Ghép sóng mang phụ, phân phối công suất và bit loading cho hệ thống OFDM

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN MINH CƯƠNG “GHÉP SÓNG MANG PHỤ, PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT VÀ BIT LOADING CHO HỆ THỐNG OFDM” Chuyên Ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến – Điện Tử Mã Số Ngành: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 16 tháng 07 năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Minh Cương Giới tính : Nam / Nữ  Ngày, tháng, năm sinh : 05/06/1982 Nơi sinh : Long Xuyên, An Giang Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI: Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Công Suất Bit Loading Cho Hệ Thống OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Thực ghép sóng mang phụ cho hệ thống OFDM – relay - Phân phối công suất tối ưu theo phương pháp water – filling với giới hạn cơng suất tổng cho tồn hệ thống - Phân phối bit cho hệ thống OFDM đa chặng với điều kiện BER ngưỡng - Mô matlab cho chuẩn IEEE 802.11a nhằm kiểm chứng kết ghép sóng mang, phân phối cơng suất tối ưu theo phương pháp water-filling phân phối bit cho sóng mang phụ với ràng buộc lỗi bit cho chặng 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/08/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/07/2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồ Văn Khương Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành gởi lời cảm ơn đến người Thầy, người Anh TS.Hồ Văn Khương giúp đỡ tận tình trình thực luận văn Cách hướng dẫn hổ trợ thầy tạo nhiều động lực cho em việc hoàn thành tốt luận văn Em xin cảm ơn Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa truyền đạt hướng dẫn cho em vấn đề lý thuyết kỹ thuật ứng dụng thực tế ngành vô tuyến điện tử em theo học Đồng thời, em xin cảm ơn bạn bè, anh em lớp tư vấn hổ trợ lúc thực đề tài Xin cảm ơn gia đình người thân ln giúp đỡ ủng hộ trình học tập sống Một lần nữa, xin cảm ơn tất người giúp đỡ em trình học tập, tìm hiểu vấn đề kỹ thuật sống Trân Trọng Trần Minh Cương i Lời Mở Đầu Thông tin hợp tác ứng dụng kỹ thuật quan tâm nhiều nghiên cứu Nó xem chìa khóa kỹ thuật cho việc sử dụng hiệu phổ tần số tương lai Mục đích việc chia sẻ tài nguyên nhiều node mạng xa hợp tác người sử dụng nhằm chia sẻ công suất với nodes lân cận nhằm tiết kiệm cơng suất cho tồn hệ thống Mạng đám mây cung cấp nhiều không gian ứng dụng cho việc hợp tác thông tin thực Trong mạng thông tin truyền thống, lớp vật lý đảm nhận vai trị truyền thơng tin từ node đến node khác Tuy nhiên, thông tin hợp tác đảm nhận vai trị chuyển tiếp thành phần mạng Truyền thông qua relay là, điển node mạng nêu trên, kỹ thuật hứa hẹn giúp mở rộng tầm phủ sóng hạn chế điểm yếu thơng tin vô tuyến OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, với nhiều sóng mang phụ, kỳ vọng cho nhân tố cho hệ thống thơng tin hệ Do đó, kết hợp hai kỹ thuật gọi OFDM-relay hướng cho thông tin vô tuyến băng rộng tương lai Mục đích luận văn nhằm tính tốn phân chia cơng suất cho sóng mang phụ nhằm đạt dung lượng kênh truyền lớn với công suất phát, giải vấn đề ghép sóng mang phụ thơng tin truyền qua relay DF phân phối bit sóng mang phụ mà phải thỏa mãn lỗi bit giới hạn cho phép Tuy nổ lực tối đa để hoàn thành luận văn, giới hạn kiến thức khả lập trình nên luận văn cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý chân thành thầy cô nhằm mở rộng hướng nghiên cứu cho đề tài Tp.HCM, tháng năm 2009 Trần Minh Cương ii Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học MỤC LỤC  Lời Cảm Ơn i Lời Mở Đầu ii Mục Lục Mục Lục Hình Mục Lục Bảng Mục Lục Các Từ Viết Tắt .5 Đặt Vấn Đề Chương CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN ĐA SĨNG MANG VÀ OFDM 1.1 Đặc Tính Kênh Truyền Vô Tuyến 1.1.1 Kênh Truyền Vô Tuyến 1.1.2 Mơ Hình Kênh Truyền 11 1.1.3 Thống Kê Kênh Truyền Fading 13 1.1.4 Giao Thoa Liên Ký Tự (ISI) Giao Thoa Liên Kênh (ICI) 13 1.1.5 Ví Dụ Về Mơ Hình Kênh Truyền Đa Đường Rời Rạc 15 1.1.6 Mơ Hình Kênh Truyền Đa Sóng Mang 17 1.1.7 Phân Tập 18 1.2 Hệ Thống OFDM 21 1.2.1 Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao (OFDM) .22 1.2.2 Thuận Lợi Nhược Điểm 27 1.2.3 Ứng Dụng Các Chuẩn Dùng OFDM 27 Chương ĐIỀU CHẾ SỐ 31 2.1 Kênh Truyền AWGN 31 2.1.1 Dung Lượng Kênh Truyền AWGN .32 2.1.2 Tỉ Lệ Cơng Suất Tín Hiệu Trên Nhiễu Năng Lượng Bit Trên Ký Tự 34 2.1.3 Xác Suất Lỗi Của Điều Chế BPSK QPSK .36 2.1.4 Xác Suất Lỗi Của Điều Chế MPAM MQAM 37 2.1.5 Xác Suất Lỗi Xấp Xỉ Cho Điều Chế Đồng Bộ 40 2.1.6 Xác Suất Lỗi Xấp Xỉ Cho Điều Chế Vi Sai 40 2.2 Hàm Gaussian Q .43 2.3 Xác Suất Kênh Truyền Fading 43 2.3.1 Xác Suất Outage 45 2.3.2 Xác Suất Lỗi Trung Bình 45 GVHD: TS.Hồ Văn Khương HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học 2.3.3 Kết Hợp Xác Suất Lỗi Trung Bình Xác Suất Outage .48 Chương KỸ THUẬT GHÉP KÊNH, PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TỐI ƯU VÀ BIT LOADING TRONG HỆ THỐNG OFDM ĐA CHẶNG 51 3.1 Giới Thiệu 52 3.2 Mơ Hình Hệ Thống Cơng Thức Hóa 52 3.2.1 Mô Hình Hóa Hệ Thống 52 3.2.2 Cơng Thức Hóa Bài Toán 54 3.3 Phân Phối Công Suất Tối Ưu Bằng Thuật Toán Water – Filling .55 3.4 Ghép Kênh Tối Ưu Phân Phối Công Suất Cho Hệ Thống Hai Sóng Mang Phụ 59 3.5 Mở Rộng Cho Hệ Thống Nhiều Sóng Mang Phụ 63 3.6 Xác Suất Điều Chế Sóng Mang Phụ Các Vấn Đề Liên Quan .65 3.7 Các Giải Pháp Thực Hiện Phân Phối Công Suất Tối Ưu Bit Loading 69 3.7.1 Phương Pháp Rounding Off 70 3.7.2 Phương Pháp QoS 71 3.7.3 Phương Pháp Đề Xuất 71 3.8 Mở Rộng Cho Hệ Thống Đa Chặng 73 Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 76 4.1 Kết Quả Thực Hiện Đánh Giá .77 4.1.1 Thực Hiện Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Cơng Suất Tối Ưu Bit Loading Cho Hệ Thống Hai Chặng 77 4.1.2.Mơ Phỏng Vị Trí Relay Ảnh Hưởng Đến Tổng Dung Lượng Kênh Truyền 79 4.1.3 Thực Hiện Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Cơng Suất Tối Ưu Bit Loading Cho Hệ Thống 4-Chặng 6-Chặng với BER=10-5 .80 4.1.4.Mô Phỏng BER Được Giữ Mức Dưới Ngưỡng BERT Trong Khi Dung Lượng Tăng SNR tăng 81 4.2 Kết Luận 82 4.3 Hướng Phát Triển Của Đề Tài 83 Tài Liệu Tham Khảo 84 GVHD: TS.Hồ Văn Khương HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Mục Lục Hình Mục Lục Bảng D E Hình 1.1 Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM Trang Hình 1.2 Mơ hình mạng hai chặng thơng qua relay dựa kỹ thuật OFDM Trang Hình 1.3 Sự lan truyền đa đường thay đổi theo thời gian Trang 10 Hình 1.4 Đáp ứng xung thay đổi theo thời gian đáp ứng hàm truyền lựa chọn tần số fadingTrang 12 Hình 1.5 Phân tập OFDM hệ thống MC-SS kênh fading Rayleigh Trang 20 Hình 1.6 Điều chế đa sóng mang với Nc=4 sub-channel Trang 21 Hình 17 Mật độ phổ cơng suất OFDM với 16 sóng mang Trang 23 Hình 1.8 Hệ thống số đa sóng mang sử dụng OFDM Trang 24 Hình 1.9 Đơn giản hóa hệ thống kênh truyền đa sóng mang dựa OFDM Trang 25 Hình 1.10 Thể thời gian/tần số ký tự/frame OFDM Trang 26 Hình 2.1 Giới hạn Shannon mã điều chế Trang 33 Hình 2.2 Mơ hình hệ thống truyền thông Trang 34 Hình 2.3 Mã hóa Gray cho tín hiệu MPSK Trang 37 Hình 2.4 Mơ hình điểm cho điều chế 4-QAM 16-QAM Trang 38 Hình 2.5 Mơ hình giải điều chế vi sai PSK Trang 41 Hình 2.6 ܲ௕ trung bình cho BPSK Rayleigh fading AWGN Trang 45 Hình 2.7 ܲ௕ trung bình cho MQAM Rayleigh fading AWGN Trang 47 Hình 2.8 ܲ௕ trung bình cho BPSK Nakagami fading Trang 49 Hình 3.1 Hệ Thống OFDM hai chặng với ghép kênh, phân phối công suất bit loading Trang 53 Hình 3.2 Kênh Truyền Gaussian song song Trang 56 Hình 3.3 Water – Filling cho kênh truyền song song Trang 58 Hình 3.4 Mơ hình hệ thống chặng Trang 74 Hình 4.1 Dung lượng bits gõ hệ thống theo SNR với BERT=10-3 Trang 77 Hình 4.2 Dung lượng bits gõ hệ thống theo SNR với BERT=10-5 Trang 77 GVHD: TS.Hồ Văn Khương HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Hình 4.3 Dung lượng bits gõ hệ thống theo khoảng cách source – relay Trang 78 Hình 4.4 Dung lượng bits gõ hệ thống theo SNR cho 4-chặng với BERT=10-5 Trang 80 Hình 4.5 Dung lượng bits gõ hệ thống theo SNR cho 6-chặng với BERT=10-5 Trang 80 Hình 4.6 Mơ hình kiểm tra BER hệ thống với relay decode-and-forward nhiễu AWGN Trang 81 Hình 4.7 BER theo SNR kênh truyền với BERT=10-3 Trang 82 Bảng 1.1 Thiết lập mơ hình kênh truyền cho COST 207 [8] với tap Trang 15 Bảng 1.2 Chuẩn phát cho DAB DVB-T Trang 28 Bảng 1.3 Chuẩn WLAN sử dụng OFDM Trang 29 Bảng 1.4 Phương pháp điều chế tốc độ mã hóa tương ứng với tốc độ liệu Trang 30 Bảng 2.1 Xác suất sai xấp xỉ ký tự bit cho điều chế đồng Trang 42 GVHD: TS.Hồ Văn Khương HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Mục Lục Các Từ Viết Tắt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha nhị phân DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DAB Digital Audio Broadcasting Âm số quảng bá DVB-T Digital Video Broadcasting Truyền hình số mặt đất – Terrestrial FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying Điều chế số dịch tần GSM Global System for Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn Communications cầu IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu ICI Inter-Channel Interference Nhiễu liên kênh OFDM Orthogonal Frequency Division Phân kênh chia theo tần số trực Multiplexing giao Peak to Average Power Ratio Tỉ số cơng suất đỉnh cơng PAPR suất trung bình PSK Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha cầu phương SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu HIPERLAN High Performance LAN Chuẩn LAN không dây tốc độ cao GVHD: TS.Hồ Văn Khương HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học • Bước 4: Tính tốn mức cơng suất cần thiết cho sóng mang i đó: Pi = Γi σ2 (3.51) hi Mặc dù kết mô [18] phương pháp water-filling dựa vào QoS tốt phương pháp Rounding Off WF Kết mô cho giá trị ngược lại số trường hợp Nguyên nhân q trình chưa hồn thành Một bước nên thêm vào q trình nhằm tìm Mi sử dụng từ nhỏ hay lớn , bước sử dụng đến , bước Khi , làm cho tồn ngõ giảm hay tăng Nếu không, , làm cho công suất phân phối tiến gần đến công suất giới hạn 3.7.3 Phương Pháp Đề Xuất[21] Phương pháp đề xuất gồm hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu (bước 1-2), Phương pháp Rounding Off WF áp dụng để phân phối mức điều chế tối đa đến tất sóng mang phụ Trong giai đoạn sau (bước 3-6), cho mức điều chế tối đa có thể, tính tốn mức cơng suất thấp sóng mang phụ để thỏa BER u cầu, sau sử dụng cơng suất dư để tăng mức điều chế cho cho sóng mang phụ khơng đạt mức điều chế cao theo thứ tự giảm dần độ lợi công suất kênh truyền Thuật toán tổng kết sau: • Bước 1: Tính tốn giá trị khởi đầu (3.43) • Bước 2: Tìm giá trị Mi tối đa sử dụng cho ràng buộc BER γi = hi Pi σ2 f (γ i , M i ) ≤ BER T ⇒ Mi (3.52) • Bước 3: Tìm giá trị SNR cần thiết cho Mi f ( Γi , M i ) = GVHD: TS.Hồ Văn Khương BER T ⇒ Γi (3.53) 72 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học • Bước 4: Tính tốn mức cơng suất cần thiết cho sóng mang i đó: Pi = Γi σ2 (3.54) hi • Bước 5: Tính tốn cơng suất dư thừa N Pres = − ∑ Pi (3.55) i =1 • Bước 6: Xem xét sóng mang i từ đến N theo thứ tự tăng dần Nếu Mi