Đánh giá ảnh hưởng của kênh fading đối với điều chế không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TẠ THÁI ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNGLỜI ĐẠICAM HỌCĐOAN CÔNG NGHỆ  Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN” công trình nghiên cứu NGUYỄN TẠ THÁI riêng đƣợc hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn Các kết luận văn đƣợc nghiên cứu tổng hợp rút từ tài liệu tham khảo, nội dung đồ án chép đồ án công trình có từ, thông tin tài liệu tham khảo có độ tin cậy cao ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING đƣợc chọn lọc kỹ Nếu phát có gian lận xin hoàn toàn chịu trách nhiệm ĐIỀU luận văn CHẾ TỚI KHÔNG GIAN Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên cao học LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành : Kỹ thuậtNguyễn Điện tửTạ Thái Mã số : 60520203 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TUẤN HÀ NỘI - 2017 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN 1.1 Các hệ thống thông tin không dây 1.2 Hệ thống MIMO 1.2.1 Mô hình MIMO 1.2.2 Các buộc công suất 1.2.3 Dung lƣợng kênh MIMO 11 1.2.4 MIMO-STC 14 1.2.5 Kết luận 21 1.3 Ghép kênh không gian (SM) 22 1.3.1 Mô hình hệ thống MIMO-SM 23 1.3.2 Các toán MIMO-SM 24 1.4 Kết luận chƣơng 25 CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 26 2.1 Kênh truyền tin 26 2.1.1 Suy hao đường truyền 27 2.1.2 Hiện tượng kênh bị che khuất 29 2.1.3 Hiện tượng kênh đa đường 31 2.1.4 Mô hình tap-delay 33 2.1.5 Giãn xung hiệu ứng Doppler 34 2.2 Kênh AWGN 37 2.3 Kênh Fading Rayleight 39 2.3.1 Fading phẳng (Flat Fading) 41 2.3.2 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading) 42 2.3.3 Kênh fading phân bố Rayleigh 43 2.3.4 Kênh fading theo phân bố khác 49 2.4 Kết luận chƣơng 52 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN 53 3.1 Giới thiệu 53 3.2 Kịch mô 54 3.3 Mô kênh Fading 56 3.4 Chƣơng trình mô phỏng: 60 3.4.1 Giải thuật phát (detected) dựa MMSE-VBlast 60 3.4.2 Kết mô 62 3.5 Kết luận chƣơng 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống SISO Hình 1.2: Hệ thống MISO Hình 1.3: Kênh MIMO với NT anten phát NR anten thu Hình 1.4: Dung lƣợng kênh MIMO 13 Hình 1.5: Mã khối không gian-thời gian 15 Hình 1.6: Mô hình hệ thống MIMO-Alamouti 17 Hình 1.7: Sơ đồ mã Trellis 20 Hình 1.8: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = n = 20 Hình 1.9: Lƣới mã sơ đồ trạng thái với k = 1, K = n = 21 Hình 1.10: Mô hình hệ thống MIMO-SM 22 Hình 1.11:Mô hình MIMO-SM 23 Hình 2.1: Kênh không dây 26 Hình 2.2: Hiện tƣợng kênh che khuất 30 Hình 2.3 Phân bố Lognormal 30 Hình 2.4: Hiện tƣợng kênh đa đƣờng 31 Hình 2.5 : Suy hao theo khoảng cách 32 Hình 2.6: Xung máy thu máy phát theo thời điểm khác 33 Hình 2.7 Mô hình hóa tap-delay 33 Hình 2.8: Hiện ứng Doppler di chuyển 35 Hình 2.9: Mật độ phổ tín hiệu thu 36 Hình 2.10 Hàm mật độ phổ công suất nhiễu Gauss 38 Hình 2.11: Phân loại fading theo chu kỳ băng thông 41 Hình 2.12 Kênh truyền băng thông kết hợp Bcohor 41 Hình 2.13 Kênh truyền fading phẳng (Bcohor > W) 42 Hình 2.14: Rayleigh Fading 45 Hình 2.15: Hàm phân bố xác suất Rayleigh 46 Hình 2.16: Rician Fading 49 Hình 2.17: Hàm phân bố xác suất Rice theo giá trị k 50 Hình 2.18 : Phân bố Nakagami-m 52 Hình 3.1: Hệ thống MIMO-SM 53 Hình 3.2 : Flowchat giải thuật mô 55 Hình 3.3: Histogram kênh Raylaeigh Rician 58 Hình 3.4: So sánh ảnh hƣởng kênh Rayleigh Ricean Fadinh tín hiệu 16-QAM 62 Hình 3.5: BER vs SNR kênh Gauss, MQAM 63 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Từ viết tắt Tiếng anh AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gausse trắng có tính cộng Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit Base Station Trạm sở EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power Công suất xạ đẳng hƣớng hiệu dụng ICI Intercarrier Interference Can nhiễu kênh MISO Multiple Input Single Output Hệ thống nhiều đầu vào đầu MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu Maximum Likelihood Demodulation Giải điều chế hợp lý cực đại BER BS MLD Tiếng việt Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại MRC Mobile Set Thiết bị di động Minimum Mean Square Error Ƣớc lƣợng sai số trung bình bình phƣơng cực tiểu LOS Light of Sight Đƣờng nhìn thẳng LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn – công nghệ di động hệ thứ MS MMSE OFDM Orthogonal Frequency Division Hợp kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao Radio Frequency Tần số vô tuyến SISO Single Input Single Output Hệ thống đầu vào đầu SIMO Single Input Multiple Output Hệ thống đầu vào nhiều đầu SM Spatial Multiplexing Hợp kênh không gian STC Space–time code Mã không gian - thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lƣới không gian thời gian STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian SNR Signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu ồn Zero Forcing Phƣơng pháp ép không RF ZF LỜI NÓI ĐẦU Trong phát triển không ngừng ngành thông tin truyền thông, truyền thông không dây, dịch vụ đa phƣơng tiện yêu cầu tất yếu đời sống xã hội Tuy nhiên, thách thức công nghệ truyền thông nhỏ Nó ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng dịch vụ đã, đƣợc cung cấp cho xã hội Khi mà dịch vụ gia tăng mặt số lƣợng lẫn chất lƣợng ảnh hƣởng trở nên rõ ràng, nghiêm trọng Thứ phải kể đến vấn đề sử dụng tần số cách hiệu Nhƣ biết, tần số nguồn tài nguyên hạn chế đƣợc hoạch định quản lý chặt chẽ Mọi hoạt động truyền thông không dây dù hay nhiều cần đến dải tần số định để thu-phát tín hiệu Nâng cao hiệu suất phổ vấn đề “nóng” không riêng ai, lại trở nên cấp thiết hết Thứ hai, việc tăng tốc độ truyền tin nhƣng lơ việc nâng cao độ tin cậy thông tin nhằm đáp ứng lại yêu cầu dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện ngày phát triển mạnh mẽ Một tốc độ độ tin cậy thông tin đƣợc cải thiện, chất lƣợng dịch vụ đƣợc nâng cao Thứ ba thách thức đến từ tƣợng fading đa đƣờng gây Trong môi trƣờng truyền thông không dây, tín hiệu phát đến đƣợc nơi thu qua nhiều đƣờng khác phản xạ, khúc xạ tán xạ gây nên Tín hiệu thu đƣợc gồm nhiều tín hiệu chồng chập mà mức độ thăng giáng cƣờng độ pha khác Xét cho nhiễu gây nên, mà dạng tín hiệu phát bị biến dạng mang thông tin tín hiệu phát Nếu tận dụng đƣợc thông tin để nâng cao chất lƣợng bên thu tăng đáng kể tỉ số SNR Một ƣu điểm hệ thống truyền thông không dây khả di động thiết bị đầu cuối thông tin Đó thách thức cho trình thu Khi máy thu máy phát chuyển động tƣơng vận tốc khác không, tần số máy thu bị xê dịch so với tần số gốc lƣợng định tùy thuộc vào vận tốc di chuyển, ngƣời ta gọi hiệu ứng Doppler Để giải đƣợc vấn đề tăng tốc độ độ tin cậy truyền tin, dùng hai kỹ thuật chính, phân tập thời gian phân tập tần số Phân tập thời gian dựa vào thông tin đƣợc phát lặp lại bên phát phân tập tần số dựa sở phát lặp dải tần khác Tuy vậy, hai giải pháp gây nên lãng phí tốc độ truyền nhƣ băng tần Một giải pháp kỹ thuật khác khắc phục đƣợc phần khuyết điểm hai kỹ thuật trên, phân tập không gian hay đƣợc gọi phân tập ăng-ten Phƣơng pháp sử dụng thông tin phát nhiều ăng-ten khác mà không ảnh hƣởng đến vi phạm dải tần nhƣ tốc độ truyền thông tin Tƣơng tự nhƣ bên phát, bên thu sử dụng nhiều ăng-ten để “gom lại” tối đa thông tin thu đƣợc để định giải mã thông tin phát Hệ thống sử dụng nhiều ăng-ten phát nhiều ăng-ten thu đƣợc gọi hệ thống MIMO - hệ thống nhiều lối vào - nhiều lối (Multi-Input Multi-Output) Hiện nay, hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt truyền thông đa phƣơng tiện tốc độ cao kênh vô tuyến fading ngày tăng đòi hỏi nhiều kĩ thuật đời đáp ứng đƣợc nhu cầu ngƣời sử dụng.Các kỹ thuật truyền nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) với nhiều ăng-ten đƣợc trang bị máy phát máy thu giải pháp đầy triển vọng Trong kĩ thuật truyền dẫn MIMO, máy phát máy thu vô tuyến đƣợc trang bị nhiều ăng-ten, từ hình thành hệ thống MIMO đƣợc gọi kênh MIMO Ƣu điểm bật hệ thống MIMO dung kênh tăng tuyến tính với số lƣợng ăng-ten truyền đƣợc chứng minh Foschini Tetalar Để khai thác ƣu điểm hệ thống MIMO, ba chiến lƣợc truyền dẫn MIMO đƣợc nhà nghiên cứu giới đề xuất là: Truyền dẫn sử dụng mã khối không thời gian (STBC) để cải thiện chất lƣợng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit hệ thống Truyền dẫn sử dụng ghép kênh theo không gian để tăng tốc độ truyền tin Truyền dẫn tổ hợp đồng thời ghép kênh theo không gian mã hóa không thời gian nhằm tăng tốc độ độ truyền tin cậy Tuy nhiên hệ thống MIMO gặp phải số vấn đề nhƣ Can nhiễu kênh (ICI), chồng chuỗi thông tin độc lập đƣợc truyền nhiều ăng-ten phát đồng ăng-ten, đại diện cho giả định sở cho không-thời gian trễ phân tập phƣơng pháp mã hóa; Cần thiết nhiều chuỗi tần số vô tuyến cần thiết để truyền tải tất tín hiệu đồng thời Trong trình phát tín hiệu mong muốn từ ăng-ten truyền mong muốn Để tạo thuận lợi cho việc phát tín hiệu mong muốn từ ăng ten, ảnh hƣởng kênh đƣợc đảo ngƣợc ma trận trọng số W nhƣ (3.1) Khi biểu tƣợng tín hiệu đƣợc phát đƣa kết hợp tuyến tính tín hiệu nhận đƣợc Các phƣơng pháp phát tuyến tính tiêu chuẩn bao gồm kỹ thuật zero-forcing (ZF) kỹ thuật sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu (MMSE) 3.2 Kịch mô Với giả thiết kịch mô phỏng: Nt = anten phát Nr = anten thu Phân tập phát: hợp kênh không gian Phân tập thu: MRC Kênh truyền: kênh Fading (Rayleigh Rician) Điều chế là: 16-QAM Phƣơng pháp detect: MMSE Dữ liệu dạng nhị phân Số lƣợng liệu: 106 Sơ đồ tiến trình mô chƣơng trình nhìn chung tƣơng tự kênh truyền awgn, fading có ảnh hƣởng cộng nhiễu 54 BEGIN N = 106 Nr=4,Nt=4 Tạo chuỗi liệu Điều chế Kênh truyền fading đƣợc cộng nhiễu Mô BER Plot END Hình 3.2 : Flowchat giải thuật mô Bƣớc 1: Tạo chuỗi liệu phát ngẫu nhiên Bƣớc 2: Tạo hệ số kênh Fading Bƣớc 3: Xác định tý số Eb/No Bƣớc 4: Nhân kí tự với kênh truyền thêm vào ồn Gaussian trắng cộng tính (điều chế SM) Bƣớc 5: Chọn nhánh thu, cân kí tự nhận đƣợc với MRC Bƣớc 6: Tiến hành phát tín hiệu - giải mã đếm số bit lỗi - Lặp lại tiến trình với giá trị khác Eb/No dựng biểu đồ mô lý thuyết 55 3.3 Mô kênh Fading Nhìn chung, môi trƣờng truyền sóng cho kênh không dây nhà trời phải tuân theo truyền sóng đƣờng tầm nhìn thẳng (LOS: Line-of-Sight) truyền sóng đƣờng không nhìn thấy (NLOS) Nhƣ đƣợc mô tả phần trƣớc, hàm mật độ xác suất tín hiệu nhận đƣợc môi trƣờng LOS có tƣợng đa đƣờng theo phân bố Rician hay fading lọc lựa tần số, trong môi trƣờng NLOS theo phân bố Rayleigh Lƣu ý tín hiệu nhận đƣợc môi trƣờng truyền cho kênh không dây đƣợc xem nhƣ tổng tín hiệu nhận đƣợc từ số vô hạn tín hiệu phản xạ tƣợng đa đƣờng Theo lý thuyết giới hạn trung tâm, tín hiệu thu đƣợc đƣợc biểu diễn biến ngẫu nhiên Gaussian Nói cách khác, kênh không dây phụ thuộc vào môi trƣờng fading đƣợc biểu diễn biến ngẫu nhiên Gaussian, phức W1 + jW2, W1 W2 biến ngẫu nhiên độc lập phân bố đồng (iid) Gauss với giá trị trung bình zero phƣơng sai , Đặt X biên độ biến ngẫu nhiên Gauss phức W1 + jW2, cho Chú ý X biến Rayleigh ngẫu nhiên với hàm mật độ xác suất (PDF): (3.2) chi-square Hơn nữa, X2 đƣợc biết đến nhƣ biến ngẫu nhiên Để chƣơng trình mô với kênh Rayleigh phải tạo hai biến hai ngẫu nhiên phân bố đồng (i.i.d) với trung bình zero, phƣơng sai đơn vị, Z1 Z2, cách sử dụng hàm "randn" đƣợc xây dựng 56 MATLAB Lƣu ý biến ngẫu nhiên X Rayleigh với PDF phƣơng trình đƣợc biểu diễn (3.3) Với Trong môi trƣờng tầm nhìn thấy (LOS) tồn đƣờng truyền tín hiệu mạnh, không bị mát phản xạ, nhiễu xạ tán xạ, biên độ tín hiệu thu đƣợc đƣợc biểu diễn , thành phần c biểu diễn biên độ tín hiệu LOS, W1 W2 biến ngẫu nhiên Gaussian, phân bố đồng (i.d.d) với trung bình zero phƣơng sai nhƣ môi trƣờng NLOS Ngƣời ta biết X biến ngẫu nhiên Rician môi trƣờng truyền NLOS LOS với hàm mật độ xác suất (PDF): (3.4) Trong I0(.) hàm Bessel loại bậc zero đƣợc biến đổi Lƣu ý công thức đƣợc biểu diễn dƣới dạng Rician K-factor đƣợc định nghĩa (3.5) Trong trƣờng hợp K = thức thành phần LOS, Phƣơng trình trở thành phƣơng trình Rayleigh PDF nhƣ môi trƣờng LOS 57 Khi K tăng , phƣơng trình có xu hƣớng PDF Gaussian Nói chung, thực tế giả sử K> 15dB cho kênh Gaussian Chƣơng trình dƣới môi trƣờng MATLAB đƣợc sử dụng để tạo kênh Fading Rayleigh kênh Rician để giúp đánh giá ảnh hƣởng môi trƣờng kênh Fading tới hiệu truyền thông dựa hợp kênh không gian (SM) Tần suất X tƣơng ứng với kênh fading Rayleigh Rician đƣợc biểu diễn hình 3.3 dƣới đây: Hình 3.3: Histogram kênh Rayleigh Rician Chƣơng trình xác định phân bố kênh Rayleigh Rician đƣợc miêu tả đoạn chƣơng trình dƣới đây: % plot_Ray_channel.m clear, clf N=200000; level=30; K_dB = [8]; 58 gss=['k-s’', 'b-o', 'r-^']; % F_Rayleigh model Rayleigh_ch=F_Ray_model(N [temp,x]=hist(abs(Rayleigh_ch(1,:)),level); plot(x,temp,gss(1,1)); hold on % S_ Rayleigh model for i=1:length(K_dB); SRay_ch(i,:) = S_Ray_model(K_dB(i),N); [temp x] = hist(abs(S_Ray_model( (i,:)),level) plot(x,temp,gss(1,3)) end xlabel('x'), ylabel(' Tần suất ') legend('Rayleigh',' Rician, K = 8dB') -function H=S_Ray_model(K_dB,L) % S_Ray_ channel model % Input : K_dB = K factor[dB] % Output: H = Channel vector K = 10^(K_dB/10); H = sqrt(K/(K+1)) + sqrt(1/(K+1))*Ray_model(L); -function H=F_Ray_model(L) % F_Rayleigh channel model % Input : L = Number of channel realizations % Output: H = Channel vector 59 H = (randn(1,L)+j*randn(1,L))/sqrt(2); 3.4 Chƣơng trình mô phỏng: 3.4.1 Giải thuật phát (detected) dựa MMSE-VBlast Hiện có loại máy thu phổ biến, thông dụng sử dụng kĩ thuật maximum likelihood (ML), zero forcing (ZF) minimum mean square error (MMSE) để phát tín hiệu không bị mã hóa (chƣa xem xét đến việc mã tín hiệu) Cụ thể, giải thuật ML tìm kiếm tất chòm vector để tìm xác suất tín hiệu đƣợc phát xảy nhiều tín hiệu nhận đƣợc (truyền tín hiệu), giải thuật dựa ML có độ phức tạp tính toán cao Trong phƣơng pháp ZF MMSE đƣợc coi đơn giản nhƣng đòi hỏi phát lặp trình xếp lại, có khả phát tín hiệu với lỗi chấp nhận đƣợc MMSE có độ phức tạp cao không nhiều so với ZF, nhiên có hiệu suất phát cao nhiều so với ZF Gần đây, MMSE V-Blast dựa tổ hợp tỷ số tối đa (maximum Ratio Combine – MRC) đƣợc đề xuất số nghiên cứu ứng dụng cho SM Phƣơng pháp phát dựa lỗi bình phƣơng trung bình tối thiểu (MMSE) sử dụng cách tiếp cận giảm bớt vấn đề nâng cao ồn cách tính công suất ồn xây dựng ma trận lọc nhờ sử dụng tiêu chuẩn hiệu sở MMSE Các vector ƣớc tính đƣợc tạo ma trận lọc MMSE trở thành (3.6) Trong phƣơng sai ồn, r tín hiệu thu, H ma trận kênh đƣợc biết (CSI) Đại lƣợng đƣợc thêm vào (trong trƣờng hợp công suất phát đơn vị) mang lại cân nhiễu Cụ thể, SNR lớn, phát MMSE hội tụ đến phát ZF, nhƣng mức SNR thấp, tránh đƣợc giá trị 60 riêng tồi tệ bị nghịch đảo Tại SNR thấp, MMSE trở thành lọc kết hợp (Matched Filter): Tại SNR cao, MMSE trở thành ZF: (3.7) Giải thuật phát dựa MMSE đƣợc thực nhƣ sau Thủ tục 1: Khởi động: Lối vào H, r,, U 2: 3: r(1) = r Đệ quy: 4: For i = 1, … , NT 5: 6: 7: 8: Tráo đổi cột ki i U 9: 10: 11: 12: 13: Chấm dứt 61 14: Lối U 3.4.2 Kết mô Trong phần này, hiển thị kết mô liên quan đến hiệu hợp kênh không gian (SM) kênh Rayleigh Rician fading Bên cạnh SM kênh Gauss với điều chế M-QAM đƣợc xem xét đối chứng Trong mô phỏng, giả định máy thu có biết rõ trạng thái kênh (CSI) kênh fading anten phát anten thu đƣợc độc lập với Chúng ta giả định tổng công suất phát từ bốn anten cho chế SM giống nhƣ công suất phát từ anten chế truyền đơn lối vào đơn lối (SISO) Đối với máy thu phân tập dựa MRC đƣợc chuẩn hoá Hình 3.4: So sánh ảnh hƣởng kênh Rayleigh Ricean Fadinh tín hiệu 16-QAM 62 Hình 3.5: BER vs SNR kênh Gauss, 16QAM 63 * Nhận xét Với kênh truyền AWGN thông thƣờng tỷ lệ lỗi bit thấp nhất, tỷ lệ lỗi bit đạt đƣợc 10-4 SRN~14 dB Trong để đạt đƣợc tỷ lệ lỗi bit 10-4 kênh fading Rayleigh điều chế không gian cần độ lớn tín hiệu nhiễu ~19 dB, bên cạnh xét thêm ồn môi trƣờng truyền kênh Raician Fading cần tỷ lệ tín lệ tín hiệu nhiễu lên tới ~ 22 dB để đạt đƣợc tỷ lệ lỗi bit thấp 10-4 BER cho SM với điều chế 16 QAM (4 bit), mang lại hiệu suất phổ bit/s/Hz số kênh truyền khác đƣợc hiển thị hình 3.4 BER chế SM môi trƣờng kênh Gauss với điều chế QPSK,16-QAM, 64 QAM 256-QAM đƣợc sử dụng để so sánh lợi ích việc mã hóa chòm Sự đánh đổi dung lƣợng (hay SNR) BER cho phép lựa chọn, xem xét phƣơng thức điều chế tùy theo điều kiện kênh để đạt đƣợc giá trị BER chấp nhận đƣợc Ta thấy nhƣ kênh truyền AWGN, xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tỷ số tín hiệu nhiễu (theo dB ) tăng kênh truyền Rayleigh, xác suất lỗi giảm tuyến tính tỷ số tín hiệu nhiễu SNR tăng Ta thấy tín hiệu qua kênh fading có tỉ lệ lỗi bít lớn Điều tín hiệu ảnh hƣởng nhiễu Gauss chịu ảnh hƣởng multipath fading hiệu ứng Doppler BER đƣợc mô kênh truyền Fading Rayleigh có giá trị lớn so với kênh truyền AWGN nhƣng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Mở rộng ra, kênh truyền Rician k =0, ta thấy kênh truyền Rician trở thành kênh truyền Rayleigh Giá trị k lớn kênh truyền có tính chất nhƣ kênh truyền AWGN, nghĩa xác suất lỗi có xu hƣớng giảm theo hàm mũ giá trị tăng Trong trƣờng hợp kết mô kênh truyền Nakagami-m với giá trị khác m M Ta thấy m=1 , kết mô giống nhƣ trƣờng hợp kênh truyền Rayleigh nhƣ Tuy nhiên, giá trị lớn kênh truyền giảm mức độ fading 64 3.5 Kết luận chƣơng Từ kết mô rút kết luận kênh fading có ảnh hƣởng không tốt với phƣơng pháp điều chế không gian (nhƣ với điều chế không gian anten phát anten thu đƣợc sử dụng phổ biến với mạng LTE-A) Hiện tƣợng gây suy giảm biến dạng tín hiệu đầu so với chuỗi tín hiệu đầu vào Bản thân điều chế không gian phƣơng pháp đƣợc sử dụng để làm giảm tƣợng fading không mong muốn Tuy nhiên, khu vực chịu ảnh hƣởng nặng tƣợng này, cần sử dụng thêm phƣơng pháp khác nhƣ: - Phân tập theo tần số: Sử dụng kĩ thuật OFDM – SM thay cho MQAMSM nhƣ trình bày luận văn Với OFDM-SM, bên cạnh độ lợi phân tập không gian có độ lợi phân tập tần số hiệu OFDM-SM dung lƣợng, hiệu suất phổ đƣợc nâng cao nhiều Khả xử lí tín hiệu đƣợc nâng cao để giảm ảnh hƣởng kênh đến tín hiệu - Tính toán ảnh hƣởng cùa Fading thiết kế cách sử dụng mã sửa lỗi mã trƣớc (precode) 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Qua phân tích lý thuyết kết mô phỏng, khẳng định điều chế không gian kỹ thuật hiệu việc giảm ảnh hƣởng Fading lên tín hiệu, nâng cao độ lợi hệ thống, cải thiện đáng kể chất lƣợng nhƣ dung lƣợng hệ thống, cho phép khai thác hiệu thành phần không gian – không làm hao tổn tài nguyên tần số, thời gian nhƣ phƣơng pháp phân tập khác Điều chế không gian cải thiện tốt xác suất lỗi điều kiện kênh truyền có Fading Độ lợi thu đƣợc phƣơng pháp phân tập anten lên đến hàng chục dB Đây thông số thể rõ tính ƣu việt kỹ thuật điều chế không gian ứng dụng vào hệ thống truyền thông, đặc biệt hệ thống thông tin di động vốn đòi hỏi yêu cầu nâng cao dung lƣợng, chất lƣợng dịch vụ, tiết kiệm lƣợng sử dụng, thu gọn kích thƣớc thiết bị máy đầu cuối Đối với phân tập phía thu phƣơng pháp MRC cho phép cải thiện chất lƣợng tín hiệu tốt nhiều so với phƣơng pháp EGC SC, phù hợp với phân tích lý thuyết Tuy nhiên, độ phức tạp thi công phƣơng pháp MRC cao nhiều so với SC hay EGC Điều đòi hỏi phải có đánh giá chuyên sâu hiệu kinh tế lựa chọn phƣơng pháp kết hợp để triển khai thực tế Độ lợi S/N đƣợc cải thiện đáng kể tăng số lƣợng anten Tuy nhiên, với gia tăng số anten độ gia tăng độ lợi hệ thống có xu hƣớng giảm Kết phân tích cho thấy độ gia tăng độ lợi tốt tăng từ lên anten Đây ƣu điểm đáng quan tâm cho việc ứng dụng kỹ thuật phân tập anten vào thực tế, đặc biệt triển khai máy đầu cuối mạng di động Số anten không nhiều giúp tiết kiệm chi phí độ phức tạp thi công, 66 đáp ứng đƣợc yêu cầu giảm kích thƣớc máy đầu cuối mà đảm bảo ứng dụng kỹ thuật phân tập anten vào nâng cao chất lƣợng dịch vụ Ngƣợc lại với phân tập thu mà sử dụng rộng rãi hệ thống di động tế bào, phân tập phát nhận đƣợc ý việc thực phân tập anten phát khác nhiều so với phân tập anten thu việc khai thác phân tập phát có khó khăn: • Thứ nhất, tín hiệu phát từ nhiều anten đƣợc trộn với mặt không gian trƣớc tới đƣợc thu, hệ thống yêu cầu bổ sung thêm số xử lý tín hiệu phía thu phía phát để tách đƣợc tín hiệu thu lợi dụng đƣợc phân tập • Thứ hai, phía thu thƣờng ƣớc lƣợng đƣợc kênh Fading phía phát không giống nhƣ phía thu, đƣợc thông tin tức thời kênh nhƣ thông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát Tuy nhiên, phân tập phát có khả làm tăng đáng kể dung lƣợng chất lƣợng kênh Đối với phân tập phát, dễ dàng lắp đặt nhiều anten phát trạm thu phát dễ dàng sử dụng nguồn cho nhiều anten phát Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý thu kết cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp chi phí thấp Hơn nữa, phân tập phát kết hợp với phân tập thu để tăng chất lƣợng hệ thống * Hƣớng phát triển đề tài: Kỹ thuật phân tập không gian hay phân tập anten đƣợc quan tâm ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả khai thác hiệu thành phần không gian nâng cao chất lƣợng dung lƣợng hệ thống, giảm ảnh hƣởng Fading, đồng thời tránh đƣợc hao phí băng thông tần số – yếu tố đƣợc quan tâm hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày khan Đặc biệt, việc ứng dụng mô hình phân tập anten vào hệ thống nhƣ MIMO-OFDM hoàn toàn phù hợp 67 - Một hƣớng phát triển khác đề tài tập trung ứng dụng điều chế không gian việc nâng cao chất lƣợng truyền dẫn thông tin di động TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Hƣơng, Đồ án “ Mã khối không thời gian trực giao điều chế lưới” – Đại học Công Nghệ, Trƣờng Đại học Quốc Gia Hà Nội [2] Trƣơng Tấn Quang, Đồ án “ Tổng quan hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM” – Đại học Khoa học tự nhiên, Trƣờng Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Tiếng Anh [3] Y Dai, “A comparative study of QRD-M detection and sphere decoding for MIMO-OFDM systems”, in IEEE International Symposium on Personal ,Indoor and Mobile Radio Communications, 2005 [4] G J Foschini, “Layered space-time architecture for wireless communication in a fadingenvironment when using multiple antennas," Bell Labs Technical Journal, vol 1, no 2, pp 41 - 59, 1996 [5] D Gesbert, M Shafi, D Shiu, P J Smith, and A Naguib, “From theory to practice: An overview of mimo space-time coded wireless systems", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 21, pp 281 - 302, April 2003 [6] T L Marzetta and B M Hochwald, “Capacity of a mobile multiple-antenna communication link in rayleight at fading", IEEE Transactions on Information Theory, vol 45, pp 139 - 157, January 1999 [7] C E Shannon, “A mathematical theory of communication", Bell Labs Technical Journal, vol 27, pp 379 – 423 and 623 - 656, October 1948 [8] E Telatar, “Capacity of multi-antenna gaussian channels," European Transactions onTelecommunications, vol 10, pp 585 - 595, November 1999 68 ... MIMO điều chế khơng gian Chƣơng II: Các mơ hình kênh truyền vơ tuyến Chƣơng III: Mơ đánh giá ảnh hƣởng kênh fading tới điều chế khơng gian CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ ĐIỀU CHẾ KHƠNG GIAN. .. Rayleigh 43 2.3.4 Kênh fading theo phân bố khác 49 2.4 Kết luận chƣơng 52 CHƢƠNG 3: MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHƠNG GIAN 53 3.1... TRƢỜNGLỜI ĐẠICAM HỌCĐOAN CƠNG NGHỆ  Tơi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH FADING TỚI ĐIỀU CHẾ KHƠNG GIAN cơng trình nghiên cứu NGUYỄN TẠ THÁI riêng tơi đƣợc hƣớng dẫn PGS.TS