Nghiên cứu kỹ thuật mimo OFDMA và ứng dụng trong thông tin di động tế bào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -X—W - NGÔ VĂN TÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -X—W - NGÔ VĂN TÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC HÀ NỘI - 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ Khoa học nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Đức Các kết tham khảo từ nguồn tài liệu cơng trình nghiên cứu khoa học khác trích dẫn đầy đủ Nếu có sai phạm quyền, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường Hà Nội, tháng năm 2011 HỌC VIÊN Ngô Văn Túc Trang Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 11 CHƯƠNG : LÝ THUYẾT CƠ SỞ 13 1.1 Tình hình hệ thống thơng tin di động tại: 13 1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation): 13 1.1.2 Thế hệ 2G (Second Generation): 13 1.1.3 Thế hệ 3G (Third Generation): .14 1.1.4 Công nghệ 4G: 16 1.2 Các vấn đề kênh vô tuyến: .19 1.2.1 Suy hao đường truyền: 19 1.2.2 Hiện tượng Multipath-Fading: 20 1.2.3 Kênh truyền fading chọn lọc tần số kênh truyền fading phẳng: 22 1.2.4 Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm: 26 1.2.5 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean[17]: .28 1.3 Các phương thức ghép kênh[4]: .30 1.3.1 Ghép kênh theo tần số FDM: 31 1.3.2 Ghép kênh theo thời gian TDM: .31 1.3.3 Ghép kênh theo mã CDM: 32 1.3.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: 32 1.4 Các mơ hình hệ thống thơng tin khơng dây: 33 1.4.1 Hệ thống SISO: .34 1.4.2 Hệ thống SIMO: 34 1.4.3 Hệ thống MISO: 35 1.4.4 Hệ thống MIMO: 35 1.5 Kết luận chương: 36 CHƯƠNG : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO 37 Trang Mục lục 2.1 OFDM: .37 2.1.1 Sự phát triển OFDM: 37 2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM: 40 2.1.2.1 Sóng mang trực giao: 40 2.1.2.2 Mơ hình hệ thống OFDM: 41 2.2 Hệ thống MIMO: 52 2.2.1 Kênh MIMO: 52 2.2.2 Các kỹ thuật phân tập tín hiệu: 54 2.2.2.1 Phân tập tần số: 55 2.2.2.2 Phân tập thời gian: 55 2.2.2.3 Phân tập không gian: 57 2.2.2.4 Các độ lợi hệ thống MIMO[19]: .58 2.2.3.Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO: 59 2.2.4 Mã hóa khơng gian - Thời gian STC: .63 2.2.4.1 Mã hóa khơng gian - Thời gian khối STB: 64 2.2.4.2 Mã hóa không gian - Thời gian lưới STTC: 66 2.2.4.3 Mã hóa khơng gian - Thời gian lớp BLAST: .69 2.5 Kết luận chương: 69 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO .70 3.1 Hệ thống MIMO–OFDM: 71 3.1.1 Mơ hình hệ thống MIMO–OFDM: 71 3.1.1.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti: .73 3.1.1.2 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST: 77 3.1.2 Dung lượng hệ thống MIMO–OFDM: .80 3.2 Hệ thống MIMO-OFDMA: 81 3.2.1 Công nghệ đa truy nhập OFDMA: 81 3.2.1.1 Khái niệm: 82 3.2.1.2 Đặc điểm: .82 Trang Mục lục 3.2.1.3 OFDMA nhảy tần: 84 3.2.2 Hệ thống OFDMA: 85 3.3 Ứng dụng MIMO-OFDMA thông tin di động tế bào: 86 3.3.1.Ứng dụng 4G LTE: .86 3.3.2 Hệ thống MCMC-CDMA: 91 3.4 Kết luận chương: 92 CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG MIMO-OFDMA BẰNG MATLAB 93 4.1 Hệ thống thu phát SC-FDMA: 94 4.2 Mô hệ thống SCFDMA 10 user trường hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe): 101 4.3 So sánh hệ thống SC-FDMA MCMC-CDMA: 103 4.4 Kết luận chương: 105 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .107 Trang Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng việt 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác hệ thứ ACF Auto Correclation Function Hàm tự tương quan ADC Analog-to-digital converter Chuyển đổi tương tự-số Hệ thống điện thoại di động AMPS Advance Mobile Phone System tiên tiến Kênh truyền có nhiễu trắng AWGN Addictive White Gaussian Noise cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ bit lỗi Bell-Laboratories Layered Space-Time BLAST Code BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc Đa truy nhập phân chia theo CDMA Code Division Multiplexing Access mã CP Cylic Prefix Tiền tố lặp Diagonal-Bell-Laboratories Layered D-BLAST Space-Time Code DAC Digital-to-analog converter Chuyển đổi số- tương tự IS-136-Digital Advance Mobile Phone D-AMPS System DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo FDMA Access tần số FEC Forward Error Correction Mã hóa sửa sai trước Thuật tốn biến đổi Fourier FFT nhanh Fast Fourier Transform Trang Danh mục từ viết tắt Global System for Mobile GSM Communications ICI Inter Carrier Interference Nhiễu xuyên kênh Phép biến đổi Fourier rời rạc IDFT Inverse Discrete Fourier Transform ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform FFT ngược IP Internet Protocol ISI InterSymbol Interference LTE Long Term Evolution MAI Multi access Interfearence MC Multicarrier Communication MCMC- Multicode Multicarrier Code Division CDMA Mutiple Access MIMO Multiple Input Muliple Output Đa đầu vào đa đầu MISO Multiple Input single Output Đa đầu vào đầu MS Mobile Station Trạm di động Nhiễu xuyên ký tự Nhiễu đa truy cập Khơng nằm tầm nhìn NLOS OFDM OFDMA Non Light Of Sight thẳng Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập theo tần số trực Multiplexing Access giao Tỉ số công suất tương đối cực PAPR Peak- to-Average Power Ratio PDC Personal Digital Cellular QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Single Carrier Frequency Division SC-FDMA Multiple Access Trang đại Điều chế cầu phương Danh mục từ viết tắt SIMO Single Input Multiple Output Một đâu vào đa đầu SISO Single Input Single Output Một đầu vào đầu SNR Signal to noise Tỷ số tín hiệu nhiễu Mã khối không gian-thời STBC Space-Time Block Code gian Space-Time Maximum Likelihood STMLD Decoder STTC Space-Time Trellis Code TACS Total Access Communication System Đa truy nhập phân chia theo TDMA Time Division Multiplexing Access Vertical-Bell-Laboratories Layered V-BLAST Space-Time Wideband Code Division Multiple WCDMA Access Wide Sense Stationary Uncorrelated WSSUS Scatter Trang thời gian Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các tượng xảy q trình truyền sóng 20 Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số biến đổi theo thời gian 21 Hình 1.3: Đáp ứng tần số kênh truyền 22 Hình 1.4: Tín hiệu tới phía thu theo L đường 23 Hình 1.5: Kênh truyền thay đổi theo thời gian 26 Hình 1.6: Hàm mật độ xác suất Rayleigh Ricean 30 Hình 1.7: Các phương thức ghép kênh .31 Hình 1.8: Các phương thức ghép kênh hệ thống thơng tin di động .33 Hình 1.9: Phân loại hệ thống thông tin không dây 34 Hình 2.1: FDM truyền thống 37 Hình 2.2: Hệ thống thơng tin đa sóng mang .38 Hình 2.3: Băng thông sử dụng hiệu OFDM 39 Hình 2.4: Ba tín hiệu sin trực giao 40 Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống OFDM 41 Hình 2.6: Bộ S/P P/S 42 Hình 2.7: Bộ Mapper Demapper 43 Hình 2.8: Bit Symbol 43 Hình 2.9: Giản đồ chịm 2-PSK 16-PSK .44 Hình 2.10: Sơ đồ điều chế giải điều chế DPSK 45 Hình 2.11: Giản đồ chịm QAM 46 Hình 2.12: Bộ IFFT FFT 46 Hình 2.13: Bộ Guard Interval Insertion Guard Interval Removal .47 Hình 2.14: Bộ A/D D/A .49 Hình 2.15: Bộ Up-Converter Down-Converter 50 Hình 2.16: Bộ Equalizer miền tần số 52 Hình 2.17: Mơ hình trực quan hệ thống MIMO[2] .53 Hình 2.18: Mơ hình kênh MIMO vô tuyến [2] 53 Trang ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -X—W - NGÔ VĂN TÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO- OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông. .. với OFDMA [9] Ví dụ cụ thể thực tế hỗn hợp OFDMA TDMA người sử dụng phát khe thời gian, chứa vài symbol OFDM Trang 83 Chương 3: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO- OFDMA ứng dụng thông tin di động tế bào. .. 69 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO- OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO .70 3.1 Hệ thống MIMO? ??OFDM: 71 3.1.1 Mơ hình hệ thống MIMO? ??OFDM: 71 3.1.1.1