DSpace at VNU: Dung năng ERGODIC của kênh FADING RAYLEIGH MIMO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -  Đặng Thị Hƣơng Giang Đề tài: DUNG NĂNG ERGODIC CỦA KÊNH FADING RAYLEIGH MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -  Đặng Thị Hƣơng Giang Đề tài: DUNG NĂNG ERGODIC CỦA KÊNH FADING RAYLEIGH MIMO Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc Mã số : 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS-TS Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2007 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Viết Kính tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa, Thầy, Cô giáo khoa Điện tử-Viễn thơng phòng Đào tạo - Nghiên cứu Khoa học trường Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội, Lãnh đạo trường, khoa Điện- Điện tử ĐH Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt q trính học tập, nghiên cứu hồn chỉnh luận văn MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục thuậ t ngữ chữ viế t tắ t Danh mục bả ng Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ MIMO 1.1 Các hệ thống truyền thông không dây 1.2 Mơ hình hệ thống MIMO 1.3 Môi trƣờng truyền 1.4 Kỹ thuật phân tập kênh MIMO 15 1.4.1 Phân tập không gian 16 1.4.1.1 Phân tập ăngten 16 1.4.1.2 Phân tập phân cực 20 1.4.1.3 Phân tập theo góc 20 1.4.2 Phân tập thời gian 20 1.4.3 Phân tập tần số 21 1.5 Các toán cụ thể 21 CHƢƠNG 2: DUNG NĂNG ERGODIC CỦA KÊNH MIMO 24 2.1 Đặt vấn đề 24 2.2 Dung hệ thống MIMO 28 2.3 Dung ergodic kênh MIMO kênh biết trƣớc nơi thu 30 2.4 Dung ergodic kênh MIMO kênh biết trƣớc nơi phát 35 2.4.1 Bài toán buộc công suất tổng, dung cực đại 35 2.4.2 Bài toán biết trƣớc kênh công suất phân bố (kênh trực giao) 42 2.5 Dung ngừng hoạt động 44 Trang CHƢƠNG 3: CÁCH TÍNH GẦN ĐÚNG DUNG NĂNG ERGODIC 47 3.1 Ảnh hƣởng tƣơng quan phading lên dung kênh MIMO 47 3.2 Phƣơng pháp đại số dùng biến Grassmann phân tích theo kiểu vật lý lý thuyết 51 3.2.1 Giới thiệu biến Grassmann đại số học 51 3.2.2 Tích phân theo biến Grassmann 53 3.2.3 Áp dụng phân tích biến Grassmann cho tính giá trị dung 54 3.2.4 Dung hệ MIMO tƣơng quan thơng qua phân tích 58 3.3 Dung ergodic kênh MIMO fading Rayleigh, phƣơng pháp tính gần dựa theo phân bố ngẫu nhiên ma trận Wishart 62 3.3.1 Đặt vấn đề 62 3.3.2 Giải toán 65 3.3.3 Những cơng thức tính gần cho dung kênh fading Rayleigh MIMO 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1: Hệ thống SISO Hình 1.2: Hệ thống SIMO Hình 1.3: Hệ thống MISO Hình 1.4: Hệ thống MIMO Hình 1.5: Hệ thống MIMO-MU Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống MIMO Hình 1.7: Nhiễu xây dựng nhiễu phá hoại Hình 1.8: Phân bố biên độ Rayleigh (R/Rrms) 12 Hình 1.9: Hàm PDF kênh Rayleigh với  khác 12 Hình 1.10: Hàm CDF kênh Rayleigh với  khác 13 Hình 1.11: Tác động fading Reyleigh lên xác suất lỗi bit 16-QAM 14 Hình 1.12: Tác động fading Reyleigh lên xác suất lỗi bit 16-QAM 14 Hình 1.13: Phading theo thời gian tần số 15 Hình 1.14: Phân tập chọn lọc 16 Hình 1.15: Sơ đồ phân tập thu 17 Hình 1.16: Sơ đồ phân tập nơi phát 18 Hình 1.17: Phân tập nhờ mã không gian thời gian STBC theo sơ đồ Alamouti 19 Hình 2.1: Dung kênh MIMO theo SNR số lượng ăngten 29 Hình 2.2: Dung CSI kênh fading MIMO theo số lượng ăngten 30 Hình 2.3: Dung ergodic với số lượng ăngten khác Nt=Nr=M 35 Hình 2.4: Giải thích quy trình tối ưu hố dung phương pháp rót nước 41 Hình 2.5: Dung ergodic với kênh biết trước nơi phát; Sự sai khác chúng giảm dần SNR tăng 44 Hình 2.6: Dung outage 10% với số lượng ăngten thay đổi Nt= Nr =M 45 Hình 2.7: Dung outage 10% với M=4 trường hợp kênh biết trước trước nơi phát 46 Hình 3.1: Vấn đề tương quan 48 Hình 3.2: Dung ergodic trường hợp tương quan không tương quan 51 Trang Hình 3.3: Các kết dung với hệ ăngten Nr=Nt=4 60 Hình 3.4: Các kết dung với hệ ăngten Nr=Nt=2 60 Hình 3.5: Dung ergodic với hệ ăngten tương quan 2x2 đối lập hệ số tương quan (chỉ tương quan đầu) SNR=20dB 61 Hình 3.6: Dung ergodic với hệ ăngten tương quan 2x2 đối lập hệ số tương quan (tương quan hai đầu) SNR=20dB 61 Hình 3.7: Dung kênh chuẩn hố cho kênh MIMO, MISO SIMO n ăngten   10dB 68 Hình 3.8: Dung kênh fading Rayleigh cách tính gần cho kênh MIMO với t  r  n SNR  71 Hình 3.9: Dung kênh fading Rayleigh cách tính gần cho kênh MIMO với t  n r   SNR  71 Hình 3.10: Dung kênh fading Rayleigh cách tính gần cho kênh MIMO với t  r  n SNR  trung bình 72 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, truyền thơng khơng dây có nhiều nghiên cứu thành cơng mang tính đột phá, ngày có nhiều người có u cầu sử dụng dịch vụ truyền thơng đại, đa phương tiện Do đó, để đáp ứng nhu cầu số lượng dịch vụ, chất lượng dịch vụ, đòi hỏi tất yếu phải tăng khả truyền thông tin Tuy nhiên, tần số nguồn tài nguyên có hạn hoạch định quản lý chặt chẽ Chính u cầu tăng khả truyền dẫn tốc độ cao mà phải sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên có cách sử dụng hiệu dải tần có lợi dụng trạng thái kênh có Một kỹ thuật làm thay đổi hẳn phương thức truyền dẫn, có khả cung cấp tốc độ liệu cao cần thiết đủ đáp ứng cho nhu cầu truyền thông giới đại Kỹ thuật sử dụng nhiều ăngten nơi phát nơi thu, hệ thống sử dụng kỹ thuật gọi hệ thống không dây MIMO Các hệ thống ăngten thông minh truyền thống sử dụng nhiều ăngten nơi thu, hệ thống MIMO nói chung sử dụng nhiều ăngten nơi phát nơi thu.Thuộc tính đáng ý hệ thống MIMO khả thay đổi hướng truyền lại trở thành lợi Thực môi trường đa đường, kênh truyền fading độc lập cặp ăngten thu phát Hệ thống MIMO có khả tăng dung cách thay đổi đường truyền với số lượng ăngten cố định mà không cần phải tăng dải thông hay công suất Tuy nhiên, môi trường cụ thể dung lại có giá trị khác Qua trực giác ta thấy dung phụ thuộc vào nhiều thông số môi trường điều đáng ý dung lại phụ thuộc tham số cụ thể giới hạn phân bố giá trị riêng ma trận kênh trung bình, SNR, tải hệ thống Nguyên nhân đặc thù kênh Kênh Rayleigh áp dụng mơi trường giàu tính đa đường mà nơi phát nơi thu khơng nhìn thấy Một câu hỏi đặt dung kênh Rayleigh bao nhiêu? Từ lý thuyết cách ta áp dụng thực tế tính tốn dung cho kênh Các câu hỏi giải qua luận văn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [ ] tác giả, tên sách (báo), nhà xuất bản, năm xuất [1] Nguyễn viết Kính, Trịnh Anh Vũ – “Truyền thông số” – NXB Giáo Dục - 2007 [2] TS Hồ Văn Sung – “Xử lý số tín hiệu” – NXB Giáo dục - 2003 Tiếng Anh: [3] Simon Haykin and Michael Moher, “Modern Wriless Comminications” Upper Saddle River, Prentice Hall, 2005 [4] B.P.LATHI, “Modern Digital and Analog Communication Systems” [5] Norman S.Nise - “Control Systems Engineering”; Addition-Wesley Publishing Company; 1995 [6] Martin S.Roden; “Analog and Digiatal Communication Systems”; PRENTICE HALL; 1996 [7] David Tse, “Fundamentals of Wireless Communications”; University of California, Berkeley, Pramod Viswanath, University of Illinois, Urbana-Champaign; 2004 [8] Nevio Benvenuto and Giovanni Cherubini, “Algorithms for Communications Systems and Their Applications” John Wiley & Sons, 2002 [9] Huyndong Shin and Jae Hong Lee, “Closed-Form Formulas for Ergodic Capacity of MIMO Rayleigh Fading Channels” School of Electrical Engineering, Seoul National University, 2003 [10] E.Khan and C Heneghan, “A Closed-Form Expression for the Ergodic Capacity of MIMO Systems” Department of Electronic and Electrical Engineering, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland, 2005  ... 2: DUNG NĂNG ERGODIC CỦA KÊNH MIMO 24 2.1 Đặt vấn đề 24 2.2 Dung hệ thống MIMO 28 2.3 Dung ergodic kênh MIMO kênh biết trƣớc nơi thu 30 2.4 Dung ergodic kênh MIMO kênh. .. Dung kênh fading Rayleigh cách tính gần cho kênh MIMO với t  r  n SNR  71 Hình 3.9: Dung kênh fading Rayleigh cách tính gần cho kênh MIMO với t  n r   SNR  71 Hình 3.10: Dung kênh. .. theo sơ đồ Alamouti 19 Hình 2.1: Dung kênh MIMO theo SNR số lượng ăngten 29 Hình 2.2: Dung CSI kênh fading MIMO theo số lượng ăngten 30 Hình 2.3: Dung ergodic với số lượng ăngten khác Nt=Nr=M