Mã không gian tần số thích nghi trong hệ MIMO OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TRỌNG TẤN MÃ KHƠNG GIAN TẦN SỐ THÍCH NGHI TRONG HỆ MIMO-OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TRỌNG TẤN MÃ KHÔNG GIAN TẦN SỐ THÍCH NGHI TRONG HỆ MIMO-OFDM Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS-TS Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VẼ DANH SÁCH THUẬT NGỮ LỜI CẢM ƠN 10 LỜI CAM ĐOAN 11 GIỚI THIỆU 12 ChƣơngI 15 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 15 N g u yê n l ý O F D M [ ] 1.1.1Trựcgiao„Orthogonal‟ 15 1.1.2Cấutrúcchung 17 1.1.3Kỹthuậtđiềuchế 18 1.1.4Khoảngbảovệvàtiềntốlặp 21 1.1.5Tạocủasổ 21 1.1.6Ghép xen 21 1.1.7TácdụngcủachènCP 22 1.2Ƣuđiểmvànhƣợcđiểm[8] 24 1.2.1Ƣuđiểm .25 1.2.2Nhƣợcđiểm 25 ChƣơngII 26 TỔNG QUAN VỀ MIMO VÀ KỸ THUẬT THÍCH NGHI 26 2.1Cáckỹthuậtphântập 26 C c h ệ t h ố n g t r u yề n t h ô n g d ù n g a n t e n v d u n g n ă n g c ủ a chúng[3] 28 2.2.1HệthốngSISO 29 2.2.2HệthốngSIMO .29 2.2.3HệthốngMISO .29 2.3CácđộlợitronghệthốngMIMO 35 2.3.1Độlợitạochùm 35 2.3.2Độlợighépkênhkhônggian 36 2.3.3Độlợiphântập .36 2.4Kỹthuậtthíchnghi[1] 36 2.4.1Xửlýtínhiệuthíchnghi 36 ChƣơngIII 42 MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-TẦN SỐ SFBC(SPACE-FREQUENCY BLOCK CODE) TRONG HỆ MIMO-OFDM 42 3.1TổngquanvềmãkhốikhôngthờigianSTBC[6] .42 Kỹt h uậ t ph â n tậ pAla m o u ti [1 ] 3.1.2Mãkhốikhôngthờigianchotrƣờnghợpnhiềuantenphát, nhiềuantenthu[1] 46 3.2 Mãkhốikhônggiantầnsố (SFBC) .48 3.2.1Phíaphát 49 3.2.2Phầnthu 50 M ãk h ô n g g i an tầ n số t h ích n g h iASF B C (Ad a p tiv i ty S p aceFrequencyBlockCoding)tronghệMIMO-OFDM[1] .52 3.3.1MãSFBvàphânbốbit 52 3.3.2Mãkhônggiantầnsốvàphântậpchọnlọcphát T S D ( T r a n m i t S e l e c t i o n D i v e r s i t y) ChƣơngIV 61 MÔ PHỎNG 61 4.1Mụcđíchmơphỏng .61 4.2Sơđồmôphỏng[7] .61 4.3Thôngsốmôphỏng: 63 4.4Kếtquảmơphỏng .64 4.4.1Chịmsaotínhiệuứngvớithơngsốcủahiệuứngdoppler khácnhau .64 4.4.2ĐồthịtỷlệlỗibitvớihiệuứngDopplerkhácnhautrong trƣờnghợpsửdụngphƣơngphápƣớcđoánkênhMMSE 72 4.4.3Đồthịsosánhtỷlệlỗibitgiữahaiphƣơngphápƣớc đoánkênhLSvàMMSE 76 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình1.2:PhổcủatínhiệuOFDM 17 Hình1.3:SơđồkhốihệthốngOFDM 20 H ì n h : K ê n h t r u yề n n h i ễ u G a u s s t r ắ n g s o n g s o n g H ì n h : H ệ k ê n h t r u yề n n h i ễ u G a u s s t r ắ n g s o n g s o n g t ƣ n g đƣơng .33 Hình3.1:Sơ đồmãhóaAla mouti 2a ntenphá tmột ante nthu 44 H ìn h3 2: S ơđồAlam ou t ich ot r ƣờn gh ợp2 an te np hát n R an ten thu 45 Hình3.4:MãkhốikhơnggiantầnsốtrongbộphátOFDM .49 Hình3.5:BộgiảimãSFBC 51 Hình3.6.XácsuấtlỗikýhiệutrungbìnhtheoSNRtrungbìnhtrong tr ƣờng hợpM- QAM .54 Hình4.1.Phầnphát 62 H ì n h K ê n h T r u yề n Hình4.3.PhầnThu .63 Hình4.4:GiảnđồchịmsaoLS(khơngcódoppler) 64 Hình4.5:GiảnđồchịmsaoLS( Hình4.6:GiảnđồchịmsaoLS( Hình4.7:GiảnđồchịmsaoLS( Hình4.8:GiảnđồchịmsaoLS( Hình4.9:GiảnđồchịmsaoLS( f = d f = d f = d f = d f = d 10) 65 20) 65 30) 66 40) 66 60) 67 f = Hình4.10:GiảnđồchịmsaoLS( d 80) 68 Hình4.11:GiảnđồchịmsaoMMSE(khơngcódoppler) 68 Hình4.12:GiảnđồchịmsaoMMSE( Hình4.13:GiảnđồchịmsaoMMSE( Hình4.14:GiảnđồchịmsaoMMSE( Hình4.15:GiảnđồchịmsaoMMSE( Hình4.16:GiảnđồchịmsaoMMSE( Hình4.17:GiảnđồchịmsaoMMSE( f = d f = d f = d f = d f = d f = d 10) 69 20) 69 30) 70 40) 70 60) 71 80) 71 Hình4.18:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE(khơngcó Doppler) 72 Hình4.19:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( Hình4.20:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d f = d 10)73 20.73 Hình4.21:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( Hình4.22:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( Hình4.23:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 30)74 d 40)74 d 60)75 f = f = f = Hình4.24:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( d 80)75 Hình4.25:ĐồthịsosánhBER(khơngcódoppler) 76 Hình4.26:ĐồthịsosánhBER( Hình4.27:ĐồthịsosánhBER( Hình4.28:Đồ thịsosánhBER( Hình4.29:ĐồthịsosánhBER( Hình4.30:Đồthị sosánhBER( Hình4.31:ĐồthịsosánhBER( f = d f = d 20) 78 f = d f = d f = d f = d 10) 77 30) 78 40) 79 60) 79 80) 80 - DANH SÁCH THUẬT NGỮ G rd GenerationMobile T e l e c o m m u n i c a t i o n S ys t e m rd Hệthốngthôngtin diđộngthếhệthứ3 T e l e c o m m u n i c a t i o n S ys t e m Hệthốngthôngtin diđộngthếhệthứ4 AWGN Add i ti veWhi l eGa uss ianNoise NhiễuGausstrắ ngcộngtính BER BitErrorRate Tỷlệ BL BitLoading Phânphốibit B i n a r y P h a s e S h i f t K e yi G GenerationMobile CP n g C yc l i c P r e f i x Khóadịchphahai trạng Tiền CR S CodeRateSelection Chọnlọctỷlệmã CS I ChannelStateInformation Thôngtintrạngth áikênh DiagonalBellLaborator i e s L a ye r e d S p a c e - T i m e Khônggian-Thời gianphânlớpdọc DFT DiscreteFourierTransform BiếnđổiFourierr ờirạc DMT DicreteMulti-Tone Đatầnrờirạc EGC Equal-GainCombining Kếthợpđộlợicâ nbằng ETSI BRAN EuropeanStandards InstitudeBroadbandR adi oAc cessN etw or k s Cácmạngtruynhậ pkhôngdâybăng rộng-việntiêuch uẩnchâuâu FFT FastFourierTranform BiếnđổiFourier BPSK D -BLAST - nhanh F WA F ixWi r ele ssAccess HIPERLAN/2 HIghPERformanceLoc alAreaNet workstype2 HIPERMAN HIghPERforma nceMetropolita nAr eaN et wo rk s Truynhậpkhôngd âycốđịnh Mạngcụcbộbăn grộng2 Mạngcụcbộbăn grộng ICI Inter-CarrierInterference Nhiễugiữacácsó ngmang IDFT InverseDiscreteFou rierTranform BiếnđổiFourie rngƣợcrờirạc IEEE InstuteofElectricaland ElectronicsEngineers Việnkỹthuậtđi ệnvàđiệntử InverseFourierTransform BiếnđổiFouri erngƣợc IFFT InverseFastFour ierTransform BiếnđổiFouri ernhanhngƣợc LS LeastSquare ISM Industrial,Scientifi candMedical Bìnhphƣơngtru ngbìnhlớnnhất Tổchứcytếkhoah ọcvàcôngnghiệp IST InformationSoci etyTechnology Côngnghệxãhộ ithôngtin LDPC Low-DensityParityCheck LST L a ye r - S p a c e T i m e MAC MediumAccessControl MAE M u l t i p l eAr r a yE l e m e n t Kiểmtrachẵnlẻmậ tđộthấp Lớpkhônggian-t hờigian Đi ề u k h i ể n t r u y n h ậpmôitrƣờng Phầntửnhiềumảng MIMO Multilpe-InputMulti lpe-Output Nhiềuđầuvào-Nhi ềuđầura IFT - MISO Multilpe-InputSin gle-Output Nhiềuđầuvào-m ộtđầura ML MaximumLikelihood Tƣơngquantốiđa Mu lt i me di aMob i leAc cessCommunication Truynhậpviễnthô ngdiđộngđaphƣơ ngtiện MMSE MinimunMeanSqu areError Bìnhphƣơnglỗi trungbìnhcựctiểu MP M e d i a P l a ye r Phƣơngtiệntrì nhdiễn MMAC MPEG MovingPicturesExp ertsGroup Hộiphimảnhth ếgiới MRC MaximumRatioCombining Kếthợptỷsốcựcđại NLOS Non-LightOfSight Môitrƣờngbịc hekhuất OFDM OrthogonalFrequency DivisionMultiplexing Ghépkênhphânch iatầnsốtrựcgiao PAPR Pe a k- to -Ave r a g e Po werRatio Tỷsốcơngsuấtđỉn htrêntrungbình PHN PhaseNoise Ồn p h a PHY P h ys i c a l Vậtlý PSD PowerSpectralDensity Mậtđộphổcôngsu PSK P h a s e S h i f t K e yi n g ấtKhóadịchpha QAM Q uad r atu r eAmp li o t udeModulation Điềuchếbiênđộcầ uphƣơng QPSK QuadraturePhaseS h i f t K e yi n g Khóadịchphacầ uphƣơng - RFO ResidualFrequencyOffset Trộitầndƣ SAD S el ect i onAn t enn a Diversity Phântậpchọnlọ canten SBLA SimpleBlockwiseLoa d in gAl go r it hm Thuậttốntảikh ốiđơngiản SF S Space-Frequency Khơnggian-Tầnsố FB Space-FrequencyBlock SIMO Single-InputMulti ple-Output Mãkhốikhônggia n-Tầnsố Mộtđầuvào-nhi ềuđầura Single-InputSingle-Output Mộtđầuvào-mộtđ ầura SM SpatialMultiplexing Ghépkênhkhơ nggian SNR Signal-to-NoiseRatio SSD SwichSelectionDiversity SISO Tỷsốtínhiệutrê ntạpâm Phântậpchọnlọ c c h u yể n m c h Khônggian-Th ờigian ST Space-Time STB Space-TimeBlock STF Space-TimeFrequency SVD SingularValue Decomposition TSD TransmitSelect ionDiversity UMTS UniversalMobile Telecommunicati o n a l S ys t e m Hệthốngthơngtin diđộngtồncầu V-BLAST VerticalBellLaboratories Cácphịngth ínghiệmBell VNS VariableNumberofState Sốkhảbiếncủa Khốikhơnggian-t hờigian Khơnggian-thờig iantầnsố Phântáchgiátrịđơn Phântậpchọnlọ cphát f = Hình4.10:GiảnđồchịmsaoLS( d 80) 4.4.1.2Chịmsaotínhiệutrongtrƣờnghợpdùngph ƣơngphápƣớcđoánkênhMMSE Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh MMSE -1 -2 -3 -4 -4 Hình4.11:GiảnđồchịmsaoMMSE(khơngcódoppler) Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh MMSE -1 -2 -3 -4 -4 68 f = Hình4.12:GiảnđồchịmsaoMMSE( MMSE d 10) Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh -1 -2 -3 -4 -4 Hình4.13:GiảnđồchịmsaoMMSE( f = d Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh MMSE -1 -2 -3 -4 -4 69 20) Hình4.14:GiảnđồchịmsaoMMSE( f = d 30) Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh MMSE -1 -2 -3 -4 -5 -5 Hình4.15:GiảnđồchịmsaoMMSE( 70 f = d 40) Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh MMSE -1 -2 -3 -4 -5 -5 Hình4.16:GiảnđồchịmsaoMMSE( f = d 60) Gian chom theo phuong phap uoc doan kenh MMSE -1 -2 -3 -4 -5 -5 Hình4.17:GiảnđồchịmsaoMMSE( 71 f = d 80) Nhậnxét:ẢnhhƣởngcủahiệuứngDoppler 1.KhicóhiệntƣợngDoppler,chịmsaotínhiệucó ảnhhƣởngthểhiệnởsựquayphachịmsaotínhiệu: TầnsốDopplercànglớn,sựquayphacàngrõrệt(xemh ình4.4->4.17).Điềunàythểhiệnrõtrongcảhaiphƣơngph ápƣớcđốnkênhlàLSvàMMSE 2.SosánhgiữahaiphƣơngphápLSvàMMSE: Nhìnvàgiảnđồchịmsao,khóđánhgiáxemphƣơngphá p n o h n Đ ể t h ấ y r õ đ i ề u n y, t a x é t đ t h ị B E R t h e o S N R 4.4.2ĐồthịtỷlệlỗibitvớihiệuứngDopplerkhácnhautr ongtrƣờnghợpsửdụngphƣơngphápƣớcđoánkênhMMSE Do thi BER theo SNR 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 BER 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Hình4.18:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE(khơngcó 72 Do thi BER theo SNR 0.09 0.08 0.0 0.0 BER 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Hình4.19:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 10) Do thi BER theo SNR 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 BER 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Hình4.20:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 20) Do thi BER theo SNR 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 BER 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Hình4.21:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 30) Do thi BER theo SNR 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 BER 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Hình4.22:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 40) Do thi BER theo SNR 0.1 0.09 0.08 0.07 BER 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Hình4.23:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 60) Do thi BER theo SNR 0.11 0.1 0.09 0.08 BER 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 Hình4.24:ĐồthịtỷlệlỗibitdùngphƣơngphápMMSE( f = d 80) Nhậnxét: 1.KhiSNRtăng,BERgiảm(điềunàylàrõràng),tuynhiê nkhiđộdịchtầndopplercao,thìBERlớnhơn(thídụkhiSNR= 15dBthìkhiDopplerthấpBERrấtnhỏgầnbằngkhơng,cịnkh iDopplercaothìvẫncịngiátrịđángkểnàođó,giátrịđócàngl ớnkhidopplertăng)(xemhình4.18->4.24) 2.KhiSNRtănglêntớimộtlúcnàođógầnnhƣhiệntƣợng DopplerkhơngảnhhƣởnglớnđếnBER 4.4.3Đồthịsosánhtỷlệlỗibitgiữahaiphƣơngphápƣớc đoánkênhLSvàM MSE 10 -1 10 -2 BER 10 -3 10 10-4 -5 10 Hình4.25:ĐồthịsosánhBER(khơngcódoppler) 76 10 -1 10 -2 BER 10 10-3 10 -4 10 -5 Hình4 BER 10 10 -1 10 -2 10 -3 10-4 10 -5 10 -6 Hình4 10 10 -1 BER 10-2 10 -3 10 -4 10-5 10 -6 Hình4 78 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 BER 10 Hình4 10 -1 10 -2 BER 10 10-3 Hình4 10 -1 10 -2 10 -3 BER 10 Hình4 Nhậnxét: 1.KhiDopplerthấp(nhỏhơn30)phƣơngphápMMSEl ntốthơnLS(cùngmộtBERthìSNRhơnnhautừ2đến4dB) 2.KhiDopplercao: - Nếu SNR thấp phƣơng pháp MMSE tốt phƣơng pháp LS -NếuSNRcaothìphƣơngphápLStốthơnphƣơngpháp MMSE -NhìnchungkhiDopplercaothì BERlớn 80 KẾT LUẬN Cáckếtquảcủaluậnvăncóthểtómtắtnhƣsau ChƣơngI,Đãđƣarathựctạivàxuhƣớngpháttriểncủacá c h ệ t h ố n g v i ễ n t h ô n g v ô t u yế n , v m ụ c đ í c h v ề h ƣ n g n g h i ê n c ứucủaluậnvăn ChƣơngII,Tìmhiểuhệthốngghépkênhphânchiatheotầ nsốtrựcgiaoOFDM,cácđặctínhcủahệvàcácƣuđiểmvànhƣ ợcđiểm ChƣơngIII,Tìmhiểucáckỹthuậtphântập,dungnăngcủ a k ê n h t r u yề n t r o n g c c h ệ t h ô n g S I S O , M I S O , S I M O v t r o n g c áctrƣờnghợpcủahệMIMO.Chƣơngnàycũnggiớithiệucáck ỹ t h u ậ t t h í c h n g h i p d ụ n g c h o c c h ệ t h ố n g t r u yề n t h ô n g ChƣơngIV,Tìmhiểucácsơđồvàkỹthuậtmãhóakhốikhơ ngthờigianSTBC,mãkhốikhơngtầnsốSFBC.Cáckỹthuậtth íchnghiphânbốbitvàkỹthuậtphântậpchọnlọcphátđƣợcđƣ avàokếthợpvớimãkhơnggiantầnsố ChƣơngV,MơphỏnghệthơngMIMO-OFDMsửdụngmãk h ố i k h ô n g g i a n t ầ n s ố k ê n h t r u yề n c ó h i ệ u ứ n g D o p p l e r , R e yl e i ghđađƣờngvànhiễuGauss.CáckỹthuậtƣớcđốnkênhLSvà MMSE.Đánhgiákếtquảthuđƣợcdựatrêngiảnđồchịmsaovà đồthịBERtrongcáctrƣờnghợpthayđổihiệuứngDoppler Cáchƣớngnghiêncứusaunàycủaluậnvăn: X é t ả n h h ƣ n g c ủ a k ê n h t r u yề n , v đ ặ c b i ệ t , m ô p h ỏ n g c c phƣơngphápthíchnghi(điềumàluậnvănnàychƣalàmđƣợc) 2.Tínhtốnxửlýtínhiệuthíchnghiápdụngchocácmãkh ơngthờigiandựavàcácmãtƣơngtácbitnhƣmãkhơngthờigi anturbo(STT),mãkiểmtrachănlẻmậtđộthấp(LDPC) 3.Tốiƣuhóakýthuậtthichnghichomãxoắnkhơnggiant ầnsố.Đặcbiệtlàdùngkỹthuậtphânbốbiếtđểcảithiệnkhoản gcáchvàthuậttốntrongmãnày 4.Thayđổikỹthuậtthíchnghitheohƣớngkhảokênhởph íacácantenthu 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Ant on i osD V,"Ad a pt i ve M I M O - O F D M s ys t e m s , 0 Trịnh Anh Vũ,”Thông tin di động họcquốcgiaHàNội2006 Ngơ Quốc Chính, Bùi Văn Chí,”C dung lƣợng hệ thống th dùng kỹ thuật MIMO-OFDM”, l 2008 Stefan Kaiser,”Space Frequenc Code Division Multiplexing in German Communications and Navigatio Germany Cristina Ciochina(1)(2), Damien C Mottier(1) and Hikmet Sari(2).”Si Frequency Block Coding”, (1) M ITE-TCL, 1, allée de Beaulieu Rennes France, (2)Supélec Pla RueJoliotCurie.91192GifsurY Vahid Tarokh, "Space-Time B Wireless Results",IEEE joural on selected Vol.17,No.3,March 1999 http://www.matworks.com P h a n D u y T h c h , N g u yễ n Đ o lƣợng cân thích nghi ch hệthốngOFDM”,luậnvăntốtn Hồ Văn Sung,”Thực hành xử l Matlab”,NXBkhoahọcvàkỹth ... niêmcầnthiếtchosựpháttriểncủaluậnvăn,giảithíchchitiế tqtrìnhxửlýtínhiệuthíchnghi.Giảithíchcácđặctínhcủa kênh,cácthơngsốchínhcủahệthốngvàđƣaramộtsốnhƣợcđi ểm.ChƣơngIIIgiớithiệuvềmãkhốikhơnggianthờigian,kh ơnggiantầnsốvàmộtsốkỹthuậtthíchnghikhácdựavàocácm... 36 2.4.1Xửlýtínhiệuthíchnghi 36 ChƣơngIII 42 MÃ KHỐI KHÔNG GIAN- TẦN SỐ SFBC(SPACE-FREQUENCY BLOCK CODE) TRONG HỆ MIMO- OFDM 42 3.1TổngquanvềmãkhốikhôngthờigianSTBC[6] .42 Kỹt... NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TRỌNG TẤN MÃ KHƠNG GIAN TẦN SỐ THÍCH NGHI TRONG HỆ MIMO- OFDM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC