Kỹ thuật MIMO và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Công Phương KỸ THUẬT MIMO VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Quang Hiếu Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Đặng Quang Hiếu Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa công bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Nguyễn Cơng Phương LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đặng Quang Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Với lời dẫn, tài liệu, tận tình hướng dẫn lời động viên cô giúp tơi vượt qua nhiều khó khăn q trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý thầy, giảng dạy chương trình cao học thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền dạy cho kiến thức quý báu, kiến thức hữu ích giúp tơi nhiều thực nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Công Phương THUẬT NGỮ VIẾT TẮT MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG 1.1 Một số vấn đề truyền tin môi trường vô tuyến 1.1.1 Méo biên độ 1.1.1.1 Mơ hình fading Rayleigh 1.1.1.2 Mô hình fading Rician 1.1.1.3 Thống kê fading 1.1.2 Suy hao đường truyền 1.1.3 Trải trễ tượng đa đường 1.1.4 Tạp âm trắng Gauss 1.1.5 Hiện tượng Doppler 1.2 Các mơ hình hệ thống thông tin không dây 1.2.1 Hệ thống SISO 1.2.2 Hệ thống MISO 10 1.2.3 Hệ thống SIMO 10 1.2.4 Hệ thống MIMO 11 1.3 Kết luận chương 11 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MIMO 13 2.1 Giới thiệu 13 2.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 13 2.1.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật MIMO 14 2.2 Sơ lược phân tập 14 2.2.1 Phân tập thời gian 15 2.2.2 Phân tập tần số 16 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2.2.3 Phân tập không gian 16 2.2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập 17 2.2.4.1 Bộ tổ hợp theo kiểu quét lựa chọn (SC) 17 2.2.4.2 Bộ tổ hợp độ lợi (EGC) 18 2.2.4.3 Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa (MRC) 18 2.3 Mã hóa không gian-thời gian 21 2.3.1 Mã khối không gian thời gian STBC 21 2.3.2 Mã lưới không gian thời gian STTC 24 2.4 Mô hình hệ thống MIMO 26 2.4.1 Mơ hình Alamouti 30 2.4.2 Mơ hình V-BLAST 37 2.5 Kết luận chương 50 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OFDM 51 3.1 Giới thiệu 51 3.2 Khái niệm chung 52 3.2.1 Hệ thống đơn sóng mang 52 3.2.2 Hệ thống đa sóng mang 52 3.2.3 Tín hiệu trực giao 53 3.3 Sơ đồ hệ thống OFDM băng sở 55 3.4 Cơ sở toán học 56 3.4.1 Trực giao 56 3.4.2 IFFT/FFT 56 3.5 Các kỹ thuật OFDM 57 3.5.1 Sơ đồ điều chế/giải điều chế 57 3.5.2 Mã hóa kênh 58 3.5.3 Sắp xếp 59 3.5.4 Kỹ thuật IFFT/FFT OFDM 60 3.5.5 Tiền tố lặp CP 62 3.5.6 Ước lượng kênh 64 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3.5.6.1 Khái niệm 64 3.5.6.2 Ước lượng kênh miền tần số 66 3.5.6.3 Ước lượng kênh miền thời gian 66 3.7 Kết luận chương 68 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MIMO 69 4.1 Giới thiệu 69 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 70 4.2.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM 70 4.2.2 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 73 4.2.3 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 77 4.3 Kết luận chương 81 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A AMPS Advance Mobile Phone Service AWGN Addition White Gaussian Noise B BER Bit Error Rate BLAST Bell labs Layered Space Time C CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix CNR Carrier Noise Rate CSI Channel State Information D DFT Discrete Fourier Transform E EGC Equal Gain Combiner F FDMA Frequency Division Multiple Access FEC Forward Error Correcting FFT Fast Fourier Transform G GSM Global System For Mobile Communication I IS-95 Interim Standard 95 IS-136 Interim Standard 136 ISI InterSymbol Interference ITU International Telecom Union IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ICI InterChannel Interference M MS Mobile Station MIMO Multi Input Multi Output MMSE Minimum Mean Square Error MRC Maximum Ratio Combiner ML Maximum Likelihood N NMT450 Nordic Mobile Telephone 450 NTT Nipon Telegraph and Telephone O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P PDC Personal Digital Cell PSK Phase Shift Keying PAPR Peak to Average Power Ratio PSAM Pilot Signal Assisted Modulation PLL Phase Lock Loop pdf Power Density Function Q QAM Quadrature Amplitude Modulation R RS Reed-Solomon code S SC Selection Combiner STC Space Time Coding STBC Space Time Block Coding STTC Space Time Trellis Coding SNR Signal to Noise Ratio THUẬT NGỮ VIẾT TẮT T TACS Total Access Communication System TDMA Time Division Multiple Access TC Turbo convolutional code W WCDMA Wideband CDMA WIFI Wireless Fidelity WIMAX World Interoperability Microwave Access DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh Hình 1.2: Hàm pdf Rician với giá trị khác K Hình 1.3: Mơ hình tượng Doppler Hình 2.1: Tổng quan hệ thống MIMO 13 Hình 2.2: Mơ hình phân tập không gian 16 Hình 2.3: Mơ hình tổ hợp kiểu lựa chọn 17 Hình 2.4: Bộ tổ hợp kiểu quét 18 Hình 2.5: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại 19 Hình 2.6: Phương pháp tỉ số cực đại với 1Tx 2Rx 20 Hình 2.7: Mơ hình hệ thống băng gốc 22 Hình 2.8: Ma trận mã STBC 23 Hình 2.9: Sơ đồ mã lưới 24 Hình 2.10: Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = n = 25 Hình 2.11: Lưới mã sơ đồ trạng thái với k = 1, K = n = 25 Hình 2.12 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành kênh truyền 28 song song 28 Hình 2.13: Mơ hình phân tập NT >NR 28 Hình 2.14: Mơ hình phân tập NT