Nghiên cứu lớp vật lý mimo OFDM của hệ thống thông tin di động 4g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Minh Trang NGHIÊN CỨU LỚP VẬT LÝ MIMO - OFDM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HÀN HUY DŨNG Trang phụ bìa Hà Nội – 2017 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G LỜI CAM ĐOAN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường thuận lợi sở vật chất chuyên môn trình tơi thực đề tài Tơi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên tơi có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Hàn Huy Dũng tận tình bảo, định hướng khoa học hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hoàn tồn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất thực cẩn thận có định hướng sửa chữa giáo viên hướng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Nguyễn Minh Trang Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G MỤC LỤC Trang phụ bìa DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .6 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .9 Chương HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 12 1.1 Giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin di động 4G 12 1.2 Lớp vật lý hệ thống 4G 15 1.2.1 Giới thiệu eNB 15 1.2.2 Cấu trúc khung lớp vật lý .18 1.2.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE 20 1.3 Đường xuống kênh vật lý 23 1.3.1 Quá trình xử lý truyền tải đường xuống cho DL-SCH 23 1.3.2 Quá trình xử lý kênh vật lý PDSCH .30 1.4 Kết luận chương 36 Chương 2.1 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 37 Hệ thống MIMO 37 2.1.1 Giới thiệu MIMO 37 2.1.2 Kỹ thuật phân tập 38 2.1.3 Nguyên lý MIMO 39 2.1.4 Ưu điểm MIMO 40 2.1.5 Mã hóa khơng gian thời gian 42 2.1.6 Ghép kênh không gian 46 2.1.7 Nhược điểm MIMO 48 2.1.8 Kết luận 49 2.2 Hệ thống OFDM 49 2.2.1 Tổng quan hệ thống OFDM 49 2.2.2 Các ưu nhược điểm kỹ thuật OFDM 55 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G 2.2.3 Kết luận .56 2.3 Hệ thống MIMO-OFDM .56 2.4 Kết luận chương 58 Chương ƯỚC LƯỢNG KÊNH MÙ VÀ MÔ PHỎNG 59 3.1 Giới thiệu chung 59 3.2 Ước lượng kênh mù .60 3.2.1 Các mơ hình tín hiệu giả thiết 61 3.2.2 Phương pháp ước lượng kênh: 63 3.2.3 Thiết lập thuật toán: 66 3.2.4 Phần khơng xác định cịn lại 72 3.2.5 Kết mô 75 3.3 Kết luận 81 KẾT LUẬN .82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Kiến trúc mạng thông tin di động 4G 13 Hình 1.2: Các kết nối eNodeB 15 Hình 1.3: Cấu tạo eNodeB (Samsung) 16 Hình 1.4: Cấu trúc khung FDD (Loại 1) 18 Hình 1.5: Chỉ định khung cho đường lên đường xuống (FDD) 18 Hình 1.6: Cấu trúc khung TDD (Loại 2) 19 Hình 1.7: Ví dụ việc định đường lên đường xuống cho hoạt động TDD .20 Hình 1.8: Kiến trúc giao thức vơ tuyến quanh lớp vật lý 20 Hình 1.9: Sơ đồ kênh theo đường xuống lớp 21 Hình 1.10: Q trình mã hóa kênh truyền tải cho DL-SCH .23 Hình 1.11:Cấu trúc mã hóa turbo tốc độ mã hóa 1/3 26 Hình 1.12:Rate matching cho mã hóa turbo kênh truyền tải 27 Hình 1.13: Mơ hình kênh DL-SCH 30 Hình 1.14: Ánh xạ lớp với codeword layer 33 Hình 1.15: Ánh xạ lớp với codeword layer 33 Hình 1.16: Biểu đồ khối precoding trường hợp MIMO 2x2 35 Hình 2.1: Hệ thống MIMO 37 Hình 2.2: Độ lợi mảng 40 Hình 2.3: Giảm nhiễu MIMO 42 Hình 2.4: Máy phát Alamouti 43 Hình 2.5: Máy thu cho sơ đồ Alamouti .44 Hình 2.6: Cấu trúc D-BLAST 46 Hình 2.7: Sơ đồ khối xử lý t n hiệu thu phát chung cho hệ thông vơ tuyến 48 Hình 2.8: Tổng quan hệ thống OFDM 50 Hình 2.9 Nguyên lý điều chế OFDM 51 Hình 2.10: Dạng sóng ký hiệu OFDM 52 Hình 2.11: Nguyên lý giải điều chế OFDM 53 Hình 2.12: Chèn CP vào ký hiệu OFDM 54 Hình 2.13: Chèn khoảng bảo vệ triệt tiêu nhiễu ISI 55 Hình 2.14: Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM 57 Hình 2.15: Cấu trúc máy thu MIMO-OFDM 58 Hình 3.1 Hàm chi phí J(W) bước lặp 70 Hình 3.2: Chịm sˆ1 sˆ2 .72 Hình 3.3: So sánh NMSE ghép kênh khơng gian 77 Hình 3.4: So sánh SER ghép kênh không gian 78 Hình 3.5: So sánh NMSE sử dụng mã hóa Alamouti 79 Hình 3.6: So sánh SER sử dụng Mã hóa Alamouti .80 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng tốc độ đỉnh mạng 4G 14 Bảng 1.2:Mơ hình hốn vị cột cho sub-block Interleaver .28 Bảng 1.3: Bảng ánh xạ từ mã sang lớp cho ghép kênh không gian 31 Bảng 1.4: Các chế độ truyền dẫn đường xuống 3GPP phiên 12 .34 Bảng 1.5: Codebook cho truyền tải port {0,1} ăng ten 35 Bảng 1.6: Large-delay CDD .36 Bảng 3.1: Tập hợp ma trận không xác định cho hệ thống STBC khác sử dụng số ăng ten phát nt  2,3, : 73 Bảng 3.2: Thời gian tính tốn trung bình cho thuật tốn (SM) 76 Bảng 3.3: Thời gian tính tốn trung bình cho thuật tốn (má hóa Alamouti) 80 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ARP AWGN BER CCI CDD CRC CSI DFT DL-SCH DU EM FDD FFT HARQ HOS HSPA HSUPA ICA IDFT IFFT IP ISI LTE MAC MCH MIMO MME NMSE NOSTBC OFDM OSTBC PCH PDCP PMI QOSTBC RLC Automatic Repeat Request Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Co-Channel Interference Cyclic Delay Diversity Cyclic Redundancy Check Channel State Information Discrete Fourier Transform Downlink Shared Channel Digital Unit Expectation - Maximinization Frequency Division Duplex Fast Fourier Transform Hybrid Automatic Repeat Request Higher Order Statistics High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access Independent Componet Analysis Inverse Discrete Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform Internet Protocol InterSymbol Interference Long Term Evolution Medium Access Control Multicast Channel Multi-Input Multi-Output Mobility Manage Entity Normalized Mean Square Error Non-Orthogonal STBC Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal STBC Paging Channel Packet Data Convergence Protocol Precoding Matrix Indicator Quasi-Orthogonal STBC Radio Link Control Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G RRM RS RU SAE SD SER S-GW SISO SM SNR SOS STBC TTI TDD Radio Resource Management Reference Signal Radio Unit System Architecture Evolution Steepest Descent Symbol Error Rate Serving Gateway Single Input Single Output Spatial Multiplexing Signal to Noise Ratio Second Order Statistics Space - Time Block Coding Transmission Time Interval Time Division Duplex Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu thông tin vô tuyến phát triển nhanh, đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh dịch vụ tốc độ cao chất lượng cải thiện Tuy nhiên, băng thông dành cho thiết bị đầu cuối truy nhập hệ thống vô tuyến bị giới hạn Suốt nhiều năm qua, nhà nghiên cứu không ngừng phát triển thiết bị vô tuyến chuẩn 4G (thế hệ mạng di động thứ 4) hỗ trợ ứng dụng liệu đa phương tiện tốc độ cao với chìa khóa cơng nghệ hệ thống MIMO-OFDM Hệ thống MIMO mạng lại lợi ích kép, vừa tăng dung lượng nhờ ghép kênh không gian triệt fading nhờ phân tập thu/phát Nhưng hệ thống MIMO, vấn đề ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến nhiệm vụ khó khăn từ yêu cầu thiết bị đầu cuối phân tập tăng, số lượng tham số cần ước lượng tăng khoảng tích số ăng ten phát ăng ten thu Vì vậy, cần tìm hiểu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G đề xuất ước lượng kênh mù nhằm tăng dung lượng kênh đảm bảo tin cậy tín hiệu phía thu Tình hình nghiên cứu MIMO cơng nghệ phát triển năm gần nhanh chóng trở thành đề tài quan tâm Đã có nhiều cơng trình khoa học, luận văn cấp nghiên cứu vấn đề nhiều góc độ Với cơng nghệ OFDM, nghiên cứu cịn lâu, nhiều đầy đủ Điều thể rõ mặt thời gian phát triển ứng dụng vào đời sống Một ứng dụng bật lĩnh vực phát truyền hình số quảng bá Việc kết hợp hai cơng nghệ tiên tiến MIMO OFDM thu hút quan tâm từ nhà khoa học, công ty, tổ chức khắp giới Nó đã, phát triển nhiều mặt lý thuyết lẫn triển khai ứng dụng cách rộng rãi Tuy vậy, phát triển vài năm trở lại đây, công nghệ kết hợp MIMO-OFDM nhiều điều đáng quan tâm, nghiên cứu Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G Ước lượng kênh truyền thành phần thiếu hệ thống vơ tuyến Khác với mạng truyền dẫn có dây, tín hiệu kênh truyền thông tin vô tuyến bị tác động nhiều yếu tố như: fading, nhiễu xạ hay tán xạ các cơng trình kiến trúc nằm thiết bị phát thiết bị thu, tương quan tín hiệu ảnh hưởng kênh phát kề nhau, ảnh hưởng tần số phát kề kênh, nhiễu liên kí tự, …Do vấn đề ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMOOFDM vấn đề cần đầu tư nghiên cứu nhiều Hiện có nhiều phương pháp ước lượng kênh vơ tuyến chia làm loại: ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện; ước lượng kênh bán mù ước lượng kênh mù Ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện ước lượng kênh bán mù có nhiều tài liệu nghiên cứu tìm hiểu, thấy rõ ưu điểm phương pháp độ tính tốn phức tạp, tín hiệu thu khơi phục dựa vào chuỗi huấn luyện đính kèm thông tin phát, nhiên tốn băng thông kênh truyền dẫn tới giảm tốc độ truyền liệu công nghệ vô tuyến đời nhằm mục đích nâng cao tốc độ liệu người dùng Phương pháp ước lượng kênh mù không sử dụng việc chèn chuỗi huấn luyện vào tín hiệu phát, tín hiệu khôi phục dựa vào thông tin thu nên cho hiệu băng thông cao Tuy nhiên, không sử dụng chuỗi huấn luyện nên lượng thông tin cần xử lý lớn, độ tính tốn cao Luận văn tập trung vào tìm hiểu đưa thuật tốn ước lượng kênh mù nhằm múc đích tăng số bít thơng tin có ích phát qua giao diện vô tuyến thiết bị đầu cuối ngày phát triển, khả xử lý tín hiệu ngày nhanh Mục đích nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Khi phát triển công nghệ vô tuyến, người ta quan tâm đến hiệu sử dụng băng thơng, cải tiến chất lượng tín hiệu (lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa NMSE, tỉ lệ lỗi ký hiệu SER) Do vậy, luận văn tìm hiểu đưa giải pháp ước lượng kênh mù truyền nhằm cải tiến phương pháp truyền thống Ngoài ra, luận văn đề yêu cầu cho kết nghiên cứu phải có tính ứng dụng cao, phù hợp cho triển khai thiết bị phần cứng thực tế Các thuật toán đề 10 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thơng tin di động 4G c) Chịm sˆ1 sau lặp lần d) Chòm sˆ2 sau lặp lần Hình 3.2: Chịm sˆ1 sˆ2 3.2.4 Phần khơng xác định cịn lại Với mơ hình ICA cổ điển ước lượng phần khơng xác định hốn vị pha xoay Với hệ thống STBC, phương pháp đưa làm giảm phần không xác định số kênh truyền cách lợi dụng phần dư thừa không gian - thời gian ký hiệu phát Định lý 1: Chúng ta xem xét ma trận unita M có kích thước nt  nt , ma trận hốn vị P có kích thước n  n ma trận đường chéo D có kích thước n  n với đầu vào mô đun đơn vị (DD*= I n ) Nếu ma trận thỏa mãn: t MC(sv )  C(PDsv ) (3.32) với sv HMH giải pháp vấn đề ước lượng kênh mù Chứng minh: từ (3.4) (3.32) nhận được: Yv  HC(sv )  Bv  HM H MC (sv )  Bv  HM H C (PDsv )  Bv (3.33) Vì phần tử sv i.i.d (phân bố Gauss, độc lập thống kê có phân bố) nên phần tử véc tơ PDsv i.i.d Do HMH giải pháp vấn đề ước lượng kênh mù Điều kiện (3.32) mơ tả dạng véc tơ sau: 72 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G  e(vec C H ( sv )M H )   e(vec C H (PDs v ))      m(vec C H ( sv )M H )   m(vec C H (PDs v ))      k1 (3.34) k2 Véc tơ cột vec C H (sv )M H  có kích thước 2nt l biểu diễn sau: vec C H (sv )M H   (M*  I l )vec{C H (s v )} (3.35) Bảng 3.1: Tập hợp ma trận không xác định cho hệ thống STBC khác sử dụng số ăng ten phát nt  2,3, : Các phương pháp thiết kế Số ăng ten phát nt Số ký Code hiệu rate khối n/l n Các tập hợp ma trận không xác định sau ước lượng kênh Ghép kênh nt không gian nt nt   PD Alamouti 2   M1   , M   OSTBC 3 12   I  OSTBC 3 34   I  OSTBC 34   I  OSTBC 4 12 QOSTBC NOSTBC 4   M ( ), M   , M   , M   4   M (1 ,  ), M (1 ,  ), M (1 ,  ), M10 (1 ,  )   I , M   , M   , M   (Ký hiệu  tập hợp tất ma trận M thỏa mãn cơng thức (3.32)) Vì e(M* )  e(M) m(M* )  m(M) nên k1 viết dạng tuyến tính sau:  e(M)  I l k1    m(M)  I l m(M)  I l  Gs e(M )  I l  v (3.36) Biểu thức bên phải cơng thức (3.34) biểu diễn dạng tuyến tính sau:  e  vec PDsv    Pe  D  Pm(D)  k2  G   G  sv P  m ( D ) P  e D    m  vec PDsv    73 Nguyễn Minh Trang – CB130631 (3.37) Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G Khi sử dụng cơng thức (3.36) (3.37) cơng thức (3.34) rút gọn sau:  Pe(D) Pm(D)  MT Gsv  G   sv  Pm(D) Pe(D)  (3.38) MT ma trận có kích thước 2nt l  2nt l với phần tử thực, định nghĩa sau:  e(M)  I l MT    m(M)  I l m(M)  I l  e(M)  I l  (3.39) Do công thức (3.38) phải thỏa mãn với sv nên ta thu công thức sau:  Pe(D) Pm(D)  G †MT G     Pm(D) Pe(D)  (3.40) Cuối cùng, kết đạt Định lý 2: với C STBC, tập hợp ma trận không xác định  tập chứa tất ma trận M kích thước nt  nt thỏa mãn (3.40) P ma trận hốn vị kích thước nt  nt D ma trận đường chéo có kích thước nt  nt với đầu vào mơ đun đơn vị Có thể nói điều kiện (3.40) phụ thuộc vào ma trận G mà G phụ thuộc vào STBC (theo (3.16)) Tuy nhiên, thật khó để tìm xác mối quan hệ G ma trận M, P D Để xác định mối quan hệ rõ ràng ma trận này, phải thực vài mô Monte-Carlo với kênh MIMO Rayleigh Bảng 3.1 cung cấp cho ta tập hợp  ma trận không xác định nghĩa vài hệ thống STBC sử dụng số ăng ten phát tương ứng nt  2,3, 4 Trong bảng 3.1 ma trân M1  M10 biểu diễn sau: e j M1 ( )   0  M ( )    j  e   e  (3.41)  j e j   0 (3.42) 74 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G 02  M ( ) M ( )   M1 ( )   02 (3.43) 02  M ( ) M ( )   M ( )   02 (3.44) M1 ( )   02 M ( )   02   M1 ( ) (3.45) M ( )   02 M ( )   02   M ( ) (3.46) 02  M ( ) M (1 , )   1 M1 ( )   02 (3.47) 02  M ( ) M8 (1 , )   1 M ( )   02 (3.48) 02  M ( ) M (1 , )   M1 ( )   02 (3.49) 02  M ( ) M10 (1 , )   M ( )   02 (3.50) Khơng có điều chế máy phát (tiền mã hóa, chuỗi huấn luyện), phương pháp không gian SOS ước lượng kênh truyền lớn hệ thống STBC có tốc độ mã hóa vài hệ thống STBC có tốc độ thấp đặc thù Khác với phương pháp không gian SOS, phương pháp đưa ứng dụng cho tồn lớp hệ thống STBC tuyến tính mà khơng có điều chế máy phát sử dụng chuỗi huấn luyện 3.2.5 Kết mô Ta chạy mô Monte-Carlo để ước định hiệu suất thuật toán 1, ˆ kênh ước lượng Sau ước lượng Quy ước H kênh ban đầu H ˆ với kênh phần không xác định cịn lại loại bỏ phép nhân thơng thường H ˆ đó: M ˆ  arg H  HM ˆ M M  F 75 Nguyễn Minh Trang – CB130631 (3.51) Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G tập hợp ma trận khơng xác định  phụ thuộc vào STBC (thấy bảng 3.1) Sau loại bỏ phần không xác định, kênh ước lượng ký hiệu ˆ ˆ Hiệu suất thuật toán mù đưa xác định qua: Hˆ a  HM o Lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa (NMSE) tính sau: NMSE  ˆ HH a H F (3.52) F o Giá trị trung bình tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) thu sau giải mã ML Bảng 3.2: Thời gian tính tốn trung bình cho thuật tốn (SM) SNR -10dB 0dB 10dB SD cổ điển 0.07s 0.11s 0.09s SD geodesic 0.34s 0.16s 0.09s Thuật tốn Mỗi mơ thực theo điều kiện sau: i) Kênh truyền phân phối Rayleigh, tức phần tử H biến gaussian, phân bố độc lập giống (i.i.d), phân bố Gauss vịng trịn với trung bình phương sai đơn vị ii) Điều chế QPSK iii) 512 khối phát iv) Nhiễu trắng cộng Gauss thời gian khơng gian trung bình với phương sai  (đã biết phía thu) v) mức ngưỡng  105 vi) máy thu thỏa mãn giả thiết Thuật toán thực để ước lượng cho vài SNR, SNR định nghĩa sau: SNR= 10log10 (nt /  ) (3.53) Với SNR, hai nghìn mơ Monte-Carlo thực để làm gần NMSE với SER Vì khơng thể đảm bảo thuật tốn 1, tìm tối thiểu hóa tồn bộ, hiệu suất phương pháp đề ước lượng với thiết lập đa 76 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G khởi tạo Biện pháp thiết lập đa khởi tạo chạy thuật toán vài lần với điểm bắt đầu ngẫu nhiên lựa chọn ma trận unita ước lượng W mà tối thiểu hóa hàm chi phí J(W) a) Ghép kênh khơng gian Trong phần này, xem xét trường hợp hệ thống ghép kênh không gian sử dụng 02 ăng ten phát ( nt  ) Khối phát thể hiện: s  C(s)=   s (3.54)  2 Hình 3.3: So sánh NMSE ghép kênh không gian 77 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thơng tin di động 4G Hình 3.4: So sánh SER ghép kênh không gian Với ghép kênh không gian vấn đề ước lượng kênh quy vấn đề ICA cổ điển Sau ước lượng kênh tập hợp ma trận khơng xác định tính:   PD P ma trận hốn vị D ma trận pha Hình 3.3 hình 3.4 thể hiệu thuật tốn 1,2 trường hợp máy thu có ăng ten ( nr  ) Hình 3.3 so sánh kênh NMSE phương pháp theo SNR ghép kênh không gian Hình 3.3 việc thiết lập đa khởi tạo dường không cải thiện hiệu suất Hình 3.4 so sánh SER phương pháp theo SNR SER so sánh với thu từ máy thu liên kết ML (hoàn hảo CSI) Thuật toán ước lượng kênh mù đạt hiệu gần tối ưu SNR cao SER chúng xấp xỉ với SER máy thu ML liên kết Bảng 3.2 so sánh thời gian tính tốn trung bình cho mơ matlab xử lý vi xử lý Intel Pentium 2.6Ghz Với phương pháp thiết lập đa khởi tạo, thời gian tính tốn phải nhân với số lần khởi tạo ngẫu nhiên Bảng 3.2 thể SD cổ điển u cầu tính tốn so với SD geodesic SNR thấp độ tính tốn phức tạp SNR cao b) Mã hóa Alamouti: 78 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G Trong phần này, xem xét hệ thống STBC sử dụng mã hóa Alamouti Mã hóa trực giao định nghĩa: s C (s)    s2  s2*   s1*  (3.55) Với mã hóa Alamouti, việc sử dụng trực tiếp thuật tốn ICA khơng phù hợp ký hiệu phát trường hợp liên tục thời gian không độc lập Hơn nữa, phương pháp không gian SOS ước lượng ma trận kênh khối phát sử dụng mã hóa Alamouti Hình 3.5: So sánh NMSE sử dụng mã hóa Alamouti 79 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G Hình 3.6: So sánh SER sử dụng Mã hóa Alamouti Bảng 3.3: Thời gian tính tốn trung bình cho thuật tốn (má hóa Alamouti) SNR -10dB Thuật toán 0dB 10dB SD cổ điển 0.10s 0.16s 0.12s SD geodesic 0.51s 0.21s 0.10s Đối với phương pháp đặt ra, Bảng 3.1 thể hiên tập hợp ma trận không xác định sau ước lượng kênh   M1 ( ), M ( ) Hình 3.5 so sánh NMSE phương pháp khác máy thu sử dụng ăng ten ( nr  3) Trường hợp khơng có thiết lập đa khởi tạo, phương pháp SD geodesic làm tốt hơn, rõ ràng phương pháp SD cổ điển phương pháp SD cổ điển có lỗi sàn NMSE SNR > 4dB Lỗi sàn SD Euclidean gây giải pháp gần tối ưu khơng mong muốn SNR cao Phương pháp thiết lập đa khởi tạo loại bỏ lỗi sàn cải thiện hiệu NMSE hai thuật toán đặt Hình 3.6 so sánh SER phương pháp với khối thu ML liên kết Như nói trên, không sử dụng thiết lập 80 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thơng tin di động 4G đa khởi tạo việc thực SD Euclidean gây lỗi sàn SNR >4 dB, nhiên thuật toán 1, đạt hiệu gần tối ưu sử dụng thiết lập đa khởi tạo Bảng 3.3 so sánh thời gian tính tốn trung bình phương pháp SD cổ điển SD geodesic Ta thấy phương pháp SD cổ điển địi hỏi phép tính so với phương pháp SD geodesic SNR thấp, xu hướng ngược lại SNR cao [6] 3.3 Kết luận Chương đưa thuật toán ước lượng kênh mù cho hệ thống thơng tin truyền thơng mã hóa khối không gian - thời gian Phương pháp dựa vào việc tối thiểu hóa hàm chi phí kurtosis-based sau cân ZF Khi sử dụng ghép kênh không gian: ta thấy phương pháp thiết lập đa khởi tạo dường không cải thiện hiệu suất cao Khi SNR lớn hiệu thuật toán mù đạt mức gần tối ưu SER gần với SER máy thu ML liên kết Tuy nhiên với phương pháp thiết lập đa khởi tạo thời gian tính tốn tăng lên theo số lần khởi tạo, phương pháp SD cổ điển cần tính tốn so với SD geodesic SNR thấp độ phức tạp tính tốn SNR cao Khi sử dụng mã hóa Alamouti: phương pháp SD geodesic thực tốt SD cổ điển khơng có thiết lập đa khởi tạo có thiết lập đa khởi tạo NMSE phương pháp gần 81 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G KẾT LUẬN Trong luận văn này, giới thiệu lịch sử phát triển mạng 4G, giới thiệu sơ lược khối chức lớp vật lý với phần tử eNodeB Đưa trình mã hóa kênh truyền theo hướng xuống từ eNode B tới thiết bị đầu cuối Đặc biệt, thông qua khối chức thấy vai trị quan trọng sử dụng công nghệ lõi MIMO OFDM Đồng thời luận văn giới thiệu nguyên lý hoạt động, kỹ thuật phận tập ưu nhược điểm hệ thống MIMO, ưu nhược điểm kỹ thuật OFDM Thông qua thấy cần thiết, tính tất yếu việc kết hợp MIMO OFDM tình hình nhu cầu xã hội ngày đòi hỏi cao khắt khe truyền thông di động Để phát huy tối đa ưu MIMO-OFDM cần có giải pháp xử lý vấn đề kỹ thuật loại công nghệ hệ thống Một vấn đề quan trọng ước lượng kênh Ước lượng kênh cho phép máy thu biết thông tin tham số kênh Ước lượng kênh thực theo phương pháp khác ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện, ước lượng kênh bán mù, ước lượng kênh mù Tùy theo yêu cầu ứng dung, hệ thống mà sử dụng phương pháp cho phù hợp Bằng việc tìm hiểu, phân tích lý thuyết thuật toán ước lượng kênh mù dựa vào phương pháp thống kê bậc cao(HOS), dùng ứng dụng Matlab để mô đưa thông số NMSE SER hệ thống STBC sử dụng thuật toán SD cổ điển SD geodesic kết hợp ghép kênh khơng gian mã hóa Alamouti Qua mơ phỏng, thuật tốn ước lượng kênh mù cho hệ thống STBC cịn có hạn chế định Khi sử dụng giải pháp HOS lượng thông tin đầu vào cần xử lý lớn tăng số lượng ăng ten phát thu tăng, muốn tận dụng băng thơng kênh truyền lớn phải trả giá độ phức tạp tính tốn, chi phí cho thiết bị hệ thống tăng cao Khi sử dụng ghép kênh không gian, việc thiết lập đa khởi tạo không mang lại hiệu cao so với phương pháp không 82 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G thiết lập khởi tạo lại nhiều thời gian hơn, địi hỏi xử lý tính tốn lớn Khi sử lý số lượng lớn thông tin gây tình trạng tín hiệu thu tồn tín hiệu khơng xác định Để tiếp tục nghiên cứu sâu đề tài lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống 4G, hướng thời gian tới là: Nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM có sử dụng phương pháp ước lượng kênh bán mù để đưa phương pháp lai ghép kết hợp ưu điểm phương pháp khắc phục hạn chế phương pháp riêng 83 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bernhard Schulz (2015), White Paper “LTE Transmission Modes and Beamforming White Paper” [2] Nguyễn Văn Đức (2006), Sách “Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM” [3] Nguyễn Thị Hà (2009), Luận Văn Thạc Sĩ “Ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMO-OFDM” [4] Đỗ Đình Thuấn (2012), Luận Án Tiến Sĩ Vật Lý “Ước lượng kênh truyền MIMO dùng thuật toán bán mù cải tiến” [5] Vincent Choqueuse., Ali Mansour., Gilles Burel., Ludovic Collin., Koffi Clément Yao.(2011), "Blind Chanel Estimation for STBC Systems Using Higher-Order Statistics", IEEE Transactions on Wireless Communications, Institute of Electrical and Electronics Engineers [6] Yong Soo Cho., Jaekwon Kim., Won Young Yang., Chung Gu Kang (2006), Sách “MIMO-OFDM wireless communication with Matlab”, IEEE Press [7] 3GPP TS 36.211 V12.8.0 “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 12)”, www.3GPP.org [8] 3GPP TS 36.212 V12.8.0 “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multiplexing and channel coding (Release 12)”, www.3GPP.org [9] 3GPP TS 36.401 V12.3.0 “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Architecture www.3GPP.org 84 Nguyễn Minh Trang – CB130631 description (Release 12)”, Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G [10] 3GPP TS 36.201 V12.2.0 “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE physical layer; General description (Release 12)”, www.3GPP.org [11] Mikko MaenPaa (2016), Luận văn thạc sĩ “Blind detection of interfering cell data channel power level in 3GPP LTE/LTE-A Downlink” [12] Trần Thanh Tuất (2013), Đồ án tốt nghiệp “Công nghệ LTE cho mạng di động băng thông rộng” [13] Agilent 3GPP LTE (2009), “System Overview, Product Development, and Test Challenges” [14] 3GPP TS 36.306 V12.11.0 (2016), “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio access capabilities”, www.3GPP.org [15] 3GPP TS 36.300 V12.10.0 (2016), “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2”, www.3GPP.org [16] 3GPP TS 25.912 V12.0.0 (2014), “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Feasibility study for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) (Release 12)”, www.3GPP.org [17] Nguyễn Quang Vinh (2007), Luận Văn Thạc Sĩ “Nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM” [18] E Larsson., P Stoica., and J Li., (2002) “On maximum-likelihood detection and decoding for space-time coding systems”, IEEE Trans Signal Process [19] E Larsson., P Stoica., and J Li., (2003) “Orthogonal space-time block codes: maximum likelihood detection for unknown channels and unstructured intereferences”, IEEE Trans Signal Process 85 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM hệ thống thông tin di động 4G [20] W Ma., B Vo., T Davidson., and P Ching., (2006) “Blind ML detection of orthogonal space-time block codes: efficient high-performance implementations”, IEEE Trans Signal Process [21] Y Li., C Georghiades., and G Huang., (2001) “Iterative maximum likelihood sequence estimation for space-time coded systems”, IEEE Trans Commun [22] A Swindlehurst and G Leus., (2002) “Blind and semi-blind equalization for generalized space-time block codes”, IEEE Trans Signal Process [23] A Swindlehurst and G Leus., (2002) “Blind and semi-blind equalization for generalized space-time block codes”, IEEE Trans Signal Process [24] J Via., I Santamaria., A Sezdin., and A Paulraj., (2007) “SOS-based blind channel estimation algorithm under space-time block coded transmissions”, in Eighth IEEE Workshop Signal Process Advances Wireless Commun [25] A Hyvarinen., J Karunen., and E Oja., (2001) Independent Component Analysis [26] C Papadias., (2000) “Globally convergent blind source separation based on a multiuser kurtosis maximisation criterion”, IEEE Trans Signal Process [27] T Abrudan., J Eriksson., and V Koivunen., (2008) “Steepest descent algorithms for optimization under unitary matrix constraint”, IEEE Trans Signal Process [28] E Polak., (1997) Optimization: Algorithms and Consistent Approximations Springer-Verlag 86 Nguyễn Minh Trang – CB130631 ... Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO- OFDM hệ thống thông tin di động 4G Chương HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 1.1 Giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin di động 4G Smartphone thành... cứu lớp vật lý MIMO- OFDM hệ thống thông tin di động 4G xuất nhằm giảm độ phức tạp tính tốn so với giải pháp ước lượng mù có trước Luận văn nghiên cứu lớp vật lý MIMO- OFDM hệ thống mạng thông tin. .. kênh vật lý từ eNB tới UE Đây tiền đề quan trọng phần mô Tìm hiểu ứng dụng hệ thống MIMO- OFDM lớp vật lý 4G 36 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO- OFDM hệ thống thông tin di động