(Đồ án tốt nghiệp) áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot trên hệ thống OFDM trong môi trường fading

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP UỚC LUỢNG KÊNH DÙNG TÍN HIỆU PILOT TRÊN HỆ THỐNG OFDM TRONG MƠI TRUỜNG FADING GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: HUỲNH HOÀNG NAM MSSV: 12141342 SKL004630 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH DÙNG TÍN HIỆU PILOT TRÊN HỆ THỐNG OFDM TRONG MÔI TRƯỜNG FADING SVTH: HUỲNH HỒNG NAM MSSV: 12141342 Khố: 2012 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày……tháng… năm…… NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Hoàng Nam MSSV:12141342 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông Lớp: 12141CLVT Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên ĐT: 093 979 21 24 Ngày nhận đề tài: 03/2016 Ngày nộp đề tài: 23/07/2016 Tên đề tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot hệ thống OFDM môi trường Fading Nội dung thực đề tài: Mô hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot mơi trường trung Fading Sản phẩm: Mô hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng kênh dựa vào tín hiệu pilot môi trường kênh truyền bị fading phần mềm Matlab TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN MSSV: 12141342 Họ tên sinh viên: Huỳnh Hồng Nam Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thơng Tên đề tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot hệ thống OFDM môi trường Fading Họ tên giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp.Hồ Chí Minh, ngày…… tháng… năm… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Huỳnh Hoàng Nam MSSV: 12141342 Ngành: CNKT Điện Tử, Truyền Thông Tên đề tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot hệ thống OFDM môi trường Fading Họ tên giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…….tháng…….năm…… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình học ngành Điện Tử Viễn Thơng thuộc khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, em thực đề tài “ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH DỰA VÀO TÍN HIỆU PILOT TRÊN HỆ THỒNG OFDM TRONG MƠI TRƯỜNG FADING” Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Cô PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN, người trực tiếp hướng dẫn em thực đề tài Trong q trình thực đề tài, Cơ tận tình bảo, theo dõi hỗ trợ em để em hồn thành tốt đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy/Cô khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao trường hỗ trợ, tận tình dạy em suốt thời gian em theo học trường, cung cấp cho em kiến thức để em thực đề tài Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, nhà trường bạn bè tạo điều kiện, hỗ trợ, động viên em suốt trình học làm đề tài tốt nghiệp Tuy nhiên, kiến thức em hạn chế nên chắn cịn thiếu sót đề tài Rất mong nhận góp ý q Thầy/Cơ, bạn bè để em hồn thiện Xin trân trọng cảm ơn Người thực đề tài Huỳnh Hoàng Nam iv TÓM TẮT Ngày yêu cầu truyền thơng khơng dây ngày phát triển mạnh, địi hỏi kỹ thuật điều chế khắt khe để cung cấp tốc độ truyền liệu cao Đặc biệt ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao truyền thông đa phương tiện không dây, truy cập Internet không dây hay hệ thiết bị tương lai… Vì kỹ thuật OFDM đời kỹ thuật hứa hẹn giải yêu cầu Lợi ích OFDM thực thi đơn giản hạn chế ảnh hưởng kênh truyền chọn lọc tần số Ngoài vấn đề phải đối mặt hệ thống truyền thông không dây ảnh hưởng kênh truyền vô tuyến Để giải vấn đề thông thường người ta sử dụng ước lượng kênh truyền Mà phương pháp truyền thống cho ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi liệu biết trước (tín hiệu pilot) để xác định hàm truyền kênh truyền Kỹ thuật hiệu để loại bỏ ảnh hưởng kênh truyền Đồ án thực ứng dụng phương pháp ước lượng kênh dựa vào tín hiệu pilot với giải thuật LS hệ thống OFDM môi trường kênh truyền fading v ABSTRACT Recently, increasing interest has been concentrated on modulation techniques that provide high data rates over broadband wireless channels for applications, including wireless multimedia, wireless Internet access, and future-generation mobile communication systems Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising digital modulation scheme to simplify the equalization in frequency selective channels The main benefit is that it simplifies implementation, and it is against the frequency-selective fading channels Thus, OFDM systems can provided high-performance transmission Moreover, one of the main problems faced in wireless communications is the influence of radio channels To resolve common problems people will use the estimated channels That traditional methods for estimating channels using sequence data are known in advance (pilot signal) to determine the channel transfer function That technique is very effective to eliminate the influence of channels This thesis is focused on working out a equalizer based on LS algoritm for OFDM system in fading channel Key words: OFDM, channel estimation with pilot signal, LS algorithm,Fading vi mức điều chế thấp so với điều chế PSK với mức tương ứng Ở phương pháp điều chế tỉ lệ lỗi bit tỷ lệ thuận với mức điều chế - mức điều chế tăng tỉ lệ lỗi bit cao  So sánh BER ước lượng LS sử dụng hàm nội suy khác nhau: S BER 10 -4 10 Hình 4.4 So sánh BER với hàm nội suy khác Hình 4.4 kết mô so sánh tỉ lệ lỗi bit hai phương pháp ánh xạ điều chế khác điều chế biên độ pha QAM điều chế pha PSK, với mức điều chế 16 sử dụng hàm nội suy khác việc ước lượng kênh truyền Mô với vận tốc thiết bị v = 5km/h điều kiện LOS Kết mô cho thấy tỉ lệ lỗi bit sử dụng hàm nội suy tuyến tính thấp nhất, hàm nội suy bậc cao hàm nội suy spline cubic Tỷ lệ lỗi bit chịu ảnh hưởng nhiều phương pháp điều chế, ta thấy dùng hàm nội suy tuyến tính với phương pháp điều chế PSK tỉ lệ lỗi bit cao so với dùng hàm nội suy spline cubic sử dụng điều chế QAM 46  So sánh BER ước lượng LS môi trường Single Path (LoS) với vận tốc khác nhau: Bảng 4.6 Kết BER ước lượng LS môi trường Single Path (LoS) với vận tốc khác SNR(dB) V(km/h) 20 60 100 SO sanh BER moi truong Single Path voi cac v 10 -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 Hình 4.5 So sánh BER với vận tốc khác điều kiện LOS Hình 4.5 kết mơ so sánh tỉ lệ lỗi bit với trường hợp vận tốc thiết bị di chuyển khác Mô sử dụng điều chế 4QAM với hàm nội suy tuyến tính điều kiện LOS Kết mô cho thấy tỉ lệ lỗi bit tăng 47 vận tốc di chuyển thiết bị tăng Điều giải thích hiệu ứng Doppler  So sánh BER ước lượng LS môi trường khác nhau: Bảng 4.7 Kết BER ước lượng LS môi trường khác SNR(dB) Môi trường Single Path Indoor Pedestrian Vehicular SO SANH BER TRONG CAC MOI TRUONG KHAC NHAU 10 BER 10 -1 10-2 10 -4 Hình 4.6 So sánh BER với môi trường khác Hình 4.6 kết mơ so sánh tỉ lệ lỗi bit môi trường kênh truyền khác sử phương pháp ánh xạ điều chế điều chế biên độ pha QAM, với mức điều chế Mô với vận tốc thiết bị v = 1km/h sử dụng hàm nội suy tuyến tính Kết mô cho thấy tỉ lệ lỗi bit truyền với đường truyền LOS cho 48 BER thấp nhất, BER cao truyền môi trường Indoor cao truyền môi trường Vehicular Điều ảnh hưởng mặt độ trễ độ lợi công suất suất môi trường khác nhau, mơi trường Indoor bị ảnh hưởng thông số so với môi trường Pedestrian nhiều môi trường Vehicular 49 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Chương kết luận luận văn đề hướng phát triển đề tài 5.1 Kết luận Với luận văn “Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot hệ thống OFDM môi trường Fading” em thực số vấn đề như: Tìm hiểu loại mơ hình kênh truyền vơ tuyến ảnh hưởng đến kênh truyền - Tìm hiểu kỹ thuật điều chế OFDM - Tìm hiểu phương pháp ước lượng kênh dùng pilot Áp dụng phương pháp ước lượng tìm hiểu vào mô Matlab với điều kiện môi trường khác từ thấy ảnh hưởng môi trường kênh truyền vô tuyến Tuy thực vấn đề hạn chế kiến thức thời gian thực nên chắn đề tài nhiều thiếu sót chưa đánh giá cách cụ thể chất lượng phương pháp,… 5.2 Hướng phát triển đề tài Đề tài thực số phương pháp ước lượng kênh truyền đơn giản nên chưa cho thấy nhìn tổng quát phương pháp ước lượng kênh Tuy nhiên, với tìm hiểu đề tài tạo tảng giúp em thực nghiên cứu sâu giúp hiểu ước lượng kênh truyền Em thực nghiên cứu theo hướng như: - Ước lượng kênh với giải thuật tốt - Tiến hành mã hoá kênh để làm giảm tỷ lệ lỗi bit - Áp dụng mô phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot khác MMSE, ML,… - Áp dụng phương pháp ước lượng kênh truyền vào hệ thống MIMO OFDM 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Ngọc Khoa , Phạm Hồng Liên, Trần Thanh Phương (2006), MATLAB ứng dụng viễn thông, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM Tiếng Anh [2] Coleri, S., Ergen, M., Puri, A and Bahai (2002), Channel estimation techniques based on pilot arrangement in OFDM systems, IEEE Transactions on Broadcasting.Volume 48, No 03, [Pg 769-770] [3] Mohammad Ali, Rehan Elahi, Ali Saljuk, Sheheryar Bukhari (2008), Channel Estimation of MIMO OFDM Systems [4] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung-Gu Kang (2010), MIMO – OFDM Wireless Communications with MALAB.[Pg 187-190] [5] Raj Jain (2007), Channel Models A Tutorial [6] ITU-R Recommendation M.1225 (1997), Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000.[Pg 28] [7] Yushi Shen, Ed Martinez (2006), Channel Estimation in OFDM Systems, [Pg.7-9] [8] Ramjee Prasad (2004), OFDM for wireless communications system, Chapter 1, Universal personal communications [9] R van Nee and R Prasad (2000), OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House 51 PHỤ LỤC  Hàm transmit function [base_ofdm,data_Map,numMap,data_pilot_comb] = transmitLS(bits,Tye_map,M_map,numcarr,Pilot_Distance,NFFT,G) [data_Map,numMap] = Map_Data(bits,Tye_map,M_map); len=length(data_Map); Np = ceil(numcarr/Pilot_Distance); numcarr_total = numcarr; numcarr = numcarr - Np; r = rem(len,numcarr); if r ~= for i = 1:numcarr-r data_Map(len+i) = 0; end end len=length(data_Map); num_OFDM=len/numcarr; data_pattern=[]; for i=0:num_OFDM-1 Map_tem=[]; for n=1:numcarr Map_tem=[Map_tem,data_Map(i*numcarr+n)]; end data_pattern=[data_pattern;Map_tem]; clear QAM_tem; end  Hàm receiver function [bits_output] = receiveLS(data_channel,numcarr,NFFT,G,numQAM,data_pilot_comb,Pilot_Distance ,algorithm,Tye_map,M_map) num_OFDM = length(data_channel)/(NFFT+G); base_ofdm = reshape(data_channel,NFFT+G,num_OFDM); base_ofdm = conj(base_ofdm'); receiver_data = []; for i=1:num_OFDM Demodulated_signal = OFDM_Demodulator(base_ofdm(i,:),NFFT,G,numcarr); [data_MAP,pilot_receiver] = Extractor_pilot_comb(Demodulated_signal,numcarr,Pilot_Distance); 52 H_pilot = pilot_receiver./data_pilot_comb if(algorithm==1) %Ham noi suy tuyen tinh H_estimated = interpolation_linear(H_pilot,numcarr,Pilot_Distance) ; elseif(algorithm==2) % Ham noi suy bac H_estimated = interpolation_secondorder(H_pilot,numcarr,Pilot_Distance); elseif(algorithm==3) % Ham noi suy lowpass H_estimated = interpolation_lowpass(H_pilot,numcarr,Pilot_Distance); elseif(algorithm==4) % Ham noi suy spline cubic H_estimated = interpolation_spline(H_pilot,numcarr,Pilot_Distance); end receiver_OFDM = Demodulated_signal./H_estimated; [receiver_OFDM,pilot_receiver] = Extractor_pilot_comb(receiver_OFDM,numcarr,Pilot_Distance) ; receiver_data = [receiver_data;receiver_OFDM]; end y=conj(receiver_data'); y=reshape(y,size(y,1)*size(y,2),1); receiver_QAM=y(1:numQAM); bits_output = Demap_Data(receiver_QAM,Tye_map,M_map); clear y receiver_QAM;  Hàm Mod_OFDM function [y]=OFDM_Modulator(data,NFFT,G,numcarr); x=zeros(1,NFFT); for i=1:numcarr x(1,i+NFFT/2-numcarr/2)=data(1,i); end a=ifft(x); y=[a(NFFT-G+1:NFFT),a]; clear data x a  Hàm Demod_OFDM function [y]=OFDM_Demodulator(data,NFFT,G,numcarr); x_remove_guard_interval=[data(G+1:NFFT+G)]; x=fft(x_remove_guard_interval); for i=1:numcarr y(i)=x(1,i+NFFT/2-numcarr/2); end clear data x_remove_guard_interval x;  Hàm Insert Pilot 53 function [IPS,data_pilot_comb] = Insert_Pilot_comb(QAM_symbol,numcarr,Np,num_ofdm,Tye_map,M_map,Pilot_Distan ce) L = log2(M_map); source_pilot = randi([0 1],1,Np*L); [Map_pilot,~] = Map_Data(source_pilot,Tye_map,M_map); data_pilot _comb = Map_pilot.'; IPS = []; for i = 1:num_ofdm TS2_BeforeIFFT = []; m=1; n=1; for k = 0:numcarr-1 if (mod(k, Pilot_Distance)==0) TS2_BeforeIFFT = [TS2_BeforeIFFT, data_pilot_comb(m)]; m=m+1; else TS2_BeforeIFFT = [TS2_BeforeIFFT,QAM_symbol(i,n)]; n=n+1; end; end; IPS = [IPS;TS2_BeforeIFFT]; end clear QAM_symbol source_pilot QAM_pilot num_ofdm TS2_BeforeIFFT;  Hàm Extract Pilot function [data_QAM,pilot_estimated] = Extractor_pilot_comb(data _afterFFT,numcarr,Pilot_Distance) pilot_estimated = []; data_QAM = []; for i = 0:numcarr-1 if (mod(i, Pilot_Distance)==0) pilot_estimated = [pilot_estimated,data_afterFFT(i+1)]; else data_QAM = [data_QAM,data_afterFFT(i+1)]; end end clear data_afterFFT;  Hàm channel function [outsignal] = channel(rs,snr,v,B,fc,delay_vector,gain_vector) if(v>=0) %kenh truyen co da duong c=3e8; v=v*10^3/3600; %doi km/h m/s f_dmax=v*fc/c; %tan so dich Doppler max chan = rayleighchan(1/B,f_dmax,delay_vector,gain_vector); outsignal = filter(chan,rs); else 54 outsignal = rs; end outsignal = awgn(outsignal,snr,'measured','dB'); clear rs; clear delay_vector gain_vector; clear c v f_dmax;  Hàm Map function [Data_map,Num_map] = Map_Data(bits,tye_map,level) L = log2(level); len = length(bits); n = rem(len,L); if n ~= re = zeros(1,L-n); bits = [bits,re]; end len = length(bits); k = len/L; Num_map = k; data = reshape(bits,L,k); data = data'; symbols = bi2de(data,'left-msb'); if tye_map == Tx = modem.qammod(level); elseif tye_map == Tx = modem.pskmod(level); end Data_map = modulate(Tx,symbols); clear bits data symbols; end  Hàm Demap function [bits_out] = Demap_Data(code_Map,tye_map,level) if tye_map == Rx = modem.qamdemod(level); elseif tye_map == Rx = modem.pskdemod(level); end symbols = demodulate(Rx,code_Map); data = de2bi(symbols,log2(level),'left-msb'); data = data'; s = size(data); m = s(1)*s(2); data = reshape(data,1,m); 55 len = length(data); n = rem(len,log2(level)); bits = zeros(1,len-n); for k=1:(len-n) bits(k)=data(k); end bits_out = bits; clear bits data symbols; end 56 ... tài: Áp dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot hệ thống OFDM môi trường Fading Nội dung thực đề tài: Mô hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot môi trường. .. giao OFDM Các phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot Áp dụng phương pháp ước lượng kênh truyền dùng tín hiệu pilot dạng lược dùng giải thuật LS vào hệ thống OFDM với môi trường. .. Các phương pháp ước lượng kênh truyền cho dạng xếp tín hiệu pilot 3.1 Cấu trúc tín hiệu pilot Trong phương pháp ước lượng dùng tín hiệu pilot, kênh truyền ước lượng cách gửi tín hiệu pilot mà tín