Kỹ thuật mimo wavelet ofdm trong truyền thông không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG LÊ KHOA KỸ THUẬT MIMO-WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ Tp Hồ Chí Minh – Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG LÊ KHOA KỸ THUẬT MIMO-WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY Chun ngành: Vật lý Vơ tuyến Điện tử Mã số chuyên ngành: 62 44 03 01 Phản biện 1: PGS.TS Phạm Hồng Liên Phản biện 2: TS Hà Hoàng Kha Phản biện 3: TS Hồ Văn Cừu Phản biện độc lập 1: TS Hà Hoàng Kha Phản biện độc lập 2: TS Phạm Ngọc Sơn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS NGUYỄN HỮU PHƯƠNG GS TS HIROSHI OCHI TP Hồ Chí Minh – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ “Kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM truyền thơng khơng dây” cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hữu Phương hướng dẫn phụ GS TS Hiroshi Ochi Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Người cam đoan Đặng Lê Khoa LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Em xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG TPHCM dạy dỗ có góp ý quý báu trình thực đề tài Em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hữu Phương tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để Em hoàn thành luận án Em xin cảm ơn quan tâm GS TS Hiroshi Ochi định hướng nghiên cứu nhiều dẫn bổ ích q trình thực luận án Tơi xin cảm ơn Vợ, con, gia đình mang đến niềm tin động lực để vượt qua khó khăn Tôi xin cảm ơn bạn đồng nghiệp cộng nghiên cứu Khoa có góp ý tích cực nhằm hồn thiện đề tài Nghiên cứu sinh Đặng Lê Khoa MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xix DANH MỤC CÁC BẢNG xxiii TÓM TẮT CHƯƠNG 1.1 MỞ ĐẦU KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ MỚI 1.1.1 Các ứng dụng phổ biến kỹ thuật MIMO-OFDM 1.1.2 Tiềm ứng dụng kỹ thuật MIMO-OFDM truyền thông hệ 1.2 MỘT SỐ THỬ THÁCH SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ MỚI 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 1.5 KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ OFDM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA XÉN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN KHÔNG KHÔNG DÂY 11 2.1 GIỚI THIỆU 11 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT OFDM 12 2.2.1 Nguyên lý phát hệ thống OFDM 12 2.2.2 Nguyên lý thu hệ thống OFDM 15 2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM TRÊN PHẦN CỨNG 16 Trang i 2.3.1 Mơ hình hệ thống OFDM phần cứng 16 2.3.2 Thiết kế đầu phát OFDM phần cứng 17 2.3.3 Thiết kế kênh truyền cân kênh 18 2.3.4 Thiết kế đầu thu OFDM phần cứng 18 2.4 KỸ THUẬT TỰ ĐỒNG BỘ MỚI TRONG HỆ THỐNG OFDM 19 2.5 MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM 20 2.5.1 Vấn đề PAPR 20 2.5.2 Xén tín hiệu hệ thống OFDM 22 2.5.3 Thuật toán PTS 22 2.5.4 Thuật toán SLM 25 2.6 TỈ LỆ LỖI BIT CỦA TÍN HIỆU OFDM BỊ XÉN TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 26 2.6.1 Ảnh hưởng xén tín hiệu hệ thống OFDM 26 2.6.2 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh 28 2.6.3 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rician 31 2.7 KẾT QUẢ 33 2.7.1 Kết thiết kế hệ thống OFDM phần cứng 33 2.7.2 Kỹ thuật tự đồng cho hệ thống OFDM 34 2.7.3 Hiệu phương pháp giảm PAPR 36 2.7.4 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén truyền thông không dây 38 2.8 KẾT LUẬN 41 CHƯƠNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 43 3.1 GIỚI THIỆU 43 3.2 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 44 3.2.1 Kênh truyền không dây quang 44 3.2.2 Mơ hình hệ thống khơng dây quang sử dụng kỹ thuật OFDM 47 Trang ii 3.2.3 Kỹ thuật DCO-OFDM truyền thông không dây quang 50 3.2.4 Kỹ thuật ACO-OFDM truyền thông không dây quang 52 3.3 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG QUA KÊNH TRUYỀN PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN 55 3.3.1 Hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán 55 3.3.2 Hệ thống ACO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán 61 3.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 66 3.4.1 Kênh truyền không dây quang 66 3.4.2 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống DCO-OFDM 69 3.4.3 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống ACO-OFDM 72 3.5 KẾT LUẬN 75 CHƯƠNG KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 76 4.1 GIỚI THIỆU 76 4.2 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 77 4.2.1 Dung lượng hệ thống MIMO 77 4.2.2 Kênh truyền MIMO không dây quang 77 4.2.3 Giảm số phép tính tốn cho kênh truyền MIMO khơng dây quang 79 4.2.4 Mơ hình hệ thống MIMO OFDM không dây quang 82 4.3 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM KHÔNG DÂY QUANG 84 4.3.1 Hệ thống MIMO-OFDM khơng dây quang sử dụng thuật tốn ZF 84 4.3.2 Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng thuật toán MMSE 87 4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 89 4.4.1 Kênh truyền MIMO không dây quang 89 4.4.2 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM khơng dây quang sử dụng thuật tốn ZF 92 Trang iii 4.4.3 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM sử dụng thuật toán MMSE 96 4.5 KẾT LUẬN 99 CHƯƠNG KỸ THUẬT MIMO-WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 101 5.1 GIỚI THIỆU 101 5.2 KỸ THUẬT MIMO-WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 102 5.2.1 Kỹ thuật wavelet OFDM 102 5.2.2 Kỹ thuật wavelet gói OFDM 104 5.2.3 Kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây quang 107 5.3 GIẢM ĐỘ PHỨC TẠP CHO HỆ THỐNG WAVELET OFDM SỬ DỤNG HÀM HAAR 108 5.3.1 Nguyên lý biến đổi wavelet sử dụng hàm Haar 108 5.3.2 Hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar 109 5.3.3 Giảm độ phức tạp cho hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar 110 5.4 KẾT QUẢ 115 5.4.1 So sánh chất lượng hệ thống OFDM wavelet OFDM bị xén 115 5.4.2 Hệ thống MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây quang 117 5.4.3 Độ phức tạp IFFT/FFT IDWT/DWT 120 5.5 KẾT LUẬN 122 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 123 6.1 KẾT LUẬN 123 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 Trang iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU (.)* phức liên hợp biên độ phép chuẩn , E  phép lấy trung bình  tích Kronecker arg . trả vị trí mà hàm đạt cực tiểu d (.) phép lấy đạo hàm erfc . hàm bù lỗi (.) phần ảo giá trị phức max (.) lấy giá trị cực đại (.) phần thực giá trị phức xy (.) hệ số tương quan x y VAR(.) phương sai A ngưỡng xén tín hiệu ACO Abot ngưỡng xén tín hiệu ACO-OFDM DCO Abot ngưỡng xén tín hiệu DCO-OFDM ACO Atop ngưỡng xén tín hiệu ACO-OFDM DCO Atop ngưỡng xét tín hiệu DCO-OFDM AR diện tích đầu thu a số chạy cho sóng mang thứ a a07 biến tạm tính biến đổi wavelet đầu phát a 07 biến tạm tính biến đổi wavelet đầu thu B băng thông hệ thống BER tỉ lệ lỗi bit BERAWGN BER qua kênh truyền Gaussian Trang v BERACO BER hệ thống ACO-OFDM M QAM BER hệ thống ACO-OFDM với điều biến M-QAM BERACO QPSK BER hệ thống ACO-OFDM với điều biến QPSK BERACO BERDCO BER hệ thống DCO-OFDM QPSK BER hệ thống DCO-OFDM với điều biến QPSK BERDCO BERRayleigh BER qua kênh truyền Rayleigh QPSK BERRayleigh BER qua kênh truyền Rayleigh với điều biến QPSK BERRician BER qua kênh truyền Rician QPSK BER qua kênh truyền Rician với điều biến QPSK BERRician b số chạy sóng mang thứ b bi yếu xoay pha nhóm thứ i C dung lượng hệ thống CD số phép tính đáp ứng xung kênh truyền CDMIMO số phép tính đáp ứng xung kênh truyền MIMO CLMIMO số phép tính đáp ứng xung kênh truyền MIMO phương pháp giảm số phép toán c vận tốc ánh sáng c ( n) phần bị xén CCDF hàm phân bố tích lũy bù D chuỗi liệu đầu vào c công suất méo dạng xén ACO c công suất méo dạng xén hệ thống ACO-OFDM DCO c công suất méo dạng xén hệ thống DCO-OFDM Dl liệu khung thứ l đầu phát ˆ D l liệu khung thứ l đầu thu Dl ,k liệu khung thứ l sóng mang thứ k đầu phát Trang vi ... thống không dây quang sử dụng kỹ thuật OFDM 47 Trang ii 3.2.3 Kỹ thuật DCO -OFDM truyền thông không dây quang 50 3.2.4 Kỹ thuật ACO -OFDM truyền thông không dây quang 52 3.3 KỸ THUẬT OFDM TRONG. .. CHƯƠNG KỸ THUẬT MIMO- WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 101 5.1 GIỚI THIỆU 101 5.2 KỸ THUẬT MIMO- WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 102 5.2.1 Kỹ thuật. .. CHƯƠNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 43 3.1 GIỚI THIỆU 43 3.2 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG 44 3.2.1 Kênh truyền không dây