(Đồ án tốt nghiệp) tìm hiểu hệ thống MIMO và hệ thống MC CDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG TÌM HIỂU HỆ THỐNG MIMO VÀ HỆ THỐNG MC-CDMA GVHD: ThS TRƯƠNG NGỌC HÀ SVTH: PHẠM MINH TRỰC MSSV: 11141237 SKL005224 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HỆ THỐNG MIMO VÀ HỆ THỐNG MC-CDMA NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: PH ẠM MINH TRỰC MSSV: 11141237 Hướng dẫn: ThS TRƯƠNG NGỌC HÀ TP HỒ CHÍ MINH – 12/2015 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật nói chung thầy giáo khoa Điện – Điện Tử, môn Điện Tử - Viễn Thông nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Người thực đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Trương Ngọc Hà nhiệt tình hướng dẫn suốt thời gian thực đề tài, cung cấp kiến thức tảng để nhóm thực đề tài hoàn thành tốt đề tài theo kế hoạch Mặc dù hoàn thành kiến thức mơ phỏng, khả lập trình có hạn nên khơng tránh khỏi sai xót Nhóm thực đề tài mong phản hồi đóng góp thầy (cơ) bạn để đề tài thêm hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2015 Người thực Phạm Minh Trực ii TÓM TẮT Ngày nay, nhu cầu khách hàng tác động lớn đến đời, tồn phát triển cơng nghệ Có thể nói, có hai yếu tố từ nhu cầu người dùng tác động đến phát triển cơng nghệ đại Thứ nhất, gia tăng nhu cầu ứng dụng mạng không dây nhu cầu băng thông cao truy nhập internet Thứ hai, người dùng muốn công nghệ không dây đời cung cấp dịch vụ tiện ích theo cách tương tự mạng hữu tuyến, mạng khơng dây có mà họ dùng với thói quen họ Và hiển nhiên, nhu cầu chất lượng dịch vụ cung cấp tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống tài nguyên mạng nhanh ngun nhân đích hướng tới cơng nghệ MIMO đươc hình thành mạng 4G phát triển mạng 5G Trong hệ thống thông tin di động tương lai, việc truyền liệu tốc độ cao mơi trường có fading chọn lọc tần số yêu cầu khắc khe, đặc biệt đường xuống (downlink) Gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (OFDM) hứa hẹn kỹ thuật việc thực yêu cầu truyền liệu dung lượng tốc độ cao cho hiệu phổ hệ thống thông tin không dây (wireless) Sự kết hợp kỹ thuật đa sóng mang (multicarrier-MC) hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) gọi MC-CDMA Kỹ thuật MC-CDMA truyền kênh Rayleigh fading AWGN Trong MC-CDMA, nguồn liệu tốc độ cao chuyển thành luồng liệu tốc đô thấp với phổ rộng cách sử dụng chuỗi trực giao Walsh-Hadamard mã ngẫu nhiên iii LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG Vai trò ứng dụng công nghệ Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghi 1.2.1 1.2.2 Bố cục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VƠ TUYẾN Kênh truyền vơ tuyến 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 Hiện tượng Fading đặc tính 2.2.1 2.2.2 iv 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO Khái niệm MIMO 3.1.1 3.1.2 Các mơ hình hệ thống thông tin kh 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 Mã Hóa Khơng Gian-Thời Gian S 3.3.1 3.3.2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MC-CDMA Hệ thống Multicarrier CDMA 4.1.1 4.1.2 4.1.3 Các kỹ thuật dò tín hiệu ( Detectio Các phương pháp triệt nhiễu CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MƠ PHỎNG MIMO MÔ PHỎNG MC-CDMA SO SÁNH OFDM VÀ MC-CDMA CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 Nhận xét 55 Hướng phát triển 55 vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1Sơ đồ khối chức hệ thống truyền tin Hình 2.2: Hiện tượng truyền sóng đa đường Hình 2.3: Mơ hình hệ thống thông tin vô tuyến Hình 2.4: Hàm truyền đạt kênh Hình 2.5: Mật độ phổ tín hiệu thu 10 Hình 2.6: Kênh truyền chọn lọc tần số 11 Hình 2.7: Kênh truyền không chọn lọc tần số 12 Hình 2.8: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 15 Hình 2.9: Hàm mật độ xác suất phân bố Rician với giá trị K khác 16 Hình 2.10: Phân loại phân tập 17 Hình 2.11: Phân tập tần số 18 Hình 2.12: Phân tập thời gian 18 Hình 2.13: Các dạng phân tập 19 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống MIMO 23 Hình 3.2: Ma trận STBC 26 Hình 3.3: Sơ đồ mã hố Alamouti 27 Hình 3.4: Mã hóa Alamouti thực tế 27 Hình 4.1 Sơ đồ khối mơ hình hệ thống MC-CDMA 30 Hình 4.2: Sự tạo tín hiệu MC-CDMA cho người dùng.[7] 31 Hình 4.3: Máy phát MC –CDMA.[8] 32 Hình 4.4: Máy thu MC-CDMA.[9] 34 Hình 4.5: Máy phát MC-CDMA đường xuống.[10] 36 Hình 4.6: Mạch ghi dịch số hai.[5] 38 Hình 4.7: Đặc tính tự tương quan chuỗi + x + x có chiều dài 124.[5] 39 Hình 4.8: Mơ hình tạo chuỗi Kasami có n = [5] 41 Hình 4.9: Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng 45 Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật 49 Hình 5.2 So sánh dung lượng hệ thống Mimo với anten khác 50 Hình 5.3 Lưu đồ giải thuật 51 Hình 5.4 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống MC-CDMA 51 Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống MC-CDMA 52 Hình 5.6 Chương trình OFDM 53 Hình 5.7 Chương trình MC-CDMA 53 Hình 5.8 So sánh OFDM MC-CDMA 54 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1Một số cặp chuỗi M ưa chuộng [5] 40 Bảng 5.1 Số lượng anten phát anten thu cho hệ thống 48 i TỪ VIẾT TẮT 4G Fourth-Generation: hệ thống thông tin di động hệ thứ AWGN Additive White Gaussian Noise: nhiễu cộng trắng có phân bố Gaussian BPSK Binary Phase Shift Keying: điều chế PSK nhị phân BER Bit Error Rate: tỉ lệ lỗi bit BS Base Station: trạm gốc CSI Channel State Information: thông tin trạng thái kênh IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers: Viện kỹ nghệ điện điện tử IMT-2000 Internation Mobile Telecommunications 2000: thông tin di động toàn cầu 2000-nền tảng chung cho hệ thống viễn thông di động ISI InterSymbol Interference: nhiễu liên ký hiệu LAN Local Area Network: mạng cục LTE Long Term Evolution: Sự phát triển dài hạn MC-CDMA Multicarrier Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang M-PSK M-Phase Shift Keying: điều chế PSK M mức ML Maximum Likelihood: giải mã ước lượng hợp lý cực đại MIMO Multiple Input Multiple Output: nhiều ngõ vào-nhiều ngõ MISO Multiple-Input Single-Output: nhiều ngõ vào- ngõ MMSE Minimum Mean Square Error: tối thiểu trung bình bình phương lỗi MRC Maximal-Ratio-Combining: kết hợp tỷ số cực đại MS Mobile Station: trạm di động NACK Negative Acknowledgement: Báo nhận không thành công OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia tần số trực giao i Đối với hệ thống MC-CDMA, độ hiệu giải thuật dựa PIC phụ thuộc mạnh vào chất lượng việc ước lượng MAI với can nhiễu đa truy cập khôi phục từ hệ số kênh truyền ước lượng liệu cho người dùng Vì hiệu tầng (nhờ mà việc ước lượng liệu đạt được) có quan hệ gần gũi với độ hiệu máy thu PIC Do vậy, tín hiệu triệt nhiễu MAI chủ yếu tầng thứ này, số phương pháp dị tín hiệu người dùng áp dụng tầng Phương pháp triệt can nhiễu song song giả sử máy thu biết tất mã trải phổ người dùng, trạng thái kênh truyền sóng mang phụ người dùng biết xác số người dùng hệ thống Tuy nhiên, việc lựa chọn chúng giống làm giảm độ phức tạp máy thu Bởi độ hiệu PIC phụ thuộc vào độ hiệu tầng khởi đầu máy thu nên việc nghiên cứu ảnh hưởng tầng thứ thật cần thiết  Ưu điểm kỹ thuật MC-CDMA Các ưu điểm kỹ thuật MC-CDMA: + Hiệu sử dụng băng tần tốt + Phân tập tần số hiệu + Có khả chống lại ảnh hưởng fading lựa chọn tần số + Giải vấn đề nhiễu liên kí tự ISI gặp phải hệ thống có tốc độ liệu cao kênh đa đường cách chia băng thơng tín hiệu thành nhiều băng có tốc độ thấp trực giao + Tín hiệu truyền nhn cách dễ dàng cách sử dụng thiết bị chuyển đổi FFT mà không làm tăng độ phức tạp máy phát, máy thu + Bảo mật  Nhược điểm hệ thống MC-CDMA Tuy nhiên, MC-CDMA tồn nhược điểm CDMA OFDM: + Khi xét hệ thống MC-CDMA, loại nhiễu đáng quan tâm nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) 46 + Tỷ số đường bao công suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) cao nên làm giảm hiệu khuếch đại công suất, dẫn đến hiệu suất không cao + Nhạy với dịch tần số sóng mang + Nhạy với nhiễu pha 47 CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Trong chương trình ta chọn vấn đề:  Vấn đề 1: Dung lượng hệ thống MIMO  Vấn đề 2: Mô MC-CDMA  Vấn đề 3: So sánh OFDM MC-CDMA MÔ PHỎNG MIMO Bảng 5.1 Số lượng anten phát anten thu cho hệ thống      Kiểu điều chế: QPSK −4 Công suất nhiễu: 10 dB Các hệ số kênh truyền biết hoàn toàn thu Số bit truyền user: 10000 Chuỗi mã: Walsh-Hadamard 48 Bắt đầu Thiết lập số lượng anten phát, anten thu Tính ma trận kênh truyền H Tính dung lượng kênh Kết thúc Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật Phần đưa kết mô dung lượng hệ thống thơng thường tính theo cơng thức Shannon dung lượng hệ thống MIMO (2x2, 2x4, 4x2, 8× 8) dựa theo mối quan hệ dung lượng tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Kết có dựa giả thiết độ lợi phân tập độ lợi ghép kênh tối đa với thông tin kênh truyền xác định 49 Hình 5.2 So sánh dung lượng hệ thống MIMO với anten khác Hình 5.2 kết mô dung lượng hệ thống MIMO với số anten phát thu khác Kết mô cho thấy dung lượng hệ thống MIMO (8Tx,8Rx) cao so với hệ thống (4Tx,4Rx) , (2Tx,4Rx), (4Tx,2Rx) cao nhiều so với hệ thống (2Tx,2Rx) Độ dốc tăng số lượng anten hệ thống tăng lên Ứng với tỉ số SNR máy thu dung lượng tăng số anten hệ thống tăng Dung lượng hệ thống MIMO tỉ lệ thuận với số anten MÔ PHỎNG MC-CDMA Ở vấn đề 2, liệu vào chọn:  Kiểu điều chế: BPSK  Số user:  Số bit truyền user: 10000  Chuỗi mã: Walsh-Hadamard 50 Bắt đâu Tạo mã trực Tạo liệu Trải phổ Chèn CP cho Tạo liệu Trải phổ giao W-H cho User IFFT User1 User1 cho User IFFT User2 C h Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống MCCDMA Hình 5.4 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống MCCDMA 51 Nhận xét: Hình 5.4 so sánh tỉ lệ lỗi bit user với tín hiệu theo lý thuyết truyền mơi trường đa đường gần giống Do tín hiệu điều chế truyền môi trường đa đường kết hợp nhiễu nên có tỉ lệ BER cao SO SÁNH OFDM VÀ MC-CDMA Vấn đề 3, liệu vào chọn:  Kiểu điều chế: BPSK   Số bit truyền user: 10000  Chuỗi mã: Walsh-Hadamard −4 Công suất nhiễu: 10 dB Bắt đầu OFDM MC_CDMA Kết thúc Hình 5.5 Sơ đồ khối chương trình Chương trình OFDM: 52 Nhập Bắt đầu Chèn pilot liệu ngõ vào P/S S/P P/S Bỏ CP Kết thúc H ìn h S đ k h ối c h n g tr ìn h c o n O F D M Chương trình MCCDMA: Bắt đâu T r C h T Cân kênh U c h truyền p h B ỏ I F C ộ A W s e T t r R a G h C h è n C P c h o U s e r BER User1 Kết thúc B e Hình 5.7 Sơ đồ khối chương trình MCCDMA 53 Hình 5.8 So sánh OFDM MC-CDMA Nhận xét: Hình 5.8 cho ta thấy kết so sánh hệ thống với tỉ số Eb/No hệ thống MC-CDMA có tỉ lệ BER thấp hệ thống OFDM với liệu truyền Nguyên nhân hệ thống MC-CDMA liệu truyền trải việc sử dụng mã trực giao walsh hardama, qua môi trường truyền dẫn, số lượng symbols lỗi xấp xỉ OFDM đầu thu kết hợp giải trải phổ thuật toán hợp lý nên hạn chế tỉ lệ BER Qua ta thấy hệ thống MC-CDMA cho chất lượng tốt OFDM 54 CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN NHẬN XÉT Trong chương trên, giúp ta có nhìn sâu sắc kỹ thuật MIMO MC-CDMA Từ đó, ta biết phương pháp kỹ thuật khác ứng dụng hai hệ thống Như ta biết chương một, ảnh hưởng môi trương truyền hạn chế băng thông, làm cho chất lượng tốc độ đường truyền khơng cao Nhờ ta thấy ưu điểm vượt trội kỹ thuật này, cải thiện chất lượng tốc độ đường truyền cách đáng kể Vì kỹ thuât MIMO MC-CDMA nên tìm hiểu nghiên cứu, cải tiến tốt HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hệ thống MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập phía phát phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát tăng băng thông hệ thống Kỹ thuật OFDM phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản chống fading chọn lọc tần số, cách chia luông liệu tốc độ cao thành N luồng liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số chia thành N kênh truyền có băng thơng nhỏ hơn, N đủ lớn kênh truyền chịu fading phẳng OFDM loại bỏ hiệu ứng ISI sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài việc sử dụng kỹ thuật OFDM giảm độ phức tạp Equalizer đáng kể cách cho phép cân tín hiệu miền tần số Từ ưu điểm bật hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai 55 Tìm hiểu mơ phương pháp tách sóng hệ thống MCCDMA Tìm kiếm giải pháp để nâng cao chất lượng mạng MC-CDMA nhằm mục đích cải thiện dung lượng hệ thống, để thỏa mãn nhu cầu thông tin di động ngày lớn thời đại ngày Kết hợp hệ thống multi-code thường dùng hệ thống có tốc độ thay đổi với hệ thống MC-CDMA có khả chống nhiễu tốt kênh vơ tuyến đa đường Hệ thống multi-code CDMA hoạt động tốt kênh truyền AWGN chất lượng giảm nhanh kênh truyền có nhiễu fading đa đường Khi kết hợp hệ thống với hệ thống MC-CDMA, ta hệ thống gọi Multi-code MC-CDMA (MC-MC-CDMA) có khả hỗ trợ tốc độ liệu biến đổi, đồng thời lại có khả chống nhiễu fading tốt 56 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Tuấn Đức, Hệ thống thông tin di động MC-CDMA Đại học Đại học Bách Khoa TP.HCM, 2004 [2] Nguyễn Thành Hưng, Nghiên cứu công nghệ MC-CDMA Đại học Đại học Dân Lập Hải Phòng, 2013 [3] Trần Thanh Phương, Nghiên cứu giải pháp cải thiện dung lượng mạng MC-CDMA, luận văn Thạc Sĩ Đại học Bách Khoa Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, 2005 [4] Ta-Sung Lee, MIMO Techniques for Wireless Communications, Department of Communication Engineering, National Chiao Tung University [5] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết kênh truyền vô tuyến, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 57 ... quát hệ thống vô tuyến Chương 3: Tổng quan hệ thống MIMO Nêu khái niệm, ưu nhược điểm đối tượng liên quan hệ thống MIMO Chương 4: Hệ thống MC- CDMA Tìm hiểu hệ thống MC- CDMA, kỹ thuật sử dụng hệ thống. .. vào 28 giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với ứng dụng thực tế hệ thống MIMO STTC 29 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MCCDMA HỆ THỐNG MULTICARRIER CDMA MC- CDMA (MultiCarrier CDMA) hệ thống. .. MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU HỆ THỐNG MIMO VÀ HỆ THỐNG MC- CDMA NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: PH ẠM MINH TRỰC MSSV: