Nghiên cứu kỹ thuật Mimo OFDM

Nghiên cứu kỹ thuật Mimo OFDM Nghiên cứu kỹ thuật Mimo OFDM Nghiên cứu kỹ thuật Mimo OFDM 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu kỹ thuật Mimo-OFDM NGUYỄN THỊ KIỀU OANH Ngành Điện tử viễn thông Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Quang Hiếu Viện: Điện tử viễn thông HÀ NỘI, 2020 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: OFDM 11 1.1 Giới thiệu 11 1.2 Cơ sở lý thuyết OFDM 11 1.2.1 Sóng mang trực giao 11 1.2.2 Cấu trúc tín hiệu OFDM 17 1.3 Thu phát tín hiệu OFDM 18 1.4 Các thông số đặc trưng hệ thống truyền dẫn OFDM 19 1.4.1 Các thông số miền thời gian 19 1.4.2 Các thông số miền tần số 20 1.4.3 Thông lượng kênh 20 1.5 Ưu nhược điểm OFDM 22 1.6 Kết Luận 23 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO 24 2.1 Giới thiệu 24 2.1.1 Khái niệm 24 2.1.2 Mơ hình hệ thống MIMO 25 2.2 Phân tập không gian 27 2.2.1 Tăng ích phân tập 27 Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh 2.2.2 Phân tập anten thu 28 2.2.3 Phân tập anten phát 29 2.2.3.1 Xét hệ MIMO, trường hợp đầu phát kênh truyền 29 2.2.3.2 Xét hệ MIMO, trường hợp đầu phát biết đầy đủ thông tin kênh truyền 31 2.3 Độ lợi hệ thống MIMO 32 2.4 Mã hóa khơng gian thời gian hệ thống nhiều tầng 33 2.4.1 Mã hóa khơng gian thời gian STC 33 2.4.2 Hệ thống nhiều tầng 34 2.5 Ưu nhược điểm hệ thống MIMO 35 2.6 Kết Luận 36 CHƯƠNG III: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Sơ đồ khối thu phát MIMO-OFDM 37 3.3 Mơ hình tín hiệu MIMO đa sóng mang 39 3.4 Ước lượng kênh truyền 47 3.5 Dung lượng 49 3.6 Một số mơ hình hệ thống MIMO OFDM 49 3.6.1 Mơ hình hệ thống Alamouti 49 3.6.2 Mơ hình hệ thống MIMO OFDM V-BLAST 54 CHƯƠNG IV: GHÉP KÊNH KHÔNG GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 59 4.1 Ghép kênh không gian SDM (Space Division Multiplexing) 59 4.1.1 Giới thiệu 59 4.1.2 SDM Turbo 62 Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh 4.1.2.1 Bộ giải ánh xạ SDM MAP 65 4.1.2.2 Các đặc tính EXIT giải ánh xạ SDM 68 4.2 Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM theo khơng gian mã hóa 73 4.2.1 Mã hóa theo kết nối 74 4.2.2 Mã hóa theo anten 75 4.3 Sự tách sóng đa luồng cho hệ thống SDM-OFDM 78 4.3.1 Các phương pháp tách sóng truyến tính 78 4.3.1.1 Phương pháp tách sóng MMSE 80 4.3.2 Các phương pháp tách sóng phi tuyến 83 4.3.2.1 Phương pháp tách sóng ML 83 4.3.2.2 Phương pháp tách sóng SIC 86 4.5 Kết luận 90 KẾT LUẬN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tích phân hai sóng hình sin 13 Hình 1.2: Tích phân hai sóng hình sin khác tần số 13 Hình 1.3: Tích phân hai sóng hình sin tần số 14 Hình 1.4: Minh họa tín hiệu OFDM miền thời gian miền tần số 15 Hình 1.5: Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang so với phổ tín hiệu FDM 16 Hình 1.6: Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM với sóng mang 16 Hình 1.7:Cấu trúc tín hiệu OFDM 17 Hình 1.8: Sơ đồ khối thu phát OFDM 18 Hình 1.9: Độ rộng băng tần hệ thống độ rộng băng sóng mang 20 Hình 2.1: Hình trực quan hệ thống MIMO 24 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống MIMO 26 Hình 2.3: Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn 32 Hình 2.4: Phân tập không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống 33 Hình 2.5: Bố cục mã hóa từ phía phát 35 Hình 3.1: Sơ đồ khối máy phát MIMO OFDM 38 Hình 3.2: Sơ đồ khối thu MIMO OFDM 39 Hình 3.3: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti 50 Hình 3.4: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti 50 Hình 3.5: Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 55 Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh Hình 3.6: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 57 Hình 3.7: ZF/MMSE Decoder 58 Hình 4.1: Cấu hình hệ thống SDM Turbo 63 Hình 4.2: Sơ đồ khối ánh xạ giải ánh xạ SDM 64 Hình 4.3: Các đặc tính giải ánh xạ SDM QPSK hoạt động điều kiện AWGN với ánh xạ khác nhau, SRN anten thu, cấu hình anten (NtxNr) 71 Hình 4.4: Các đặc tính giải ánh xạ SDM QPSK hoạt động điều kiện fading phẳng Rayleigh với thể khác vecto MIMO, cho ánh xạ khác nhau, SRN anten thu, cấu hình anten (NtxNr) 72 Hình 4.5: Sơ đồ khối máy phát SDM OFDM mã hóa theo kết nối JC 74 Hình 4.6: Sơ đồ khối máy thu cho kiến trúc JC phát 75 Hình 4.7: Sơ đồ khối máy phát SDM OFDM sử dụng phương pháp mã hóa PAC 75 Hình 4.8: Sơ đồ khối máy thu SDM OFDM cho kiến trúc máy thu PAC 76 Hình 4.9: Máy thu nhiều anten với SIC PAC OFDM 76 Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter Biến đổi tương tự - số AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng sinh BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit DAC Digital Analog Converter Biến đổi số - tương tự DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh HPA High-Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất lớn ICI InterChannel Interference Nhiễu liên kênh ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự IFFT Inverse Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh JC Joint-Coding Mã hóa theo kết nối MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ML Maximum Likelihood Khả xảy tối đa MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng với khả xảy tối đa MMSE Minimum Mean Squared Error Tối thiểu hóa lỗi trung bình bình phương MSE Mean Square Error Lỗi trung bình bình phương MV Minimum Variance Phương pháp phương sai tối thiểu LLR Log-Likelihood Ratio Phương pháp tính tốn tỷ lệ Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh khả xảy LS Least Squares Phương pháp bình phương tối thiểu OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia Division Multiplexing theo tần số trực giao Peak- to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh cơng suất PAPR trung bình PAC Per Antenna Coding Mã hóa theo ăngten PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ Modulation cầu phương QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số sóng vơ tuyến SDM Space Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không gian SIC Successive Interference Cancellation Loại bỏ nhiễu liên tục SIR Signal-to-Interference Ratio Tỷ số tín hiệu – nhiễu SISO Single Input Single Output Một đầu vào – Một đầu SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian – thời gian STC Space Time Codes Mã không gian thời gian Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian ZF Zero-Forcing Cân không Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại nay, mà giới bước vào kỷ nguyên hội tụ thông tin di động Internet, dung lượng yêu cầu ngày lớn, tốc độ liệu ngày cao, băng thơng lại có giới hạn u cầu khiến cho hệ thống đa đầu vào đa đầu MIMO nghiên cứu đem lại nhiều thành công đáng kể Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu phổ mà tăng công suất phát hay băng thông Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit BER, ảnh hưởng fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI… Nhưng nhu cầu chất lượng dịch vụ khơng mà giảm Để giải vấn đề này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Nguyên lý OFDM chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ thấp phát sóng mang trực giao Nhờ vậy, OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng băng hẹp triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ Chính khả cung cấp dịch vụ hệ thống MIMO OFDM đem lại tiềm to lớn cho hệ thống thông tin nay, nên việc kết hợp chúng thành hệ thống MIMO – OFDM giải pháp vô quan trọng cho phát triển 4G Và lý em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM” Luận văn gồm chương: Chương 1: Tìm hiểu lý thuyết tổng quan hệ thống OFDM thông số đặc trưng hệ thống OFDM Chương 2: Nghiên cứu vệ hệ thống MIMO, nguyên lý phân tập không gian, độ lợi, mã hóa khơng gian – thời gian cho hệ thống MIMO Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh Một nhược điểm khác thứ tự tối ưu hóa, chuỗi thực biến đổi SIC (ví dụ, tốt để thực việc dị tìm thứ tự cường độ tín hiệu) áp dụng luồng tín hiệu mà khơng thể áp dụng sóng mang con, kiến trúc giải mã vốn có Do đó, thứ tự luồng tín hiệu khơng sử dụng để giải thích cho chọn lọc tần số khác luồng tín hiệu khác 4.3 Sự tách sóng đa luồng cho hệ thống SDM-OFDM 4.3.1 Các phương pháp tách sóng truyến tính Triết lý đơn giản tách sóng SDM tuyến tính để phục hồi vector tín hiệu x[n,k] ∈ Cmt truyền từ thành phần mt chuỗi ăngten truyền thời điểm n sóng mang OFDM k từ vector tín hiệu tương ứng y[n,k] ∈ Cnr, mơ tả vector tín hiệu nhận thành phần nr chuỗi ăngten thu tai thời điểm n Một cách rõ ràng hơn, có xˆ n, k  = W H n, k  y n, k  Trong W  n, k   C nr mt (4.20) ma trận trọng số tách sóng SDM tuyến tính tương ứng, thiết kế để mang lại ước lượng tuyến tính tối ưu cho vector tín hiệu truyền x[n,k] Mặt khác, ta có: y n, k  = H n, k  x n, k  + w n, k  (4.21) Trong đó, H[n,k] ma trận hệ số CTF (Channel Transfer Function), w[n,k] nhiễu Gaussian Thay biểu thức (4.20) vào biểu thức (4.21) ta có: Page 78 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh xˆi = w iH y = w iH ( Hx + v) = w ( H )i xi + w H i H i mt  j =1; j i ( H ) j x j + w iH v (4.22) Trong đó, (H)i cột thứ i ma trận kênh H, wi cột thứ i ma trận H trọng số W Chúng ta định nghĩa thành phần bổ sung xˆi;S = wi ( H )i xi , xˆi;I = w iH mt  j =1; j i ( H ) j x j , xˆi;N = wiH v tín hiệu ước tính xˆi Trong đó, S, I, N tương ứng tín hiệu (Signal), nhiễu (Interference), tín hiệu nhiễu có liên quan AWGN (AWGN-related Noise signal) Hơn nữa, định nghĩa hệ số kênh có hiệu lực Hii;eff thành phần nhiễu cộng tiếng ồn có hiệu lực vi;eff Hii;eff = wiH (H )i ; vi;eff = xˆi;I + xˆi;N (4.23) Phương trình (4.22) trở thành xˆi = Hii;eff xi + vi;eff (4.24) Sự lựa chọn ma trận trọng số W tách sóng SDM tuyến tính riêng biệt phụ thuộc vào tiêu chí tối ưu hóa sử dụng Một số ví dụ tiêu chí tối ưu hóa có liên quan, bao gồm tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SIR - Signal-to-Interference) phương pháp bình phương tối thiểu (LS - Least Squares), tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu nhiễu cộng tiếng ồn (SINR - Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) kỹ thuật sai số bình phương trung bình tối thiểu(MMSE), tối đa hóa SIR, đó, đảm bảo loại bỏ phần AWGN phương pháp phương sai tối thiểu (MV – Minimum Variance) Trong đó, tối đa hóa SINR thể phương pháp MMSE kết hợp, tạo thành cách tiếp cận tuyến tính tối ưu cho Page 79 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh vấn đề tách sóng SDM Vì vậy, giới hạn thảo luận phương pháp tách sóng SDM tuyến tính để nhiên cứu đặc tính tách sóng SDM MMSE  i2;S SINRi =  i;I +  i2;N (4.25) 4.3.1.1 Phương pháp tách sóng MMSE Vấn đề tối đa hóa giá trị SINR phương trình (4.25) tương đương với việc tối thiểu hóa lỗi trung bình bình phương (MSE) đầu tách sóng SDM tuyến tính phương trình (4.20) MSE tách sóng SDM tuyến tính phương trình (4.20) biểu diễn sau: MSE = E x H x  = E ( x − WH y ) H  ( x − WH y ) (4.26) Sự khác biệt giá trị MSE phương trình (4.26) với yếu tố trường ma trận trọng số W tách sóng SDM truyến tính là: MSE  = xi*xi  W W i      = E   xi*xi + xi* xi  W   i  W  = −2E y ( x − W H y ) = −2E  yx H  = H  Page 80 (4.27) Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh MSE = −2E yx H − yyH W W = −2( Ryx − Ry W) =  (4.28) n m Trong đó,  C r t ma trận không, ma trận tương quan chéo Ryx ma trận tự tương quan Ry tín hiệu truyền nhận xác định sau: Ryx = E ( Hx + v ) x H  = HE xx H  = HRx (4.29) Và  Ry = E ( Hx + v )( Hx + v ) H = HE xx H  H H + E vv H   (4.30) = HRx H + Rv H = HRx H H +  v2 I Ta thấy phương trình (4.27) đại diện cho gọi nguyên tắc trực giao Cụ thể hơn, cực trị hàm chi phí xác định MSE phương trình (4.26) xảy tín hiệu lỗi dự tốn Δx trực giao với tín hiệu thu y Từ phương trình (4.28), suy rằng: WMMSE = ( Ry )−1 Ryx (4.31) Ngoài ra, thay phương trình (4.29) (4.30) vào phương trình (4.31) ta được: Page 81 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh WMMSE = (HRx H H +  v2 I )−1 HRx (4.32) Phương trình (4.32) mở rộng thành: ( W = Rx−1H −1 ( HRx H H +  v2 I ) ) −1    =   H H H Rx + I   v2 Rx−1H −1  v      = HRx  H H H Rx + I  v v   −1 (4.33) −1 Cuối cùng, thay chuyển vị Hermitian ma trận trọng số W phương trình (4.33) vào phương trình (4.21), lượng tách sóng SDM MMSE xác định sau: xˆ = (RxH;SNR H H H + I )−1 RxH;SNR H H y (4.34) Trong đó, định nghĩa ma trận tự tương quan phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu – nhiễu SNR vector tín hiệu phân chia thoe không gian truyền x Rx;SNR = (1/  v2 ) Rx Trong trường hợp đặc biệt, luồng tín hiệu truyền 2 độc lập với nhau, Rx;SNR xác định Rx;SNR = diag ( i /  v ) ,  i2 cơng suất truyền tương ứng ăng ten truyền thứ i Ngoài ra, tất thành phần ăng ten truyền có công suất truyền Rx;SNR i2 =  x2 / mt , i = 1, , mt có:  x2  = I = I mt v2 mt Page 82 (4.35) Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh Trong đó, γ giá trị SNR trung bình ghi lại thành phần ăng ten thu Do đó, phương trình (4.34) đơn giản hóa cách thay phương trình (4.35) vào phương trình (4.34) xˆ = (  mt H H H + I )−1  mt HH y (4.36) 4.3.2 Các phương pháp tách sóng phi tuyến Trong phần 4.3.1, thảo luận cách tiếp cận tuyền tính cho vấn đề dị sóng SDM Ưu điểm phương pháp tách sóng tuyến tính đơn giản mặt lý thuyết tương ứng với tính phức tạp thấp mặt tính tốn Tuy nhiên, thật khơng may mắn, đầu tách sóng SDM tuyến tính có chứa số lượng đáng kể nhiễu giao thoa Trong phần này, tìm hiểu phương pháp tách sóng SDM phi tuyến Chúng ta bắt đầu với nguồn gốc phương pháp tách sóng SDM với khả xảy tối đa (ML - Maximum Likelihood), tạo thành giải pháp tối ưu cho vấn đề tách sóng SDM từ quan điểm tách sóng nối tiếp ML Thật khơng may, phương pháp tách sóng ML không cung cấp giải pháp khả thi cho vấn đề tách sóng SDM nói chung kết việc tính tốn phức tạp q mức Tuy nhiên, cung cấp tiêu chuẩn quan trọng cho hiệu suất đạt tổng thể tách sóng SDM nói chung 4.3.2.1 Phương pháp tách sóng ML Phương pháp ML phương pháp tách sóng SDM tối ưu bối cảnh xác suất hậu nghiệm Triết lý đơn giản tách sóng ML dựa kỹ thuật tìm kiếm hết khía cạnh thơng qua giá trị có vector tín hiệu truyền x với mục đích xác định giá trị giống với giá trị truyền Một cách rõ ràng, nhược điểm phương pháp tính tốn q phức tạp Đặc biệt, số lượng Page 83 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh giá trị ứng cử viên tiềm vector tín hiệu x[n,k] mt ăng ten truyền kết hợp với sóng mang OFDM thứ k ký hiệu OFDM thứ n xác định M mt = 2rmt , đó, M số điểm chòm phaso bao gồm chòm MQAM/M-PSK, r tương ứng với số bit ký hiệu điều chế MQAM/M-PSK Một cách rõ ràng hơn, quan hệ gợi ý số lượng ứng cử viên vector tín hiệu tiềm phân tích tách sóng ML tăng theo cấp số nhân với số lượng ăng-ten phát, với số lượng bit ký hiệu điều chế Các kết tính tốn phức tạp trở thành nhiều cho hệ thống sử dụng số lượng lớn ăng-ten truyền / chế điều chế cao cấp, điều làm cho khơng phù hợp cho ứng dụng thực tế Tuy nhiên, nói trên, hiệu suất tách sóng SDM ML tạo thành chuẩn mực quan trọng để đánh giá hiệu suất tách sóng khác Chúng ta xem xét lại mơ hình kênh mơ tả phương trình sau: y = Hx + w (4.37) Trong đó, bỏ qua sóng mang OFDM ký tự có số k n tương ứng Đầu tách sóng SDM ML bao gồm ứng cử viên vector tín hiệu xˆ , tối đa hóa hàm xác suất hậu nghiệm xˆ = arg max Px | y, H xM mt Trong đó, M mt (4.38) tập tất giá trị ký hiệu ứng cử viên có vector tín hiệu truyền x: M mt = x = ( x1 , , xm )T ; xi  M  Page 84 (4.39) Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh Và, M toàn tập điểm chòm phức kết hợp với chế điều chế MQAM/M-PSK riêng biệt Từ định lý Baye, xác suất có điều kiện phương trình (4.38) xác định: P  x | y, H  = P  y | x , H  P  x P  y (4.40) Trong đó, tất giá trị vector tín hiệu truyền x giả sử có xác suất xuất Vì vậy, ta có P{x} = 1/ M P  y = mt = const Ngoài ra, có:  P y | x, H P x = const xM mt (4.41) theo sau thuộc tính tiêu chuẩn hóa hàm xác suất  P  x | y, H   (4.42) xˆ = arg max Px | y, H  xˆ = arg max P  y | x, H (4.43) xM mt Suy xM mt xM mt Vector tín hiệu y ghi lại thành phần ăng ten thu nr biểu diễn mẫu biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss phức đa biến với Hx trung bình ma trận hiệp phương sai xác định phương trình (4.30), tổng quát hóa y ~ CN ( Hx, Ry ) , đó, phân phối chuẩn có giá trị phức có trung bình xác định vector µ ma trận hiệp phương sai C CN(µ,C) Hàm mật độ xác suất xác định sau: Page 85 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh P  y | x, H  = ( ) nr w  2 exp  − y − Hx   w  (4.44) − J Hàm mật độ xác suất phương trình (4.44) có dạng P J  =  e , đó, α β số, J ( x ) = y − Hx Một cách rõ ràng, P{J} hàm giảm đơn điệu đối số J Do đó, giá trị cực đại hàm xác suất hậu nghiệm phương trình (4.38) thay giá trị cực tiểu đối số tương ứng J ( x ) sau: xˆ = arg minJ( x) (4.45) xM mt Trong đó, J ( x ) định nghĩa hàm chi phí dựa khoảng cách Euclid: mt nr J( x ) = y − Hx =  yi −  Hij x j i =1 (4.46) j =1 4.3.2.2 Phương pháp tách sóng SIC Trước bắt đầu thảo luận phương pháp tách sóng với trợ giúp kỹ thuật loại bỏ nhiễu liên tục SIC, nhớ lại lý thuyết tách sóng SDM tuyến tính thảo luận mục 4.3.1, đó, việc tách vector tín hiệu truyền x[n,k] thực cách sử dụng biến đổi tuyến tính mơ tả phương trình (4.20), tức là: xˆ n, k  = W H n, k  y n, k  Page 86 (4.47) Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh   Trong đó, W n, k  C nr mt ma trận trọng số tách sóng SDM tuyến tính tương ứng Như biết phần 4.3.1, SINR tương ứng đầu tách sóng SDM tuyến tính thay đổi đáng kể qua thành phần khác vector tín hiệu truyền x[n,k] Ngoài ra, MSE tổng thể đầu tách sóng SDM tuyến tính sử dụng chịu chi phối SINR kết hợp với thành phần tín hiệu truyền có cơng suất tín hiệu nhỏ xác định H ij Điều gợi ý j phương pháp SIC cho hiệu suất cao cách đáng kể Với mơ hình SIC, tách sóng vector tín hiệu truyền x[n,k], kết hợp với sóng mang OFDM thứ k ký hiệu OFDM thứ n, thực theo cách thức liên tiếp, lần lặp tách sóng thứ i, phát thành phần vector đơn xi[n,k] sử dụng phương pháp tách sóng SDM MMSE tuyến tính Sau đó, thay đổi vector tín hiệu nhận y[n,k] cách loại bỏ thành phần tín hiệu giao thoa điều chế lại, thực lại q trình tách sóng tuyến tính nói nhằm mục đích ước lượng thành phần tín hiệu truyền xji+1 Sau đó, q trình lại lặp lại thành phần tín hiệu truyền kết hợp với tất cá thành phần ăng ten truyền tách Trong phần chứng minh kiến trúc nối tiếp kết q trình tách sóng SIR cải thiện đáng kể thành phần tín hiệu yếu Chú ý rằng, tới lần bỏ qua ký hiệu sóng mang OFDM n k tương ứng, điều khơng giới hạn tính tổng qt kết đạt Do đó, q trình tách sóng phân chia theo khơng gian mơ tả trước thực độc lập cho cặp miền thời gian tần số [n,k] Đặc biệt nữa, bắt đầu q trình tách sóng SIC với tách sóng tuyến tính thành phần tín hiệu truyền xj1 Chúng ta có: Page 87 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh xˆ j1 = w1H y1 (4.48) Và w1 = (W)j1 cột thứ j1 ma trận trọng số tách sóng SDM MMSE tuyến tính mơ tả phương trình (4.23) Trong đó, y1 giả sử đồng với vector tín hiệu thu gốc y Tiếp theo, nhiễu áp dụng thành phần tín hiệu điều chế lại vừa tách xj1 trừ từ tín hiệu thu y1: y2 = y1 − ( H ) j1 Q ( xˆ j1 ) (4.49) Trong đó, (H)j1 cột thứ j1 ma trận kênh H, Q(x) phép phân chia thực máy thu để ước lượng ký hiệu QAM/PSK mang thơng tin truyền Tín hiệu khử nhiễm phần y2 bao gồm góp phần số lượng nhiễu bị suy giảm Để tách thành phần tín hiệu truyền mong muốn xj2, phải tính tốn ma trận trọng số W2 tách sóng SDM tuyến tính cập nhật Ma trận đạt dễ dàng cách thay ma trận kênh hiệu dụng H j1 , đạt cách đưa không giá trị cột thứ j1 ma trận kênh gốc H, vào phương trình (4.23): ( W2 = H j1 H Hji H j1 + mt w2 I ) −1 (4.50) Trong đó, H j1 ma trận đạt cách đưa giá trị cột thứ j1,…,ji ma trận kênh gốc H không Bằng cách thay xˆ j1 , w1, y1 phương trình (4.48) xˆ j2 , y2 phương trình (4.49) w2 = (W)2 phương trình (4.50), có giá trị ước lượng mong muốn thành phần tín hiệu truyền Cuối cùng, Page 88 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh q trình tách sóng lặp lặp lại mô tả thực tất thành phần tín hiệu truyền mong muốn tách thành công Việc tách thành phần tín hiệu truyền xj[n], j = 1,…, mt, thực đóng vai trị quan trọng hiệu suất tổng thể q trình tách sóng Hơn nữa, phương pháp xếp tối ưu thực mơ hình tách sóng liên tiếp “đầu tiên tốt nhất” áp dụng, đó, hiệu suất tốt đạt lần lặp thứ i q trình tách sóng SIC, thành phần tín hiệu mong muốn lựa chọn theo tiêu chuẩn chọn lựa với hàm ý rằng, tín hiệu có dải hẹp nhất, cơng suất cao tách đầu tiên: ji +1 = arg max (H ji ) j (4.51) j Q trình tách sóng SIC SDM áp dụng phương pháp tách sóng MMSE phần 4.3.1.1 khái quát hóa sau: y1 = y  n W1 = H ( H H H + mt w2 I ) j1 = arg max ( H ) j −1 (4.52a) j for i = 1,2,…,mt w ji = (Wi ) ji (4.52b) xˆ ji  n = w Hji yi (4.52c) Page 89 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh ( ) yi+1 = yi − ( H n) j Q xˆ ji i ( Wi +1 = H ji H Hji H ji + mt w2 I ( ) ji +1 = arg max H ji j (4.52d) ) −1 (4.52e) j (4.52f) end for 4.5 Kết luận Sự kết hợp SDM OFDM trình bày chương Và qua chương ta thấy kết hợp ghép kênh phân chia theo không gian ghép kênh phân chia theo tần số trực giao thiết kế đầy hứa hẹn, mà kết hợp mở rộng tốc độ bit với linh hoạt ghép kênh phân chia theo không gian với hiệu phổ tương đối cao, chống lại fading chọn lọc theo tần số cách mạnh mẽ, giao thoa băng hẹp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Page 90 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh KẾT LUẬN Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM công nghệ đại cho truyền thông tương lai Hiện việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại fading chọn lọc tần số xuyên nhiễu băng hẹp Để đáp ứng nhu cầu lớn dung lượng tốc độ truyền dẫn, người ta kết hợp hệ thống OFDM hệ thống đa đầu vào - đa đầu MIMO đem lại nhiều ưu điểm vượt trội Nội dung đồ án đưa nghiên cứu mặt lý thuyết hệ thống MIMO - OFDM, ưu nhược điểm hệ thống này, kỹ thuật ghép kênh không gian hệ thống Trên thực tế, vấn đề việc sử dụng anten gì, cách bố trí anten, điều kiện bước sóng sóng mang… hệ thống MIMO – OFDM vấn đề quan trọng Page 91 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A van Zelst, R van Nee and G.A Awater, Space Division Multiplexing (SDM) for OFDM systems, Bell Labs, Lucent Technologies Zadelstede 1-10, 3431 JZ Nieuwegein, The Netherlands [2] Trần Trung Dũng, Nguyễn Thúy Anh (2007) , Lý thuyết truyền tin, NXB Khoa học kỹ thuật [3] Nguyễn Văn Đức, (2006), Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM , NXB Khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên , (2006), Thông tin vô tuyến , NXB Khoa học kỹ thuật [5] Prof Dr G.Brussaard, Prof Dr L.P.Ligthart, and Dr P.F.M Smulders, MIMO OFDM for Wireless LANs, Albert van Zelst, 14 April, 2004 [6] G L STBER, J R BARRY, S W MCLAUGHLIN, Y G LI, M A.INGRAM, and T G PRATT, Broadband MIMO-OFDM wireless communications, Proc IEEE, vol 92, pp 271–294, Feb 2004 [7] Prof Lajos Hanzo, Dr Yosef (Jos) Akhtman and Dr Li Wang, Dr Ming Jiang, MIMO-OFDM for LTE, Wi-Fi and WiMAX, A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2011 [8] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, and Chung G Kang, MIMOOFDM Wireless Communications with MATLAB, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, Clementi Loop, # 02-01, Singapore 129809 [9] http://www.google.com.vn/ Page 92 ... Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian ZF Zero-Forcing Cân không Page Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn... văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh CHƯƠNG III: HỆ THỐNG MIMO- OFDM 3.1 Giới thiệu Mơ hình hệ thống truyền thơng khơng dây MIMO- OFDM thu hút quan tâm, ý nhà nghiên cứu giới,... sóng mang Trong phần này, nghiên cứu mơ hình tín hiệu hệ thống MIMO OFDM, đó, mối quan hệ ký tự MIMO OFDM truyền nhận biểu Page 39 Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM Nguyễn Thị Kiều Oanh