Nghiên cứu hệ thống mã khối phân tập không gian thời gian trên kênh thông tin có Phading

Nghiên cứu hệ thống mã khối phân tập không gian thời gian trên kênh thông tin có Phading Nghiên cứu hệ thống mã khối phân tập không gian thời gian trên kênh thông tin có Phading Nghiên cứu hệ thống mã khối phân tập không gian thời gian trên kênh thông tin có Phading luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HOÀNG THỊ QUYÊN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MÃ KHỐI PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRÊN KÊNH THƠNG TIN CĨ PHADING Chun ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Văn Khang Hà Nội, tháng năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung luận văn trước Viện đào tạo sau đại học- Trường đại học Bách khoa Hà Nội Người cam đoan Hoàng Thị Quyên THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital AFC Auto-Correlation Function ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CSI Channel State Information D/A Digital to Analog D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform FDE Frequency Domain Equalization ICI Inter Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform I.I.D Independent and Identically Distributed ISI Inter Symbol Interference LAN Local Area Network LOS Light Of Sight MIMO Multiple Input Muliple Output MISO Multiple Input single Output MS Mobile Station NLOS Non Light Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PDF Probability Density Function QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel STBC Space-Time Block Code STTC Space Time Trellis Code STC Space Time code STE Space Time Encoder V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter TDE Time Domain Equalization DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối chức hệ thống truyền tin 12 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thông tin vô tuyến 13 Hình 1.3 Các tượng xảy q trình truyền sóng 16 Hình 1.4 Kênh truyền chọn lọc tần số kênh biến đôi theo thời gian 17 Hình 1.5 Đáp ứng tần số kênh truyền 20 Hình 1.6 Hiện tượng truyền sóng đa đường 21 Hình 1.7 Kênh truyền thay đổi theo thời gian 24 Hình 1.8 Hàm mật độ xác suất Rayleigh Ricean 26 Hình 1.9 Phân loại hệ thống thông tin không dây 28 Hình 1.10 Ví dụ san miền thời gian 32 Hình 2.1 Các phương pháp phân tập 35 Hình 2.2 Phân tập theo thời gian 36 Hình 2.3 Kỹ thuật Beamforming 38 Hình 2.4 Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền 38 Hình 2.5 Phân tập khơng gian giúp cải thiện SNR 39 Hình 2.6 Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 40 Hình 2.7 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương 42 Hình Sơ đồ hệ thống MIMO biết CSI nơi phát nơi thu 43 Hình Định lý waterfilling 43 Hình 2.10 Phân phối cơng suất SNR cao 44 Hình 2.11 Phân phối cơng suất SNR thấp 45 Hình 2.12 Sơ đồ Alamouti ăng ten phát ăng ten thu 48 Hình 2.13 Các symbol phát thu sơ đồ Alamouti 48 Hình 2.14 Sơ đồ Alamouti ăng ten phát M ăng ten thu 52 Hình 3.1 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian tần số 59 Hình Hình dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang, hiệu phổ tần OFDM so với FDM 60 Hình 3.3 Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang 60 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 63 Hình 3.5 Bộ S/P P/S 64 Hình 3.6 Bộ điều chế giải điều chế sóng mang 65 Hình 3.7 Bit Symbol 65 Hình 3.8 Giản đồ chịm - PSK 16 PSK 67 Hình3.9 Sơ đồ điều chế giải điều chế PBSK 68 Hình 3.10 Giản đồ chịm QAM 68 Hình 3.11 Bộ IFFT FFT……………………………………….…… .69 Hình 3.12 Bộ Guard Interval Insertion Guard Interval Removal…………… 70 Hình 3.13 Đáp ứng xung kênh truyền Frequency Selective fading…… …………71 Hình 3.14 Tín hiệu chèn khoảng bảo vệ………………………………………….73 Hình 3.15 Bộ A/D D/A…………………………………………………………… 75 Hình 3.16 Bộ Up- Converter Down - Converter …………………………… … 75 Hình 17 Bộ Equalizen miền tần số……………………………………….…… .77 Hình 3.18 Mơ hình hệ thống MIMO - OFDM………………………………… …… 78 Hình 3.19 Ma trận kênh truyền………………………………………………… …….79 Hình 3.20 Máy phát STBC -OFDM……………………………………………………80 LỜI NĨI ĐẦU Xã hội thơng tin ngày phát triển, đặc biệt thông tin vô tuyến đòi hỏi yêu cầu cao số lượng chất lượng dịch vụ Các hệ thống thông tin vô tuyến hệ hệ thống thông tin di động hệ thứ (3G: Third Generation), LTE (Long - Term Evolution), hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng WIMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access), hay mạng cục vô tuyến Wi - Fi (Wireless Fidelity) cho phép người dùng đạt tốc độ hàng trăm Mbps Các kỹ thuật quan trọng cho phép đạt tốc độ truy nhập cao qua kênh thông tin vô tuyến bao gồm: (i) kỹ thuật truyền dẫn phân tập nhằm đạt độ lợi phân tập, nâng cao phẩm chất lỗi hệ thống (ii) kỹ thuật truyền dẫn băng rộng cho phép truyền dẫn tốc độ cao kênh pha đinh chọn lọc theo tần số Các kỹ thuật phân tập biết đến sử dụng rộng rãi bao gồm: Phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số, phân tập theo phân cực phân tập theo không gian Trong kỹ thuật phân tập này, phân tập theo không gian bật không gây suy giảm hiệu suất truyền dẫn lãng phí phổ tần số Hơn lý thuyết phân tập không gian không hạn chế số nhánh phân tập không bị giới hạn khơng gian triển khai ăng ten Chính lý này, phân tập không gian sử dụng rộng rãi từ thập niên 70 Tuy nhiên, hệ thống phân tập không gian trước thường sử dụng phía thu hạn chế kích thước thiết bị thiết bị đầu cuối Vì vậy, hiệu phân tập không gian cho hệ thống thông tin di động chủ yếu hạn chế cho đường lên với nhiều thiết bị ăng ten sử dụng phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC: Maximun Ratio Combining) Phải năm cuối kỷ XX đề xuất phân tập phát không gian bắt đầu phát triển Điển hình hệ thống phân tập phát phải kể đến phân tập phát không gian thời gian sử dụng hai ăng ten phát Alamouti đề xuất năm 1998 Đây phương pháp phân tập không gian thời gian đặt tiền đề cho phương pháp mã hóa gọi mã khơng gian, thời gian (STC: Space Time Code) có ưu điểm đem lại bậc phân tập tỉ lệ với tích số ăng ten thu phát sử dụng hệ thống Điều mở khả sử dụng hệ thống phân tập không gian điểm gốc để đạt phân tập không gian cho đường lên nhờ sử dụng phương pháp MRC đường xuống nhờ sử dụng STC, STC Alamouti Tarokh cộng mở rộng cho trường hợp sử dụng nhiều ăng ten phát tạo thành mã khối không gian- thời gian (STBC: Space - Time - Block Code) Hoặc kết hợp với mã lưới tạo thành mã lưới không gian - thời gian (STTC: Space - Time Trellis Code) Tuy nhiên, STBC Alamouti mã sử dụng phần lớn hệ thống truyền dẫn vô tuyến Nguyên nhân chủ yếu để tạo nên tính chất phổ biến STBC Alamouti là phương pháp mã hóa cho phép thu bậc phân tập đầy đủ đạt tốc độ đầy đủ với loại tín hiệu điều chế Hơn tính chất trực giao STBC Alamouti nên việc thực giải mã máy thu yêu cầu thực thao tác kết hợp tuyến tính đơn giản Trong để đảm bảo truyền dẫn tốc độ cao kênh vô tuyến phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Othorgonal Frequency Division) xem giải pháp hữu hiệu khả loại bỏ ảnh hưởng pha đinh chọn lọc theo tần số gây nên tượng trải trễ kênh truyền Hai kỹ thuật sử dụng OFDM thực truyền dẫn song song nhờ sóng mang con, kết hợp với việc sử dụng tiếp đầu tuần hoàn cho khối liệu Để đạt đồng thời độ lợi phân tập loại bỏ ảnh hưởng trải trễ kênh truyền việc kết hợp STBC với OFDM tạo thành hệ thống STBC - OFDM coi giải pháp có nhiều triển vọng ứng dụng Trên sở đó, luận văn nghiên cứu STBC Alamouti OFDM đành giá chất lượng hệ thống STBC - OFDM Trên định hướng luận văn chia làm chương với bố cục sau: Chương 1: Tổng quan truyền dẫn thông tin vô tuyến Nội dung chương đề cập đến lý thuyết chung truyền dẫn kênh thông tin vô tuyến, ảnh hưởng kênh truyền đến q trình truyền dẫn vơ tuyến, kỹ thuật truyền dẫn OFDM để từ làm sở cho đối tượng nghiên cứu hệ thống STBC, kết hợp STBC - OFDM luận văn Chương 2: Hệ thống mã hóa khối khơng gian - thời gian: Chương trình bày kỹ thuật phân tập, mơ hình dung lượng hệ thống MIMO, lý thuyết mã STBC, tập trung vào STBC Alamouti Chương 3: Mã khối không gian thời gian hệ OFDM (STBC - OFDM): Chương trình bày nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM phương pháp mã hóa cho hệ thống kết hợp STBC - OFDM Chương 4: Mô hệ thống STBC - OFDM: Trong phần mô này, thực đánh giá chất lượng hệ thống STBC-OFDM thông qua so sánh tỉ lệ lỗi bit (BER) theo tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Ta đánh giá cách so sánh với hệ thống OFDM Do điều kiện thời gian kiến thức hiểu biết cá hân lĩnh vực hạn chế, nên luận văn giới hạn việc đánh giá chất lượng hệ thống STBC OFDM Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM hệ thống chất lượng cao; áp dụng hệ mạng di động 3G 4G Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS - TS Nguyễn Văn Khang, tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi hiệu chỉnh cho luận văn Cảm ơn thây giáo, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông bạn bè hỗ trợ tơi hồn thành luận văn MỤC LỤC Trang phụ bìa………………………………………………………………………0 Lời cam đoan……………………………………………………………………….1 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt………………………………………… Danh mục hình vẽ, đồ thị…………………………………………………… Lời nói đầu………………………………………………………………………….6 Chương Tổng quan truyền dẫn thông tin vô tuyến……………………….12 1.1 Giới thiệu chương………………………………………………………….12 1.2 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến……………………………….13 1.3 Các vấn đề kênh truyền vô tuyến 14 1.3.1 Suy hao đường truyền 14 1.3.2 Hiện tượng Multipath - Pha đinh .15 1.4 Kênh thông tin vô tuyến 17 1.4.1 Kênh tạp âm AWNG 17 1.4.2 Kênh pha đinh………………………………………………………… 18 1.4.3 Kênh truyền pha đinh chọn lọc tần số kênh truyền pha đinh phẳng 19 1.4.4 Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm………… 24 1.4.5 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean………………………….26 1.5 Các hệ thống thông tin không dây 28 1.5.1 Hệ thống SISO 29 1.5.2 Hệ thống SIMO 29 1.5.3 Hệ thống MISO……………………………………………………… 29 1.5.4 Hệ thống MIMO………………………… ……………………….… 30 1.6 Kỹ thuật truyền dẫn OFDM .30 1.7 Tóm tắt chương 33 Chương Hệ thống mã hóa khối khơng gian - thời gian 34 2.1 Kỹ thuật phân tập .34 2.1.1 Phân tập không gian…………………………………………… … 34 2.1.2 Phân tập tần số……………………………………………………… 35 Sau s1 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten phát thứ Cũng chu kỳ symbol thứ k, X2 cho qua IFFT tạo khối N symbol s2 = F-1X2 (3.21b) Sau s2 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa vào anten phát thứ hai Trong chu kỳ symbol thứ k+1, X1 cho qua đảo lấy liên hiệp phức cho qua IFFT để tạo khối N symbol s2'  F 1 X 1* (3.21c) Với ký hiệu X 1* cho liên hợp X Sau s’2 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten thứ hai Cũng chu kỳ symbol thứ k+1 , X2 cho qua đảo lấy liên hiệp phức trước cho qua IFFT để tạo khối N symol s1'   F 1 X 2* (3.21d) Sau s’1 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten thứ Quá trình phát lập lại trình trình bày chu kỳ symbol k k+1 Tại phía thu, vector thu sau loại bỏ khoảng bảo vệ có dạng sau y1  H s  H s  v1  H F 1 X  H F 1 X  v1 y1  H s1'  H s 2'  v1   H F 1 X 2*  H F 1 X 1*  v (3.22) Với H1 ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ tới anten thu H2 ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ hai tới anten thu Sau qua FFT vector thu có biểu thức sau Y1  1 X   X  V1 Y2  1 X 2*   X 1*  V2 (3.23) Với Y1 = Fy1, Y2 = Fy2 , X1 = Fx1, X2 = Fx2, FFT tương ứng y1, y2, x1, x2 , 1 ,  ma trận tính theo biểu thức sau 81 1  FH F 1 (3.24)   FH F 1 Do tính chất phép biến đổi FFT IFFT ma trận vòng H1 H2 1 ,  ma trận đường chéo   diag (1 )   diag ( ) Các giá trị 1 (k ) (3.25) k  1,2,  N N-FFT đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ tới anten thu, tương tự giá trị 2 (k ) k  1,2, N N-FFT đáp ứng kênh truyền từ anten thứ tới anten thu Sau Y1 Y2 đưa qua ước lượng 1 ,  Kênh truyền ước lượng thông qua chuỗi huấn luyện biết trước Với 1  ma trận đường chéo, có đường chéo X1 X2   diag ( X )   diag ( X ) (3.26) Vector huấn luyện quy ước trước máy thu có tính chất sau 1*  2 1 2*  1  1  2* 2    I 1*  (3.27) ,  ước lượng theo biểu thức sau ~ 1  1* 2* Y1  1* ~        1 Y2  2 2  2 1   * 2* V1         1 V2  2  2 2*   1   1   2* 2 1  V1         1* 2  V2   (3.28) Ta ước lượng 1 ,  theo biểu thức sau ~ ~   diag (1 ) ~ ~   diag ( ) (3.29) 82 Sau ước lượng 1 ,  ,các vector Y1 Y2 theo sau chuỗi vector huấn luyện đưa vào kết hợp để khôi phục lại X1 X2 ta biểu thức thu sau Y1 (1)   X (1)         Y1 N )     * Y2 (1)   X (1)         Y2 ( N )  X (1) X1(N)  X 1* ( N )  1 (1)  V1 (1)             X ( N )  1 ( N )  V1 ( N )     * X (1)   (1)  V2 (1)             X 1* ( N )   ( N ) V2 ( N )  (3.20) Sắp xếp lại thứ tự vector thu ta biểu thức  1 (1)  V1 (1)  Y1 (1)   X (1) X (1)  Y (1)   X * (1) X * (1)      (1)  V2 (1)                                Y1 ( N )   X ( N ) X ( N )  1 ( N )  V1 ( N )          X 2* ( N ) X 1* ( N )  ( N ) V2 ( N )  Y2 ( N )   (3.21) Biểu thức cho thấy kỹ thuật OFDM chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành N kênh truyền nhỏ chịu fading phẳng, tức hệ thống STBCOFDM có khả chống lại fading chọn lọc tần số đạt phân tập lớn nhờ vào sơ đồ Alamouti Tiếp theo kết hợp kết hợp symbol Y1(k) Y2(k) đưa vào giải mã ML 3.3 Kết luận Chương tác giả trình bày về: - Tính trực giao OFDM - Mơ hình truyền dẫn OFDM - Mơ hình MIMO - OFDM - Mơ hình hệ thơng STBC - OFDM 83 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG STBC-OFDM 4.1 Giới thiệu nội dung mô Trong phần mô này, thực đánh giá chất lượng hệ thống STBCOFDM thông qua so sánh tỉ lệ lỗi bit (BER) theo tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Ta đánh giá cách so sánh với hệ thống OFDM, hệ thống có chất lượng tốt hệ thống thông tin di động Để thực so sánh ta xây dựng mơ hình hệ thống STBC-OFDM hệ thống OFDM Tín hiệu truyền tạo ngẫu nhiên, đưa vào khung truyền với dung lượng lớn để đảm bảo đánh giá có độ xác cao Các bước mơ thực giống với thực tế Ở máy phát, bước mã hố, điều chế, IFFT, mã hố khơng gian-thời gian đựơc mô đầy đủ chi tiết Ở máy thu trình ngược lại giải điều chế, giải mã, ước lượng gần cực đại, thuật toán kết hợp thực cách chi tiết Kênh truyền ảnh hưởng trải trễ, fading Rayleigh, nhiễu giả ngẫu nhiên tạo để giống với thực tế Cuối kết BER theo SNR hai hệ thống vẽ giản đồ để dễ dàng so sánh thấy rõ ưu điểm hệ thống STBC-OFDM 4.2 Các thông số mô 4.2.1 Hệ thống OFDM Tần số lấy mẫu/ Băng thơng : 800000 Số sóng mang : 128 Điều chế : BPSK Chiều dài ký tự OFDM : 160 Kích thướng CP : 42 84 SNR : ; ; ; ; ; 10 ; 12 ; 14 ; 16 ; 18 ; 20 4.2.2 Hệ thống STBC-OFDM Mơ hình mơ phỏng: Space time block code OFDM; anten phát anten nhận Tần số lấy mẫu/ Băng thông : 800000 Số sóng mang : 128 Điều chế : BPSK Chiều dài ký tự OFDM : 160 Kích thướng CP : 42 SNR : ; ; ; ; ; 10 ; 12 ; 14 ; 16 ; 18 ; 20 4.2.3 Thông số kênh truyền Đáp ứng tần số kênh (hij): tạo ngẫu nhiên Nhiễu cộng ngẫu nhiên Tần số Doppler fd (Hz) : 200 thay đổi Độ trải trễ trms (us) : 0; thay đổi Multipath M : 0; ; 12 thay đổi 4.3 Lưu đồ sơ đồ thuật toán chương trình mơ 4.3.1 Truyền tín hiệu 85 Tín hiệu gốc Ghép xen Điều chế Mã hố khối khơng gian-thời gian Thực IFFT, biến đồi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian Tín hiệu điều chế truyền 4.3.2 Kênh truyền Tín hiệu từ anten phát Tạo tác động tượng Doppler trải trễ Tạo tác động nhiễu cộng ngẫu nhiên Anten nhận 86 4.3.3 Nhận tín hiệu Anten nhận Thực FFT Kết hợp tín hiệu Giải điều chế Giải ghép xen Tính BER hệ thống OFDM STBC-MIMO-OFDM Vẽ giản đồ BER theo SNR hai hệ thống So sánh đánh giá chất lượng hệ thống 87 4.3.4 Thuật tốn tính BER begin k = SNR(begin) leng=length(s);berr=0;i=0; Tín hiệu thu sau xử lí s’(i) False Tín hiệu gốc ban đầu s(i) s’(i)= =s(i) berr=berr+1; true i=i+1 k=k+step; i