ĐỒ ÁN Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Đà Nẵng , ngày tháng năm 2011 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ngày tháng năm 2011 Giáo viên phản biện LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án chép, hay sử dụng lại đồ án, cơng trình có từ trước Đà Nẵng, ngày tháng năm 2011 Sinh viên Phạm Thành Thiện LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện tử - viễn thông Đại học Bách khoa Đà Nẵng , đặc biệt thầy hướng dẫn TS Nguyễn Văn Cường tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đồ án thời gian quy định Trong trình làm đồ án, kiến thức thân hạn chế đề tài tương đối nên có nhiều chỗ chưa mạch lạc, sai sót em kính mong thầy cô bảo thêm MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Nguyên lý OFDM 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Sự trực giao (Orthogonal) 1.3 Cấu trúc OFDM .3 1.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 1.4.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song song song – nối tiếp 1.4.2 Bộ ánh xạ giải ánh xạ .7 1.4.3 Bộ IFFT FFT 1.4.4 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM (CP) 1.4.5 Các phương pháp điều chế tín hiệu OFDM .10 1.5 Đặc tính kênh truyền kỹ thuật OFDM 15 1.5.1 Sự suy hao 15 1.5.2 Tạp âm trắng Gaussian 16 1.5.3 Fading Rayleigh 16 1.5.4 Fading lựa chọn tần số 17 1.5.5 Trải trễ .17 1.5.6 Dịch Doppler 17 1.6 Ưu điểm nhược điểm kỹ thuật OFDM 18 1.6.1 Ưu điểm 18 1.6.2 Nhược điểm 18 1.7 Kết luận chương 19 CHƯƠNG HỆ THỐNG MIMO ALAMOUTI 20 2.1 Giới thiệu chương 20 2.2 Các mơ hình hệ thống thơng tin khơng dây 20 2.2.1 Hệ thống SISO 21 2.2.2 Hệ thống SIMO 21 2.2.3 Hệ thống MISO 21 2.2.4 Hệ thống MIMO .21 2.3 Kỹ thuật phân tập 22 2.3.1 Phân tập thời gian .22 2.3.2 Phân tập tần số 23 2.3.3 Phân tập không gian (phân tập anten) .23 2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu 25 2.4.1 Kết hợp lựa chọn .25 2.4.2 Kết hợp chuyển nhánh (SC) 25 2.4.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) .26 2.4.4 Kết hợp đồng độ lợi (EGC) .27 2.5 Mơ hình hệ thống MIMO tổng quát .27 2.6 Mã hóa khơng gian-thời gian khối STBC 29 2.6.1 Sơ đồ Alamouti anten phát với anten thu 29 2.6.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát Nr anten thu 33 2.7 Phân tập thu với kết hợp thu tỉ lệ cực đại (MRRC) 37 2.8 Kết luận chương 38 CHƯƠNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM ALAMOUTI 39 3.1 Giới thiệu chương 39 3.2 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM 40 3.2.1 Kết hợp kỹ thuật OFDM MIMO Alamouti 40 3.2.2 Ảnh hưởng PAPR hệ thống MIMO-OFDM 44 3.3 Ứng dụng công nghệ MIMO-OFDM thông tin di động 45 3.3.1 Ứng dụng MIMO-OFDM mạng vô tuyến LTE 46 3.3.2 Ứng dụng MIMO-OFDM WIMAX 49 3.4 Kết luận chương 52 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 53 4.1 Giới thiệu chương 53 4.2 Mô đánh giá tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM 53 4.3 Mô đánh giá BER hệ thống Alamouti 2x1 56 4.4 Mô hệ thống Alamouti OFDM 57 4.5 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC…… 62 CÁC TỪ VIẾT TẮT OFDM AWGN BER BPSK CP DAB DFT DVB EGC FDM FFT HPA ICI LOS IFFT ISI MC MIMO ML MRC NLOS PAPR QAM SC SIMO SNR STBC STTC WIMAX Đa truy nhập phân chia theo tần số trực Orthogonal Frequency Division giao Nhiễu Gauss trắng cộng Tỷ số lỗi bit Điều chế pha nhị phân Tiền tố lặp Hệ thống phát số Biến đổi Fourier rời rạc Hệ thống phát hình số Equal Gain Combining Ghép kênh phân tần Fast Fourier Transform High Power Amplifier Nhiễu xuyên kênh Tầm nhìn thẳng Inverse Fast Fourier Trasform Inter Symbol Interference Đa sóng mang Đa anten phát - Đa anten thu Bộ kết hợp khả giống cực đại Kết hợp theo tỷ lệ lớn Khơng phải tầm nhìn thẳng Tỉ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình Quadrature Amplitude Modualtion Kết hợp lựa chọn Đơn anten phát - Đa anten thu Tỉ số tín hiệu nhiễu Mã hóa khơng gian-thời gian khối Mã khối khơng gian thời gian Khả kết nối không dây diện rộng với truy nhập viba Multiplexing Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Cyclic Prefix Digital Audio Broadcasting Discrete Fourier Transform Digital Video Broadcasting Kết hợp theo độ lợi Frequency Division Multiplexing Biến đổi Fourier nhanh Bộ khuếch đại công suất lớn Inter-channel interference Light of Sight Biến đổi Fourier ngược nhanh Nhiễu giao thoa liên kí tự Multi-carrier Multi-Input Multi-Output Maximum Likelihook Maximum Ratio Combining Non Light Of Sight Peak to Average Power Ratio Điều chế biên độ cầu phương Selection combining Single-Input Multioutput Signal to Noise Ratio Space-time Block Code Space –Time Block Code Worldwide Interoperability for Microwave Access LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ nhu cầu thơng tin vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng năm gần thúc đẩy phát triển công nghệ truyền thơng vơ tuyến Trong đó, phải kể đến công nghệ MIMO-OFDM, anten thông minh, giúp nâng cao dung lượng hệ thống Ngoài ảnh hưởng suy hao, can nhiễu, tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến di động bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,… gây tượng fading đa đường Điều dẫn đến tín hiệu nhận thu yếu nhiều so với tín hiệu phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông Các fading phổ biến thông tin vô tuyến fading Rayleigh fading Ricean Những nghiên cứu gần cho thấy, kết hợp phương pháp điều chế OFDM vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng kể ảnh hưởng fading từ môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng dung lượng truyền thơng Trên định hướng đó, đồ án chia thành bốn chương sau: Chương 1: Kĩ thuật OFDM Trong chương trình bày số vấn đề kĩ thuật OFDM tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu thành phần hệ thống OFDM ưu, nhược điểm kĩ thuật Chương 2: Hệ thống MIMO Alamouti Trong chương ưu điểm kỹ thuật MIMO, tập trung xét mơ hình Alamouti phương pháp phân tập thu kết hợp thu tỉ lệ cực đại (MRRC) Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Chương đưa thuật toán kết hợp OFDM vào hệ thống MIMOAlamouti để tối ưu chất lượng hệ thống, đồng thời, tìm hiểu ứng dụng mơ hình MIMO-OFDM LTE Wimax Chương 4: Mô Chương : Mô A Dữ liệu phát môi trường bị nhiễu Tại máy thu, liệu chuyển nối tiếp thành song song Loại bỏ CP FFT Chuyển liệu song sóng thành nối tiếp Giải mã Alamouti Giải điều chế Ghi liệu Tính tốn bit lỗi Kết thúc Kết mơ : Hình 4.5 So sánh BER hệ thống 57 Chương : Mô Nhận xét : Quan sát hình ta thấy : BER tốt dần lên theo thứ tự sơ đồ 1Tx x 1Rx, Alamouti 2Tx x 1Rx, MRRC 1Tx x 1Rx, Alamouti 2Tx x 2Rx MRRC 1Tx x Rx BER sơ đồ Alamouti tốt hẳn sơ đồ truyền thống dùng 1Tx 1Rx Khi tăng số anten thu BER sơ đồ Alamouti giảm theo Hơn nữa, công suất phát anten sơ đồ Alamouti công suất phát sơ đồ truyền thống Việc giảm công suất dẫn đến giảm giá thành khuếch đại cơng suất giúp cho phát có khả thực 4.3 Kết luận chương Qua chương trình mơ phần kiểm chứng nội dung đề cập chương trước Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng phương pháp Alamouti cho chất lượng tín hiệu cải thiện rõ rệt so với phương pháp phân tập truyền thống 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI MIMO vấn đề phức tạp không ngừng phát triển giới Việt Nam Kỹ thuật Mimo đem lại lợi ích rõ rệt so với hệ SISO truyền thống, giúp cải thiện tốc độ độ tin cậy truyền thông, mở rộng vùng hoạt động mạng khơng dây tảng cho công nghệ không dây sau Đồ án tìm hiểu khái quát phương pháp phân tập MIMO sử dụng mã khối Alamouti kết hợp kĩ thuật OFDM, phương pháp áp dụng nhiều thực tế tính chất khơng q phức tạp Nhưng để cải thiện chất lượng tín hiệu dung lượng hệ thống cần tìm hiểu thêm phương pháp phân tập khác STTC hay Blast Dựa phân tích đồ án, phát triển theo hướng :  Nghiên cứu kĩ thuật ước lượng kênh truyền hệ thống MIMOOFDM  Nghiên cứu phương pháp giảm PAPR hệ thống MIMO-OFDM  Nghiên cứu thay đổi phép biến đổi FFT điều chế FFT phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện nhạy cảm hệ thống dối với dịch tần đồng gây giảm độ dài tối thiểu chuỗi bảo vệ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] DAVID TSE, Fundamentals of Wireless Communication, University of California, Berkeley& Pramod Viswanath, University of Illinois, UrbanaChampaign, September 10, 2004 [2] Siavash M.Alamouti, A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications [3] Erik G.Larsson, Space-time Block Coding for Wireless Communications, Cambridge University, 2003 [4] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006 [5] Học viện Bưu viễn thơng, Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vô tuyến [6] Matlab Simulink [7] www.dsplog.com [8] Nguyễn Thúy Trinh-Nguyễn Thành Thảo, So sánh tỷ số cơng suất đỉnh trung bình hệ thống Fourier OFDM Wavelet OFDM, Đại học Đà Nẵng, 2008 [9] Ts Đinh Đức Anh Vũ, Biến đổi Fourier rời rạc (DFT), Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh [10] Ts Phan Hồng Phương, Ts Lâm Chi Thương, Kỹ thuật phân tập anten cải thiện dung lượng hệ thống MIMO [11] Ks Mai Hồng Anh, Phân tập phát sử dụng mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao. [12] Tran Xuan Nam, Simulation of STBC – OFDM systems under frequency selective fading channel 60 PHỤ LỤC ** ** Mô đánh giá ảnh hưởng fadinh đến chất lượng tín hiệu OFDM ***** nFFT = 64; % fft size nDSC = 52; % number of data subcarriers nBitPerSym = 52; % number of bits per OFDM symbol (same as the number of subcarriers for BPSK) nSym CP = 10^4; % number of symbols = 16; % num EbN0dB nTap EsN0dB = [0:2:30]; % bit to noise ratio = 10; = EbN0dB + 10*log10(nDSC/nFFT) + 10*log10(nFFT/(nFFT+CP)); % converting to symbol to noise ratio nErr = []; for ii = 1:length(EbN0dB) % Transmitter ipBit = rand(1,nBitPerSym*nSym) > 0.5; % random 1's and 0's ipMod = 2*ipBit-1; % BPSK modulation > -1, > +1 ipMod = reshape(ipMod,nBitPerSym,nSym).'; % grouping into multiple symbolsa % Assigning modulated symbols to subcarriers from [-26 to -1, +1 to +26] xF = [zeros(nSym,6) ipMod(:,[1:nBitPerSym/2]) zeros(nSym,1) ipMod(:, [nBitPerSym/2+1:nBitPerSym]) zeros(nSym,5)] ; % Taking FFT, the term (nFFT/sqrt(nDSC)) is for normalizing the power of transmit symbol to xt = (nFFT/sqrt(nDSC))*ifft(fftshift(xF.')).'; % Appending cylic prefix xt = [xt(:,[(nFFT-CP+1):nFFT]) xt]; % multipath channel ht = 1/sqrt(2)*1/sqrt(nTap)*(randn(nSym,nTap) + 1i*randn(nSym,nTap)); 61 Chương : Mô % computing and storing the frequency response of the channel, for use at recevier hF = fftshift(fft(ht,64,2)); % convolution of each symbol with the random channel for jj = 1:nSym xht(jj,:) = conv(ht(jj,:),xt(jj,:)); end xt = xht; % Concatenating multiple symbols to form a long vector xt = reshape(xt.',1,nSym*(nFFT+CP+nTap-1)); % Gaussian noise of unit variance, mean nt = 1/sqrt(2)*[randn(1,nSym*(nFFT+CP+nTap-1)) + 1i*randn(1,nSym*(nFFT+CP+nTap-1))]; % Adding noise, the term sqrt(80/64) is to account for the wasted energy due to cyclic prefix yt = sqrt((nFFT+CP)/nFFT)*xt + 10^(-EsN0dB(ii)/20)*nt; % Receiver yt = reshape(yt.',nFFT+CP+nTap-1,nSym).'; % formatting the received vector into symbols yt = yt(:,[(CP+1):(nFFT+CP)]); % removing cyclic prefix % converting to frequency domain yF = (sqrt(nDSC)/nFFT)*fftshift(fft(yt.')).'; % equalization by the known channel frequency response yF = yF./hF; % extracting the required data subcarriers yMod = yF(:,[6+[1:nBitPerSym/2] 7+[nBitPerSym/2+1:nBitPerSym] ]); % BPSK demodulation % +ve value > 1, -ve value > -1 ipModHat = 2*floor(real(yMod/2)) + 1; ipModHat(find(ipModHat>1)) = +1; ipModHat(find(ipModHat