhận từ anten thu r dạng vectơ sau: uur Yr [i] = [Yr [0, i], , Yr [N FFT − 1, i]T (3.35) 93  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM Ký hiệu vectơ nhiễu: uur Wr [i ] = [Wr [0, i ], ,Wr [N FFT − 1, i]T (3.36) Trong phương trình trên, NFFT số sóng mang giả sử độ dài FFT Toán hạng (.)T toán hạng chuyển vị ma trận Các hệ số kênh truyền tất anten phát anten thu thứ r vectơ cột với kích cỡ ( NT N ) x1 uuur uur uur uur Hr [i] = [ H 1,r [i], , H t ,r [i], , H NT ,r [i]]T (3.37) uur T Ở phương trình trên, H t ,r [i ] = [H t ,r [i ], , H t ,r [i]] đáp ứng tần số kênh truyền anten phát t anten thu r Tín hiệu dẫn đường biểu diễn thông qua ma trận với kích thước N × ( NT N ) sau: uur uur uur X [i ] = [diag{ X 1[i ]}, , diag{ Xt[i ]}, , diag{ X NT [i ]}] uur (3.38) uur Với X t , r [i ] = [X t [0,i ], , X t [N-1,i ]]T diag { X t [ i ]} ma trận đường chéo với uur thành phần vectơ X t [i ] đường chéo Cuối cùng, vectơ tín hiệu dẫn đường nhận viết: ur uur uur Y r [i ] = X [i ]H r [i ] + W r [i ] (3.39) r Quan hệ đáp ứng thời gian ht ,r [i ] = [h t , r [0,i ], , ht ,r [L-1,i ]] đáp ứng tần uur số kênh H t , r [i ] mô tả phương trình sau: T r uur ht ,r [i ] = FL H t ,r [i ] (3.40) Với FL ma trận chứa L cột ma trận FFT sau đây: 94  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM ⎡ F0,0 ⎢ ⎢ F1,0 F =⎢ ⎢ ⎢⎣ FNFFT −1 ,0 F0,1 F1,1 FNFFT −1 ,1 F0, NFFT −1 ⎤ ⎥ F1, NFFT −1 ⎥ K ⎥ K ⎥ K FNFFT −1 , NFFT −1 ⎥⎦ K (3.41) Các thành phần ma trận F có giá trị Fp ,q = e − j 2π ( pq / N ) Đáp ứng thời gian kênh có độ dài L tương ứng với độ dài tối đa trê truyền dẫn kênh dạng rời rạc nhiên với điều kiện phải nhỏ độ dài FFT Bằng việc biểu diễn đáp ứng thời gian kênh phương trình (3.41), vectơ tín hiệu sau giải điều chế phương trình (3.40) viết lại: ur r uur Y r [i ] = Q h r [i ] + W r [i ] (3.42) Với ma trận: uur uur Q = [diag{ X 1[i]}FL , , diag{ X NT [i]}FL ] (3.43) Và vectơ: uur r r r hr [i ] = [h1,r [i ], , ht ,r [i ], , h NT ,r [i ]]T (3.44) Việc ước lượng vectơ đáp ứng thời gian kênh truyền thực lọc LS ur )r h r = (Q H Q ) −1 Q H Y r (3.45) Ở toán tử (.)H chuyển đổi Hermitian Việc ước lượng thành công kênh truyền theo phương pháp LS phụ thuộc vào tồn ma trận nghịch đảo (QHQ)-1 Nếu hạng ma trận QHQ giảm (singular matrix) lời giải cho phương pháp LS không tồn 95  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM 5.3.8 Cân tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM Tương tự biểu diễn tín hiệu dẫn đường Yr[l,i] phương trình (3.34), mẫu tín hiệu có ích nhận zr[l,i] biểu diễn bởi: NT zr [l , i] = ∑ H t ,r [l , i]dt [l , i] + Wr [l , i] (3.46) t =1 Ở phương trình dt[l,i] liệu truyền Nếu ta bỏ qua ảnh hưởng nhiễu thay hệ số kênh lý tưởng Ht,r[l,i] (3.46) hệ số kênh ước lượng H t ,r [l , i] mẫu tín hiệu có ích nhận viết lại: NT zr [l , i ] = ∑ H t ,r [l , i ]d t [l , i ] (3.47) t =1 Nếu ta biểu diễn tín hiệu nhận từ tất anten, phương trình (3.47) trở thành tập phương trình tuyến tính Kết lời giải hệ phương trình tuyến tính cho ta tín hiệu phát dt[l,i] Việc giải hệ phương trình tuyến tính với ẩn số tín hiệu phát gọi phương pháp cân tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM So sánh với cân tín hiệu hệ thống MIMO – OFDM, cân tín hiệu hệ thống OFDM đơn giản phép chia tín hiệu giải điều chế với hệ số kênh ước lượng Do vậy, cân tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM có độ phức tạp lớn nhiều so với hệ thống OFDM Hệ phương trình phương trình tuyến tính mở rộng từ phương trình (3.48) trình bày dạng ma trận sau: r ur z [l, i ] = H [ l , i ]d [l, i ] (3.48) Với ur d [l , i ] = [dt [l , i], , d NT [l , i]]T (3.49) Và 96  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM r z[l , i ] = [zt [l , i], , z N R [l , i]]T (3.50) Là vectơ với kích cỡ NTx1 NRx1 ký hiệu liệu phát nhận phía thu Trong công thức (3.48): ⎡ H 1,1[l , i ] H 1,2 [l , i ] ⎢ ⎢ H 2,1[l , i ] H 2,2 [l , i ] H =⎢ ⎢ ⎢ H N ,1[l , i ] H N ,2 [l , i ] R ⎣ R H 1, NT [l , i ] ⎤ ⎥ K H 2, NT [l , i ] ⎥ ⎥ K ⎥ K H N R , NT [l , i ]⎥⎦ K (3.51) Là ma trận NRxNT tương ứng với sóng mang l ký hiệu OFDM thứ i Giả sử số lượng anten phát số anten thu tồn ma trận nghịch đảo ma trận H[l,i] cân việc cân tín hiệu cho hệ thống MIMO–OFDM thực theo phương trình sau: ur r −1 d [l ,i ] = H [l , i ] z[l ,i ] (3.52) Các tín hiệu thu sau thực cân kênh biểu diễn phương trình bị lỗi việc khôi phục kênh không hoàn toàn xác hệ thống thực tế bị nhiễu tác động vào 5.4 Kết luận chương Hệ thống MIMO-OFDM thực hệ thống đem lại chất lượng tốt đem lại nhiều tiềm năng, nên tương lai chắn phát triển rộng rãi Ở chương này, giới thiệu hệ thống MIMO – OFDM đơn giản nhất, cách điều chế tín hiệu, cách khôi phục tín hiệu phía thu Để hiểu rõ hoạt động hệ thống này, chương đưa chương trình mô cho hệ thống 97  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM CHƯƠNG MÔ PHỎNG 6.1 Giới thiệu Chương trình bày chương trình mô dung lượng kênh hệ thống MIMO-OFDM ước lượng kênh hệ thống MIMO-OFDM Thông qua kết mô phỏng, đánh giá hiệu năng, ưu nhược điểm hệ thống Từ đưa hướng phát triển đề tài 6.2 Dung lượng hệ thống MIMO - OFDM Mô dung lượng hệ thống MIMO – OFDM thực phần mềm Matlab 7.0 Ta áp dụng công thức tính dung lượng hệ thống cho trường hợp theo lý thuyết Shannon, hệ thống MIMO sử dụng anten phát - anten thu, anten phát - anten thu anten phát - anten thu Kết thu hình sau: 98  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM Hình 4.1 Dung lượng hệ thống MIMO theo trường hợp Qua mô trên, ta thấy, dung lượng hệ thống MIMO tăng nhanh theo số lượng anten phát anten thu Đúng theo lý thuyết, số lượng anten phát thu lớn dung lượng đạt lớn Cùng với tăng dung lượng, chất lượng hệ thống cải thiện rõ rệt Nếu trường hợp dung lượng tính theo Shannon anten phát anten thu điển hình, tỷ số SNR đạt 20dB dung lượng kênh nhỏ (khoảng 6,6 bit/s/Hz) Khi số lượng anten thu phát tăng lên thông số dung lượng tỷ số SNR tăng nhanh Ứng với trường hợp cặp anten phát thu, điểm tỷ số SNR đạt 100dB dung lượng kênh 64 bit/s/Hz Khi dung lượng tăng lên đến 129 bit/s/hz trường hợp cặp anten thu phát đạt tỷ số SNR 100dB Như vậy, việc đạt dung lượng kênh truyền cao, hệ thống MIMO đạt tỷ số SNR tốt, điều dẫn đến chất lượng tín hiệu cao 6.3 Ước lượng kênh hệ thống MIMO – OFDM Mô hệ thống MIM – OFDM với tham số hệ thống lựa chọn theo sau: + Bề rộng băng tần: B = 20Mhz + Độ dài FFT: NFFT = 64 + Chu kỳ lấy mẫu: ta = 1/B = 50 ns + Độ dài chuỗi bảo vệ TG = 0.4 µ s môi trường truyền dẫn nhà khoảng 0.8 µ s môi trường truyền dẫn trời Các đường truyền tạo kênh nhà (indoor channel) Hệ thống sử dụng anten thu anten phát Phương pháp 99  Nguyễn Huy Phong CH2010B Ngh hiên cứu đánhh giá dung lượ ợng ước lư ượng kênh truuyền hệ thốngg thông tin MIIMO-OFDM Sử dụng phươ ơng pháp điềều chế QPS SK cho tất c sóng mang Đánh giá việc ước lượnng kênh thheo phươngg pháp LS theo tiêu chuẩn lỗi bình phư ương MSE sau: MSE E= NR r) r) r r H ⎤ ⎡ E ( h [ i ] − h [ i ]) ( h [ i ] − h ∑ r r r r [i ]) ⎥ ⎢ ⎣ ⎦ r =1 NR (4.1) Ta thu kết k sau: Hình 4.2 Ước lượ ợng kênh theeo phương pháp p LS theo tiêu chuẩn MSE thị chứng tỏ phươngg pháp ước lượng kênnh LS có tiêêu chuẩn lỗỗi bình phư ương Đồ trun ng bình m hàm giảảm theo tăng SN NR 100 Ngh hiên cứu đánhh giá dung lượ ợng ước lư ượng kênh truuyền hệ thốngg thông tin MIIMO-OFDM Hìnhh 4.3 Đánh giá hệ thốnng theo tiêu chuẩn lỗi m mẫu tín hiệu u SER Đồ thị biểu th hị phép ước lượng kênh k theo phhương phápp LS có khooảng o vệ khô ông có khoảảng bảo vệ Ta thấy, cảả cách đềuu cho thấy tỷ t lệ lỗi sym mbol bảo SER hàm h giảm th heo SNR T Tuy nhiên khoảngg bảo vệ thìì NR tăng, SE ER giảm h Khi chhèn khoảng bảo vệ, tỷ llện tín hiệu nhiễu tăng SN tỷ lệ lỗi sym mbol giảm nhanh nhiều 101 Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM Hình 4.4 Ước lượng kênh theo phương pháp ZF MMSE sử dụng điều chế QPSK Bằng phép điều chế QPSK, ước lượng kênh theo phương pháp ZF MMSE Ta thấy rằng, phương pháp cho tỷ lệ lỗi bit BER hàm giảm theo tỷ lệ tín hiệu tạp âm SNR Tuy nhiên ta thấy, phương pháp MMSE cho kết tốt ZF 102  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM Hình 4.5 Ước lượng kênh theo phương pháp ZF MMSE sử dụng điều chế BPSK Với phép điều chế BPSK, sử dụng phương pháp ZF MMSE ta nhận kết tương tự sử dụng điều chế QPSK Ta nhận tỷ lệ lỗi bit BER giảm theo tăng SNR, phương pháp MMSE cho kết tốt ZF Nhận xét: Để đạt độ tin cậy, độ ổn định để khôi phục lại xác tin tức truyền đi, phải kết hợp nhiều kỹ thuật khác • Việc sử dụng phương pháp mã hóa chống lỗi có tác dụng tốt để khôi phục lại tín hiệu môi trường nhiễu Gaussian trắng Sử dụng càngnhiều phương pháp mã hóa chống lỗi làm khả khôi phục lại tín hiệu ban đầu lớn Tuy nhiên, mã hóa chống lỗi sử dụng bit thông tin dư thừa ghépvào bit thông tin có ích, cho việc dùng nhiều loại mã hóa chống lỗi làm cho sử dụng băng tần hiệu 103  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM • Đối với điều chế OFDM, việc chèn khoảng bảo vệ để tránh nhiễu liên tín hiệu Khoảng bảo vệ lớn khả chống lỗi liên tín hiệu hiệu Tuy nhiên, giống trường hợp mã hóa chống lỗi, khoảng bảo vệ lớn làm tốn dải tần Việc thiết kế khoảng bảo vệ phải dựa vào trễ truyền dẫn lớn kênh truyền trình bày chương Vì thế, thiết kế khoảng bảo vệ cho OFDM phải biết trước thông tin môi trường truyền dẫn để đạt hiệu cao việc điều chế • Trong môi trường truyền dẫn có nhiễu trắng Gaussan AWGN mã hóa chống lỗi có tác dụng tốt để chống lỗi Nhưng có nhiễu phađinh đa đường theo phân bố Reyleigh hay phân bố Rice kỹ thuật chống lỗi, thiết phải thực kỹ thuật ước lượng kênh truyền cân kênh Có nhiều phương pháp ước lượng, cân kênh, đơn giản chèn mẫu tin dẫn đường biết phát thu Thông qua mẫu tin dẫn đường cho ta thông tin hàm truyền kênh, nhờ có thuật toán nội suy, ta khôi phục lại thông tin kênh Nhờ kỹ thuật mà thông tin khôi phục xác • Dung lượng kênh hệ thống MIMO tỷ lệ với số anten thu, phát Hệ thống MIMO giúp tận dụng tốt môi trường phân tập đa đường Việc thực điều chế MIMO dựa vào mã hóa không gian, thời gian Trong số loại mã hóa không gian/ thời gian: Mã khối (Alamouti), Mã Trellis, mã lớp loại mã có ưu điểm khác Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mục đích sử dụng có loại mã lựa chọn Trong chương trình mô này, mã Trellis sử dụng Tuy mã phức tạp nhất, mã Trellis mang lại lợi ích như: tăng ích mã hóa lớn hơn, khả tính toán nhanh • Ở phía anten thu hệ thống MIMO, anten thu tín hiệu tổng hợp tín hiệu từ anten phát phát đi, nhờ thuật toán tách kênh khả giống nhiều nhất, thu tách lại luồng tín hiệu đưa luồng đến giải mã (Viterbi) để khôi phục lại tín hiệu gốc 104  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM KẾT LUẬN Đồ án tập trung nghiên cứu dung lượng kênh truyền MIMO OFDM, chứng minh ưư điểm vượt trội so với hệ thống truyền tin khác Dựa lý thuyết tìm hiểu tiến hành mô cho kết tương đối phù hợp với lý thuyết Ước lượng kênh truyền khâu quan trọng việc khôi phục lại tín hiệu MIMO - OFDM, giúp cho vấn đề đồng thực tốt Nghiên cứu việc ước lượng kênh truyền, đồ án tập trung vào kĩ thuật ước lượng kênh truyền khác hệ thống MIMO - OFDM Trước sâu vào nghiên cứu kĩ thuật ước lượng kênh truyền, đồ án tìm hiểu tương đối đầy đủ vấn đề kênh truyền vô tuyến kỹ thuật MIMO OFDM nhằm có nhìn sâu sắc kĩ thuật ước lượng kênh truyền 105  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kỹ thuật MIMO - OFDM hướng nghiên cứu thông tin di động Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp bậc Đại học, kiến thức kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa hoàn chỉnh, đồ án em mang tính chất tìm hiểu tổng quan, chưa sâu vào nghiên cứu hết tất phương pháp ước lượng kênh truyền Trong tương lai, tiếp tục tham gia nghiên cứu khoa học, em cố gắng để nghiên cứu sâu kỹ thuật ước lượng kênh truyền, nghiên cứu kĩ thuật ước lượng nội suy phức tạp hiệu hơn, cụ thể sau: + Nghiên cứu kĩ thuật ước lượng 2D MMSE + Nghiên cứu ước lượng thích nghi (bộ ước lượng Kalman) + Nghiên cứu sâu phương pháp nội suy miền tần số + Mô so sánh phương pháp ước lượng để thấy rõ ưu nhược điểm phương pháp, từ rút cách lựa chọn phương pháp ước lượng kênh truyền điều kiện thích hợp 106  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Đức, (2006), Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM , NXB Khoa học kỹ thuật [2] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên , (2006), Thông tin vô tuyến , NXB Khoa học kỹ thuật [3] Trần Trung Dũng, Nguyễn Thúy Anh (2007) , Lý thuyết truyền tin, NXB Khoa học kỹ thuật [4] The OFDM advantage – adc.com [5] Volker Kiihn, (2006), Wireless Communications over MIMO Channels, John Wiley & Sons, Ltd, University Rostock, Germany [6] Kun Fang, Greet Leus and Luca Rugini, Alamouti Space – Time Code OFDM Systems in Time- and Frequency- Seclective Channels, University of Perugia, Italy [7] Hamid Jafarkhani, (2005), Space-Time Coding Theory and Practice, Cambrige University Press [8] Steven T.Karris, Fouth Edition, Signals and Systems with MATLAB Computing and Simulink Modeling , Orchard Publications [9] © 2003 John Wiley & Sons, Ltd Reproduced with permission [10] http://www.mathworks.com [11] http://www.google.com.vn 107  Nguyễn Huy Phong CH2010B ... Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thơng tin MIMO-OFDM triển khai hệ thống, khơng gian cần thiết cho hệ thống tăng lên, độ phức tạp hệ thống xử lý số... độ tin cậy hệ thống Đồng thời, nghiên cứu phương pháp kỹ thuật tối ưu cho hệ thống MIMO – OFDM 14  Nguyễn Huy Phong CH2010B Nghiên cứu đánh giá dung lượng ước lượng kênh truyền hệ thống thơng tin. .. Mơ dung lượng hệ thống MIMO-OFDM • Mơ ước lượng kênh hệ thống MIMO-OFDM - Từ lý thuyết nghiên cứu kết mơ phỏng, rút kết luận, đánh giá hiệu năng, ưu nhược điểm hệ thống, đánh giá khả ứng dụng hệ