Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN Người thực : Lớp : Người hướng dẫn : Đà Nẵng - 2012 LỜI CAM ĐOAN Em tên : Lớp : Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Đề tài tốt nghiệp em “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền” Nội dung đồ án tham khảo rút từ tài liệu tham khảo liệt kê cuối đồ án Em xin cam đoan nội dung chép đồ án cơng trình có từ trước Đà Nẵng, ngày 20 tháng năm 2012 Sinh viên thực Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng năm gần thúc đẩy phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến Trong đó, phải kể đến cơng nghệ MIMO – OFDM, anten thông minh… giúp nâng cao chất lượng hệ thống Đặc biệt kỹ thuật phân tập anten ứng dụng công nghệ OFDM sử dụng rộng rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng fading đa đường cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà khơng phải tăng công suất phát mở rộng băng thông Các kỹ thuật phân tập phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần số phân tập không gian Trong phân tập khơng gian sử dụng phổ biển Phân tập khơng gian cịn gọi phân tập anten Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten nơi phát nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm loại: phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp thu phát Cùng với kỹ thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền sử dụng để bên thu xác định thơng tin truyền từ bên phát Trong trình tìm hiểu, em chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền” Đây giải pháp kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vơ tuyến, đồng thời thực mơ hình hóa tiến hành mô xác suất lỗi bit (BER) Nội dung đồ án gồm chương, chương lý thuyết chương thực mô chất lượng hệ thống phần mềm Matlab Chương : Tổng quan hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM Hệ thống 4G xem tảng hội tụ, cung cấp ưu điểm rõ ràng vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn công suất tiêu thụ Với việc sử dụng cơng nghệ tiên tiến có cơng nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM giúp cho hệ thống 4G đạt tính ưu việt Nội dung chương phân tích mơ hình hệ thống OFDM ưu điểm, nhược điểm… công nghệ mang lại cho hệ thống 4G Trang Lời mở đầu Chương : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM Đặc tính kênh truyền vơ tuyến có tầm quan trọng lớn, chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn Nội dung chương trình bày đặc tính chung kênh truyền tín hiệu OFDM, tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu đặc biệt tượng fading đa đường nhiễu trắng AWGN Bên cạnh cịn trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sai khác hàm truyền kênh phát so với kênh thu Chương : Các kỹ thuật phân tập Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, kỹ thuật phân tập sử dụng hệ thống 4G Phân tập thu gồm kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC giúp bên thu chọn lọc kết hợp tín hiệu anten thu nhằm tái tạo tín hiệu phát tốt Ngồi ra, chương cịn trình bày kỹ thuật phân tập phát mã hóa khơng gian-thời gian với mơ hình Alamouti, nhờ mà chất lượng hệ thống cải thiện, mang lại hiệu kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone Chương : Mô đánh giá chất lượng hệ thống 4G Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực mô đánh giá chất lượng hệ thống 4G thơng qua việc truyền nhận tín hiệu vô tuyến sở sử dụng công nghệ OFDM kết hợp kỹ thuật phân tập ước lượng kênh truyền Qua đó, đánh giá kết mơ đối chiếu với lý thuyết trình bày Tuy nhiên, đề tài phức tạp, điều kiện thời gian kiến thức hạn hẹp nên phần trình bày đồ án em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý thầy Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông giảng dạy em suốt thời gian qua đặc biệt cảm ơn ThS Dư Quang Bình tận tình hướng dẫn cho em hồn thành đề tài Đà Nẵng, ngày 20 tháng năm 2012 Sinh viên thực Trang Các từ viết tắt CÁC TỪ VIẾT TẮT A AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng AM Amplified Modulation Điều biên A/D Analog/ Digital Bộ chuyển đổi tương tự/ số B BER BPSK Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi Binary Phase Shift Keying Điều chế pha mức Cyclic Prefix Tiền tố lặp C CP D DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh D/A Digital/ Analog Bộ chuyển đổi số/ tương tự Equal Gain Combining Kết hợp cân độ lợi Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh E EGC F FFT G GI Guard Interval Chuổi bảo vệ I ICI Inter-carrier interference Nhiễu liên sóng mang IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược ISI Inter-symbol interference Nhiễu biểu tượng IMD Inter Modulation Distortion Nhiễu liên điều chế MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại M O Trang Các từ viết tắt OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia division mutiplex theo tần số trực giao P P/S PAPR Parallel to Serial Peak to Average Power Ratio C/đ song song sang nối tiếp Tỷ lệ công suất đỉnh trung bình PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Q QAM Modulaion Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK S/P Serial to Parallel C/Đ nối tiếp sang song song SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm STBC Space time coding Mã hóa khơng gian thời gian SC Selection Combining Kết hợp lựa chọn QPSK S Trang Mục lục MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Tổng quan hệ thống 4G 1.3 Công nghệ OFDM 1.3.1 Tính trực giao OFDM 10 1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM 13 1.3.3 Mơ hình hệ thống OFDM 14 1.3.4 Chuyển đổi Serial/ Parallel Parallel/ Serial 14 1.3.5 Điều chế sóng mang 15 1.3.6 Bộ IFFT FFT 16 1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ 18 1.3.8 Bộ biến đổi D/A A/D 22 1.3.9 Ưu nhược điểm hệ thống OFDM 22 1.3.9.1 Ưu điểm 22 1.3.9.2 Nhược điểm 22 1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam 23 1.4 Kết luận chương 23 CHƯƠNG : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM 24 2.1 Giới thiệu chương 24 2.2 Đặc tính chung kênh truyền tín hiệu OFDM 24 2.3 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn 25 2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading 25 2.3.2 Hiệu ứng Doppler 28 2.3.3 Nhiễu trắng AWGN 29 2.3.4 Nhiễu ISI 31 Trang Mục lục 2.3.5 Nhiễu ICI 33 2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền 34 2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền 34 2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood 34 2.5 Kết luận chương 37 CHƯƠNG : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 38 3.1 Giới thiệu chương 38 3.2 Kỹ thuật phân tập thu 38 3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu 38 3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu 39 3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC 39 3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC 40 3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC 41 3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC 42 3.3 Kỹ thuật phân tập phát 43 3.3.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập phát 43 3.3.2 Một số đặc điểm kỹ thuật phân tập phát 43 3.3.3 Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa khơng gian- thời gian 44 3.3.3.1 Hệ thống mã hóa khơng gian- thời gian 44 3.3.3.2 Mơ hình hệ thống Alamouti 46 3.3.3.3 Mơ hình hệ thống Alamouti mở rộng anten phát anten thu 52 3.3.3.4 Mơ hình Alamouti mở rộng có anten phát M anten thu 55 3.4 Kết luận chương 58 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G 59 4.1 Giới thiệu chương 59 4.2 Mơ thuật tốn kỹ thuật phân tập thu anten 59 4.2.1 Thuật toán Threshold Combining 59 4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán 59 4.2.1.2 Kết mô 60 4.2.2 Thuật toán Selection Combining 62 Trang Mục lục 4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán 62 4.2.2.2 Kết mô 63 4.2.3 Thuật toán Equal Gain Combining 64 4.2.3.1 Lưu đồ thuật toán 64 4.2.3.2 Kết mô 65 4.2.4 Thuật toán Maximal Ratio Combining 66 4.2.4.1 Lưu đồ thuật toán 66 4.2.4.2 Kết mô 67 4.2.5 Mô so sánh chất lượng hệ thống 68 4.3 Mô thuật tốn mã hóa khối khơng gian – thời gian STBC 70 4.3.1 Mơ thuật tốn mã hóa khối không gian – thời gian STBC với đáp ứng kênh truyền hoàn hảo 70 4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán 70 4.3.1.2 Kết mô 71 4.3.2 Mơ thuật tốn mã hóa khối khơng gian – thời gian STBC có kết hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood) 72 4.3.2.1 Lưu đồ thuật toán 72 4.3.2.2 Kết mô 73 4.3.3 4.4 Mô hệ thống STBC thay đổi bậc điều chế MQAM 75 Mô so sánh chất lượng hệ thống sử dụng phương pháp phân tập thu phương pháp phân tập phát 76 4.5 Kết luận chương 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHẦN PHỤ LỤC Trang Chương Tổng quan hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Mặc dù mạng 3G có đủ tham số cần thiết nhằm cung cấp dịch vụ tiên tiến công nghệ khơng dây tương lai đặt nên móng cho hệ mới, mà gọi hệ thứ (4G) 4G định nghĩa tảng hội tụ, cung cấp ưu điểm rõ ràng vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ truyền dẫn công suất tiêu thụ Để hiểu rõ hơn, chương trình bày lý thúc đẩy đời tính đặc biệt hệ thống 4G Bên cạnh đó, nội dung chương cịn sâu phân tích cơng nghệ OFDM sử dụng hệ thống Đây công nghệ tiên tiến thực ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nó cho phép đảm bảo tính an tồn mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn liệu sử dụng hiệu dải tần cấp phát Nhờ tính ưu việt mà công nghệ OFDM trở thành công nghệ hàng đầu sử dụng hệ thống 4G 1.2 Tổng quan hệ thống 4G Các nhà cung cấp dịch vụ người dùng mong muốn hướng tới cơng nghệ khơng dây cung cấp nhiều loại hình dịch vụ với tính chất lượng cao Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế ( ITU) làm việc để hướng đến chuẩn cho mạng di động tế bào hệ thứ tư 4G Công nghệ cho phép thoại dựa IP, truyền số liệu đa phương tiện tương tác, internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, rõ ràng có vận tốc truyền tính di động tồn cầu cao Các tính khơng có hệ thống 3G Ngoài ra, vấn đề phổ tần thúc đẩy nghiên cứu 4G giới Vì phổ tần nguồn tài nguyên vô tuyến giới hạn cho công nghệ không dây Các công nghệ hứa hẹn cải thiện gấp 10 lần hiệu sử dụng phổ tần so với giải pháp tồn Phân tích cho thấy hệ thống 4G cho giá rẻ so với 3G đuợc xây dựng sở mạng có khơng chi phí chuyển đổi thiết bị Trang ... tài tốt nghiệp em “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền? ?? Nội dung đồ án tham khảo rút từ tài liệu tham khảo liệt kê cuối đồ án Em... truyền từ bên phát Trong trình tìm hiểu, em chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền? ?? Đây giải pháp kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải. .. người ta chia phân tập không gian làm loại: phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp thu phát Cùng với kỹ thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền sử dụng để bên thu