DSpace at VNU: Mô hình kênh Mimo và thuật toán V-BLAST

DSpace at VNU: Mô hình kênh Mimo và thuật toán V-BLAST tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Trung Kiên MƠ HÌNH KÊNH MIMO VÀ THUẬT TỐN V-BLAST Ngành: Cơng nghệ Điện tử – Viễn thơng Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử Thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRỊNH ANH VŨ Hà nội - 2007 ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trịnh Anh Vũ - Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, người thầy tận tình hướng dẫn bảo cho tơi suốt q trình làm luận văn Tôi xin cảm ơn GS.TSKH Huỳnh Hữu Tuệ, GS.TSKH Nguyễn Đình Thơng, PGS.TS Nguyễn Viết Kính, PGS.TS Nguyễn Kim Giao, PGS.TS Nguyễn Cảnh Tuấn, TS Ngô Thái Trị, người thầy truyền đạt kiến thức q báu cho chúng tơi suốt khố học Tơi xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp K11-Đ1 giúp tơi nhiều q trình thực luận văn Cuối cùng, tự đáy lòng mình, tơi xin gửi lòng biết ơn chân thành tới gia đình tơi, người ln bên cạnh ủng hộ, khuyến khích động viên tơi suốt thời gian vừa qua Hà Nội, tháng 12 năm 2007 Vũ Trung Kiên iii MỤC LỤC Danh mục hình vẽ vi Danh mục thuật ngữ viết tắt viii MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG I: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MIMO Error! Bookmark not defined 1.1 Khái niệm hệ thống MIMO lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.2 Mơ hình hệ thống MIMO Error! Bookmark not defined 1.3 Nhiễu Error! Bookmark not defined 1.4 Fading Error! Bookmark not defined 1.5 Kênh fading Rayleigh Error! Bookmark not defined 1.6 Các ràng buộc công suất tỷ số SNR Error! Bookmark not defined 1.7 Phân loại nghiên cứu MIMO Error! Bookmark not defined 1.7.1 Mã trƣớc Error! Bookmark not defined 1.7.2 Hợp kênh không gian Error! Bookmark not defined 1.7.3 Phân tập Error! Bookmark not defined 1.8 Các kỹ thuật kết hợp phân tập Error! Bookmark not defined 1.8.1 Kết hợp chọn lọc - SC Error! Bookmark not defined 1.8.2 Kết hợp tỉ số cực đại - MRC Error! Bookmark not defined 1.8.3 Kết hợp độ lợi cân - EGC Error! Bookmark not defined 1.9 Ứng dụng MIMO Error! Bookmark not defined 1.10 Kết luận chƣơng Error! Bookmark not defined iv CHƢƠNG II: MƠ HÌNH KÊNH MIMO Error! Bookmark not defined 2.1 Mô hình kênh tốn học Error! Bookmark not defined 2.1.1 Dung biểu diễn qua giá trị riêng Error! Bookmark not defined 2.1.2 Hạng số điều kiện Error! Bookmark not defined 2.2 Mơ hình kênh vật lý Error! Bookmark not defined 2.2.1 Kênh nhìn thấy Error! Bookmark not defined 2.2.2 Kênh MIMO với đƣờng phản xạ Error! Bookmark not defined 2.3 Kết luận chƣơng Error! Bookmark not defined CHƢƠNG III: THUẬT TOÁN V-BLAST Error! Bookmark not defined 3.1 Hệ thống MIMO với cấu trúc V-BLAST Error! Bookmark not defined 3.1.1 Cấu trúc V-BLAST Error! Bookmark not defined 3.1.2 Hệ thống hợp kênh không gian Error! Bookmark not defined 3.1.3 Bộ phát Error! Bookmark not defined 3.1.4 Bộ thu V-BLAST Error! Bookmark not defined 3.1.5 Lựa chọn ăngten Error! Bookmark not defined 3.2 Thuật toán V-BLAST Error! Bookmark not defined 3.2.1 Thuật toán tách kênh V-BLAST/ZF Error! Bookmark not defined 3.2.2 Thuật toán tách kênh V-BLAST/LLSE Error! Bookmark not defined 3.3 Kết luận chƣơng Error! Bookmark not defined CHƢƠNG IV: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined v 4.1 Mơ hình kịch mô Error! Bookmark not defined 4.1.1 Mơ hình Error! Bookmark not defined 4.1.2 Kịch mô Error! Bookmark not defined 4.2 Các kết mơ Error! Bookmark not defined 4.3 Bình luận kết Error! Bookmark not defined 4.4 Kết luận chƣơng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined vi Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Các cấu hình ăngten hệ thống không gian – thời gian Error! Bookmark not defined Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO Error! Bookmark not defined Hình 1.3: Ảnh hưởng fading Rayleigh đến BER điều chế BPSK Error! Bookmark not defined Hình 1.4: Ảnh hưởng fading Rayleigh tới BER điều chế QAM Error! Bookmark not defined SC Hình 1.5: Cdf  s kết hợp chọn lọc Error! Bookmark not defined Hình 1.6: Cdf  sSC kết hợp tỉ số cực đại MRC Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Phép biến đổi SVD biến kênh MIMO thành kênh song song [5] Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Cấu trúc SVD kênh MIMO Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Phân bố cơng suất theo thuật tốn đổ nước Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Mơ hình kênh SIMO nhìn thấy Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Mơ hình kênh MISO nhìn thấy Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Mơ hình mảng ăngten nhìn thấy Error! Bookmark not defined Hình 2.7: Khối thể kênh Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Kênh MIMO mơi trường phản xạ Error! Bookmark not defined Hình 2.9: Các vật phản xạ gần ăngten thu (a) gần ăngten phát (b) Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Cấu trúc V-BLAST Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Hợp kênh khơng gian cho hệ thống MIMO 2x2 Error! Bookmark not defined vii Hình 3.3: Hệ thống MIMO khơng có hiểu biết kênh phát [1] Error! Bookmark not defined Hình 4.1: V-BLAST với (M,N) = (4;8) Error! Bookmark not defined Hình 4.2: V-BLAST với (M,N) = (8;12) Error! Bookmark not defined Hình 4.3: V-BLAST với (M,N) = (12;16) Error! Bookmark not defined Hình 4.4: So sánh SER thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE với (M,N) = (4;8) Error! Bookmark not defined Hình 4.5: So sánh SER thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE với (M,N) = (8;12) Error! Bookmark not defined Hình 4.6: So sánh SER thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ZF V-BLAST/LLSE với (M,N) = (12;16) Error! Bookmark not defined Hình 4.7: So sánh SER thu V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE ML Error! Bookmark not defined Hình 4.8: Ảnh hưởng fading Rayleigh tới SER điều chế 16-QAM Error! Bookmark not defined Hình 4.9: Phân tập ăngten hệ thống SIDO dùng điều chế 16-QAM Error! Bookmark not defined Hình 4.10: Phân tập khơng gian - SC với số ăngten khác (16-QAM) Error! Bookmark not defined Hình 4.11: Phân tập khơng gian - EGC với số ăngten khác (16-QAM) Error! Bookmark not defined viii Danh mục thuật ngữ viết tắt AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BS Base Station CDF Cumulative density function CSI Channel state information EGC Equal Gain Combining iid Independent identically distributed ISI Inter symbol interference LAN Local Area Network LLSE Linear Least Square Estimation LoS Light of Sight MIMO Multiple Input Multiple Output MIMO-MU Multiple Input Multiple Output – MultiUser MISO Multiple Input Single Output ML Maximum likelihood MRC Maximal Ratio Combining OFDM Orthogonal frequency division multiplexing PDF Probability density function rms root-mean-square SC Slective Combining SER Symbol Error Rate SVD Singular Value Decomposition SIMO Single Input Multiple Output ix SISO Single Input Single Output SNR Signal to Noise Ratio SM Spatial Mutiplexing V-BLAST Vertical Bell-Labs Layered Space-Time WLAN Wireless Local Area Network ZF Zero Forcing 10 MỞ ĐẦU Trong thập kỷ vừa qua, truyền thơng vơ tuyến đóng góp phần không nhỏ vào phát triển mạnh mẽ cơng nghệ truyền thơng với cải tiến mang tính đột phá số người có nhu cầu sử dụng dịch vụ truyền thông đại, đa phương tiện ngày tăng nhanh Tuy nhiên, tần số nguồn tài nguyên quốc gia có hạn hoạch định quản lý cách chặt chẽ Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu ngày khắt khe chất lượng dịch vụ đa dạng loại hình dịch vụ việc nghiên cứu giải pháp sử dụng hiệu suất phổ cao vô tuyến điều tất yếu Lý thuyết thông tin đạt tốc độ truyền tin độ tin cậy cao băng tần hạn chế sử dụng nhiều ăngten đầu vào đầu Hệ thống quan tâm phát triển để đáp ứng yêu cầu truyền thông vô tuyến tốc độ cao Các mạng WLAN có tốc độ nhỏ bé so với mạng LAN khác Song mạng WLAN hệ sử dụng kĩ thuật MIMO đạt tốc độ 100 – 200 Mbps Các hệ thống MIMO mở rộng hệ thống ăngten thơng minh, sử dụng nhiều ăngten nơi phát nơi thu Việc sử dụng nhiều ăngten nơi phát kết hợp với thuật tốn xử lý tín hiệu tiên tiến nơi phát thu mang lại lợi đáng kể so với hệ thống ăngten thông minh truyền thống – hai mặt dung phân tập Trong số thuật toán đưa nhằm khai thác hết dung kênh MIMO Có thuật tốn V-BLAST sử dụng cấu trúc lớp, cung cấp hiệu suất lỗi tốt nhiều so với thu tuyến tính thơng thường phức tạp Đây thuật tốn mà luận văn chọn làm chủ đề nghiên cứu sở mơ hình giải tích mơ Nội dung luận văn chia thành chương sau: 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] PGS.TS Nguyễn Viết Kính, Truyền thông số, ĐH Công nghệ - ĐH QGHN [2] Nguyễn Quốc Trung (2003), Xử lý số tín hiệu lọc số, NXB KH KT [3] TS Trịnh Anh Vũ (2005), Thông tin di động, ĐH Công nghệ - ĐH QGHN Tiếng Anh: [1] Aida Botonjic, MIMO channel models, 2004 [2] Andreas Constantinides, Assaf Shacham; MIMO Wireless Systems; May-2004 [3] Alberto, Leon-Garcia; Probability and Random Processes for Electrical Engineering; Addition-Wesley Publishing Company; 1994 [4] B.P.LATHI, Modern Digital and Analog Communication Systems [5] David Tse, University of California, Berkeley, Pramod Viswanath, University of Illinois, Urbana-Champaign; Fundamentals of Wireless Communications; 2004 [6] Fredric J Harris, Multirate Signal Processing for Communication Systems, Prentice Hall, May-2004 [7] Hiroshi Harada, Ramjee Prasad, Simulation and software radio for mobile communications, Artech House, 2002 [8] Martin S.Roden; Analog and Digiatal Communication Systems; PRENTICE HALL; 1996 [9] Nevio Benvenuto and Giovanni Cherubini, Algorithms for Communications Systems and Their Applications John Wiley & Sons, 2002 [10] Simon Haykin and Michael Moher, Modern Wriless Comminications Upper Saddle River, Prentice Hall, 2005 12 [11] William H.Tranter, K.Sam Shanmugan, Theodore S.Rappaport, Kurt L.Kosbar; Principles of Communication Systems Simulation with Wireless Applications; Prentice Hall [12] Yavuz Yapici, V-BLAST/MAP: A new symbol detection algorithm for MIMO channels, 2005  ... Bookmark not defined 3.2 Thuật toán V-BLAST Error! Bookmark not defined 3.2.1 Thuật toán tách kênh V-BLAST/ ZF Error! Bookmark not defined 3.2.2 Thuật toán tách kênh V-BLAST/ LLSE Error! Bookmark... defined Hình 4.4: So sánh SER thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ ZF V-BLAST/ LLSE với (M,N) = (4;8) Error! Bookmark not defined Hình 4.5: So sánh SER thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ ZF V-BLAST/ LLSE... theo thuật tốn đổ nước Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Mơ hình kênh SIMO nhìn thấy Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Mơ hình kênh MISO nhìn thấy Error! Bookmark not defined Hình