Đồ án Đánh giá chất lượng hệ thống vô tuyến Massive MIMO (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Đánh giá chất lượng hệ thống vô tuyến Massive MIMO (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIÊN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN MASSIVE MIMO GVHD: TS ĐỖ Đ NH THUẤN SVTH: PHẠM THỊ DIỆU LINH MSSV: 08117420 S K L 0 0 3 2 8 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CHẤT Ƣ NG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN MASSIVE MIMO GVHD : TS ĐỖ Đ NH THUẤN SVTH : PHẠM TH DIỆU INH MSSV : 08117420 TP.HCM – 8/2014
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Lớp: MSSV: 1. Tên đề tài: 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): 3. Ngày giao nhiệm vụ ĐATN: 4. Ngày bảo vệ 50% ĐATN: 5. Ngày hoàn thành và nộp về khoa: 6. Giáo viên hƣớng dẫn: Phần hƣớng dẫn: 1 2 3. Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Khoa và Bộ môn Ngày tháng năm 2014 TRƢỞNG KHOA GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) (Ký và ghi rõ họ và tên) GV PHẢN BIỆN (một hoặc hai) CN BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
4. NHẬT K THỰC HIỆN STT TUẦN/NGÀY NỘI DUNG 1 2 3 4 5 6 7 8
5. 9 10 11 12 13 14 15 Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ và tên)
6. n t t nghi p i ỜI CẢM ƠN Qua 4 năm học tập tại trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, sinh viên chúng em đƣợc quý thầy cô truyền đạt những kiến thức quý báu không chỉ về lĩnh vực chuyên ngành mà còn là những kiến thức về cuộc sống, về kinh nghiệm học tập, nghiên cứu, đƣợc rèn luyện những kỹ năng, phong cách làm việc, giúp em tự tin hơn, bản lĩnh hơn để vững bƣớc trên con đƣờng sự nghiệp tƣơng lai. Đồ án tốt nghiệp là cơ hội để em tổng hợp, vận dụng những kiến thức, kỹ năng đã học để nghiên cứu và trình bày một vấn đề khoa học. Để hoàn thành đồ án này, ngoài sự nổ lực của bản thân, còn có sự hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình của quý thầy cô, sự động viên, ủng hộ của gia đình và bạn bè. Vì vậy, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy Đỗ Đình Thuấn đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và ủng hộ tinh thần để em có hƣớng đi đúng và hoàn thành tốt đồ án này. Quý thầy cô trong trƣờng nói chung và quý thầy cô trong khoa Điện - Điện tử nói riêng đã hết lòng chỉ bảo, hƣớng dẫn, truyền đạt những kiến thức quý báu giúp em có đƣợc kiến thức nền tảng, góp phần hoàn thiện đồ án này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn bên cạnh động viên, ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần giúp em có đƣợc điều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài này. Bên cạnh đó, em xin cảm ơn toàn thể lớp 08917LD, các anh chị, các bạn sinh viên trên diễn đàn đã cùng nhau chia sẻ tài liệu, kiến thức, kinh nghiệm, động viên và khích lệ em hoàn thành tốt công việc trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Dù đã rất cố gắng nhƣng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện. Ngƣời thực hiện đề tài rất mong nhận đƣợc những lời nhận xét cũng nhƣ là các ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và các bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ! . Tp.H Chí Minh, ngày 30 th ng 7 nă 2014 Ngƣời thực hiện đồ án Phạm Thị Diệu Linh i n
7. n t t nghi p ii MỤC ỤC Trang bìa lót Lịch trình thực hiện đề tài ỜI CẢM ƠN i MỤC ỤC ii iệt kê hình v Liệt kê bảng vi Liệt kê từ viết tắt vii Tóm tắt ix Abstract x CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 1 1.1. Vai trò và ứng dụng của hệ thống massive MIMO hiện nay 1 1.2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu 2 1.2.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 2 1.3. Bố cục của đồ án 2 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN 4 2.1. Kênh truyền vô tuyến 4 2.1.1. Khái niệm 4 2.1.2. Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến 6 2.1.3. Các hiện tƣợng ảnh hƣởng đến chất lƣợng kênh truyền 7 2.1.3.1. Sự suy hao 7 2.1.3.2. Hiện tƣợng đa đƣờng 8 2.1.3.3. Hiệu ứng Doppler 8 2.1.3.4. Hiệu ứng Bóng râm 10 2.1.4. Các dạng kênh truyền 10 2.1.4.1. Kênh truyền chọn lọc tần số và không chọn lọc tần số 10 2.1.4.2. Kênh truyền chọn lọc thời gian và không chọn lọc thời gian 11 2.2. Hiện tƣợng Fading và đặc tính 12 2.2.1. Hiện tƣợng Fading là gì 12 2.2.2. Các kênh Fading trong hệ thống vô tuyến 13 2.2.2.1. Mô hình Fading Rayleigh 12 2.2.2.2. Mô hình Fading Ricean 14 2.2.2.3. Mô hình Fading lựa chọn tần số 15 M
8. n t t nghi p iii CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG MASSIVE MIMO 16 3.1. Yêu cầu hệ thống massive MIMO 16 3.1.1. Giới thiệu về hệ thống massive MIMO 17 3.1.2. Hệ thống massive MIMO đơn giản 17 3.2. Mô hình kênh MIMO 19 3.3. Xử lí tín hiệu thu phát phân tập trong MIMO 20 3.3.1.Khái niệm về phân tập 20 3.3.2. Các phƣơng pháp phân tập 20 3.3.2.1. Phân tập thời gian 21 3.3.2.2. Phân tập tần số 21 3.3.2.3. Phân tập không gian 21 3.3.2.4. Phân tập góc 21 3.3.2.2. Phân tập phân cực 22 3.4. Cân bằng kênh trong MIMO 22 3.4.1. Khái niệm , mục đích và vai trò của cân bằng kênh 22 3.4.2. Vài nét về nhiễu xuyên kí tự ISI 22 3.4.3. Bộ cân bằng kênh thích nghi 23 3.4.4. Các kĩ thuật cân bằng kênh 25 3.5. Dung lƣợng kênh MIMO 25 3.5.1. Trƣờng hợp CSI đƣợc biết tại phía phát và phía thu 27 3.5.2. Trƣờng hợp CSI chỉ đƣợc biết tại phía thu 28 3.5.3. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống MIMO 29 3.5.3.1. Ƣu điểm 29 3.5.3.2. Nhƣợc điểm 29 CHƢƠNG 4. ẢNH HƢỞNG CỦA KÍCH THƢỚC ANTEN ỚN ĐẾN CHẤT Ƣ NG HỆ THỐNG 30 4.1. Sai số ƣớc lƣợng kênh 30 4.2. Sai số lỗi bit, lỗi ký tự 33 4.2.1 Tiệm cận trực giao của ma trận fading quy mô nhỏ 34 4.2. 2 SNR cuối cùng với số anten BS vô hạn .33 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN 37 5.1. Dung lƣợng kênh hệ thống massive MIMO 37 5.1.1 . Trƣờng hợp CSI chỉ biết tại phía thu 37 5.1.2 . Trƣờng hợp CSI biết tại phía phát và thu 37 5.2.Mô phỏng BER hệ thống MIMO 40 5.3. Mô phỏng SER hệ thống MIMO 43 M
9. n t t nghi p iv 5.4. Mô phỏng BER cho MIMO 2x2 và cân bằng kênh MMSE so sánh với ZF 43 CHƢƠNG 6. KẾT UẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 44 6.1. Kết luận 44 6.2. Hƣớng phát triển 44 Phụ lục A 45 Phụ lục B 50 Tài liệu tham khảo 64 M
10. n t t nghi p v IỆT KÊ H NH CHƢƠNG 2. Tổng quan về hệ thống vô tuyến 4 Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyến tin 4 Hình 2.2: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng 5 Hình 2.3: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 6 Hình 2.4: Hàm truyền đạt của kênh 9 Hình 2.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu 11 Hình 2.6: Kênh truyền chọn lọc tần số 11 Hình 2.7: kênh truyền không chọn lọc tần số 11 Hình 2.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 14 Hình 2.9: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician với các giá trị K khác nhau 15 CHƢƠNG 3. Đặc tính hệ thống massive MIMO 17 Hình 3.1: Một mô hình massive MIMO đơn giản 18 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO 20 Hình 3.3: Vị trí bô cân bằng trong hệ thống vô tuyến 23 Hình 3.4: Mô hình nhiễu xuyên kí tự 24 Hình 3.5: Tín hiệu trƣớc và sau khi cân bằng 24 Hình 3.6: Mô hình bộ cân bằng thích nghi 25 Hình 3.7: Định lí Waterfilling 27 CHƢƠNG 4.Ảnh hƣởng của kích thƣớc anten lớn đến chất lƣợng hệ thống 30 Hình 4.1: Hai ô với nhiễu tín hiệu huấn luyện từ các ô lân cận 30 CHƢƠNG 5. Kết quả mô phỏng 33 Hình 5.1: Mô phỏng dung lƣợng hệ thống massive MIMO khi không có CSI 38 Hình 5.2: Mô phỏng dung lƣợng hệ thống massive MIMO khi có CSI 39 Hình 5.3: BER của MIMO 2x1 với điều chế BPSK 40 Hình 5.4: BER của MIMO 2x2 với điều chế BPSK 41 Hình 5.4: SER của MIMO 2x1 với điều chế 16 QAM 42 Hình 5.5: BER cho điều chế BPSK với MIMO 2x2 và cân bằng kênh MMSE so sánh với ZF 43 i t ê h nh
11. n t t nghi p vi IỆT KÊ BẢNG CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH HỆ THỒNG MASSIVE MIMO 26 Bảng 3.1: So sánh giữa hai phƣơng pháp cân bằng kênh 35 Bảng 5.1: Số lƣợng anten phát và anten thu cho các hệ thống 37 i t ê ng
12. n t t nghi p vii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 4G Fourth-Generation: hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 5G Five –Generation : hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 AWGN Additive White Gaussian Noise: nhiễu cộng trắng có phân bố Gaussi- an BPSK Binary Phase Shift Keying: điều chế PSK nhị phân BER Bit Error Rate: tỉ lệ lỗi bit BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time: STC lớp BLAST BS Base Station: trạm gốc CCDF Complementary Cumulative Distribution Function: hàm bù phân bố xác suất lũy tích CSI Channel State Information: thông tin trạng thái kênh EGC Equal Gain Combining: kết hợp cân bằng độ lợi EP Equal Power: công suất bằng nhau D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space: STC lớp D-BLAST i.i.d independent identically distributed: phân bố độc lập và đồng nhất IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers: Viện kỹ nghệ điện và điện tử IMT-2000 Internation Mobile Telecommunications 2000: thông tin di động toàn cầu 2000-nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động ISI InterSymbol Interference: nhiễu liên ký hiệu LAN Local Area Network: mạng cục bộ LOS Line of Sight: tầm nhìn thẳng, đƣờng đi trực tiếp M-PSK M-Phase Shift Keying: điều chế PSK M mức ML Maximum Likelihood: bộ giải mã ƣớc lƣợng hợp lý cực đại MIMO Multiple Input Multiple Output: nhiều ngõ vào-nhiều ngõ ra nh s h t vi t t t
13. n t t nghi p viii MISO Multiple-Input Single-Output: nhiều ngõ vào- một ngõ ra MRC Maximal-Ratio-Combining: kết hợp tỷ số cực đại MS Mobile Station: trạm di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia tần số trực giao OSTBC Orthogonal Space-Time Block Code: STBC trực giao PSK Phase Shift Keying: điều chế khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation: điều chế biên độ cầu phƣơng QOSTBC Quasi-Orthogonal Space-Time Block Code: STBC giả trực giao SER Symbol Error Rate: tỉ lệ lỗi ký hiệu SMG Spatial Multiplexing Gain: độ lợi ghép kênh không gian SNR Signal to Noise Ratio: tỉ số tín hiệu trên nhiễu STBC Space Time Block Codes: mã không gian-thời gian khối STC Space Time Codes: mã không gian thời gian STTC Space-Time Trellis Code: Mã không gian-thời gian lƣới TDD Time Division Duplexing: ghép kênh song công phân chia theo thời gian V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time: STC lớp V-BLAST UHF Ultra High Frequency: tần số siêu cao (300-3000 MHz) ZF Zero Forcing Equalizer : kênh cƣỡng bức không MMSE Minimum Mean Square Error: trung bình bình phƣơng lỗi nh s h t vi t t t
14. n t t nghi p ix TÓM TẮT Thế giới ngày nay là ngôi nhà của những kết nối di động. Nhìn vào lịch sử, các thế hệ mạng không dây liên tục đƣợc ra đời để phục vụ cho nhu cầu ngày càng tăng của nhân loại (từ 2G, 3G cho đến gần đây nhất là 4G). Tuy nhiên, điều đó vẫn chƣa bao giờ là đủ để thỏa mãn cho lòng tham con ngƣời. Do đó, họ đã tiếp tục nghiên cứu và phát triển một chu n mới hơn, mang tên mạng 5G. Theo Cisco dự đoán đến năm 2020 s có 56 tỷ thiết bị đƣợc kết nối vào Internet. Hiện nay, vẫn còn hơn 99% sự vật trong thế giới thực chƣa đƣợc kết nối Internet, và khái niệm mở rộng còn gọi là Internet of Everything ( IoE- Internet của Vạn vật) s kết nối những gì chƣa kết nối, bao gồm con ngƣời, quy trình, dữ liệu và đồ vật vào một mạng lƣới thông minh, biến thông tin thành hành động để tạo ra những trải nghiệm tốt hơn. Trong hệ thống vô tuyến 5G hay là massive MIMO, gói dữ liệu s đƣợc truyền trực tiếp, chính xác từ anten phát đến anten thu xác định, qua đó tiết kiệm băng thông đáng kể. Hiệu quả mà công nghệ này mang lại còn cao hơn nữa, trong trƣờng hợp điểm phát sóng có nhiều anten. Các bộ thu phát sóng không dây tốt nhất hiện nay đều sở hữu các anten có kích thƣớc rất lớn. Có cả một ngành khoa học lý thuyết xung quanh anten và cách thiết kế anten để khả năng thu/phát sóng luôn ở mức lý tƣởng nhất. Do đó đồ án này đã tìm hiểu về những ảnh hƣởng của kích thƣớc anten lớn đến chất lƣợng hệ thống, đánh giá về chất lƣợng hệ thống vô tuyến Massive MIMO. T t t
15. n t t nghi p x ABSTRACT The world today is the home of the mobile connection. Looking at history, the generation wireless networks are constantly being created to cater to the growing needs of humanity (from 2G, 3G and 4G, most recently). However, it still was never enough to satisfy the "greed" man. Therefore, they have continued to research and develop a newer standard, called 5G network. According to the 2020 Cisco predicts there will be 56 billion devices connected to the Internet. Currently, over 99% still in the real world things are not connected to the Internet, and expand the concept known as the Internet of Everything (Everything IoE- Internet) will not connect what connection, including people, processes, and data objects in a smart grid, turn information into action to create a better experience. In radio systems 5G or massive MIMO, data packets will be transmitted directly and accurately from the transmitting antenna to the receiving antenna determined, thereby saving significant bandwidth. The effect that this technology brings even more, in case there are multiple antennas hotspot. The wireless transceivers are the best currently owns the antenna size is very large. There is a whole science around antenna theory and antenna design for probable / broadcast is always in the most ideal. Therefore this project was to learn about the effects of large antenna size to quality systems, quality assessment Massive MIMO wireless systems. . Abstract
16. n t t nghi p 1 CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. Vai trò và ứng dụng của công nghệ hiện nay Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu đƣợc đƣa vào sử dụng, nhƣng đến năm 2020, các nhà phân tích cho rằng, s liên tục xảy ra tình trạng quá tải thông tin . Nguyên nhân, cho dù sự tăng vọt về doanh số bán hàng của các loại điện thoại thông minh (smartphone) và máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lƣợng dữ liệu ngày càng lớn, nhƣng chỉ có một phần nhỏ là do lƣợng truy cập của smartphone và tablet, còn lại phần lớn là do lƣợng thông tin từ việc kết nối các vật thể với nhau, ví dụ nhƣ tivi, đồng hồ, đồ gia dụng, máy điều nhiệt và thậm chí cả khóa cửa tất cả s đƣợc số hóa để quản lí dễ dàng hơn. Ƣu điểm của mạng 4G là tải đƣợc khối lƣợng dữ liệu lớn và phức tạp hơn, tuy nhiên, với tốc độ phát triển công nghệ chóng mặt nhƣ hiện nay thì chỉ vài năm nữa, công nghệ 4G cũng không thể đáp ứng đƣợc. Tại Đại hội thế giới di động 2012 - Mobile World Congress 2012 (MWC 2012) đƣợc tổ chức ở Bar- celona - Tây Ban Nha vào tháng 2 vừa qua, chủ tịch Google, Eric Schmidt đã v ra một viễn cảnh, các robot s đi dự các hội nghị và truyền về video HD qua mạng không dây. AT&T, Qualcomm, Sony và Intel s tạo ra một "ngôi nhà kết nối", nơi mà thậm chí cả quần áo cũng truyền các tín hiệu mạng Wi-Fi. Vì thế mạng không dây cần phải hiểu đƣợc tính năng của từng loại thiết bị và biết phải đáp ứng nó nhƣ thế nào . Đây là một khó khăn thực sự cho các nhà mạng , khi mà họ đang đi dần đến điểm giới hạn của mình. Điều này đòi hỏi ngành công nghiệp di động thế giới cần phát triển một mạng thông minh có thể xử lý đƣợc hàng tỉ kết nối mà vẫn ổn định và có chất lƣợng dịch vụ tốt, đáng đƣợc mong đợi hơn. Chính vì vậy việc ra đời một thế hệ thông tin di động mới 5G là điều s diễn ra trong tƣơng lai không xa Vẫn còn quá sớm để hình dung chính xác về công nghệ 5G , nhƣng Sam- sung mới đây cho biết đang chu n bị một giải pháp đầy hứa hẹn . Hãng sản xuất điện tử khổng lồ Hàn Quốc tuyên bố đã sử dụng ăng-ten theo công nghệ beam-forming (tạo ra chùm tín hiệu truyền nhận có định hƣớng), và trong thử nghiệm ở băng tần 28 GHz, với ăng-ten mảng gồm 64 phần tử, đã đạt đƣợc tốc độ truyền lên đến trên 1 gigabit/giây trong khoảng cách 2 km. Samsung cho biết công nghệ này có thể đ y tốc độ truyền lên tới 10 gigabit/giây, nhanh gấp hàng trăm lần so với các mạng 4G LTE hiện tại, cho phép thuê bao di động tải về một bộ phim độ phân giải cao chỉ trong vòng 1 giây. Công nghệ này mở ra cơ hội cho ngƣời dùng di động đƣợc hƣởng các dịch vụ cao cấp nhƣ xem phim trực tuyến 3D, xem nội dung ở độ phân giải siêu cao 4K hay 8K, chăm sóc y tế từ xa Chƣa thể vội gán ngay nhãn 5G cho công nghệ của Samsung, nhƣng quả thực đây là một bƣớc đột phá với công nghệ truyền phát sóng hoạt động ở băng tần cao, từ 3 đến 300 GHz, bƣớc sóng tính bằng milimet, hay còn gọi là sóng milimet . Trên thực tế, các mạng di động thƣờng dùng các băng tần thấp hơn trên phổ tần số vô tuyến, nơi chen chúc của hàng chục sóng mang có bƣớc sóng centimet (tần số vài trăm MHz) dễ dàng vƣợt qua các chƣớng ngại vật và xuyên Chư ng 1: Mở đầu
17. n t t nghi p 2 trong không khí. Nhƣng phổ tần ngon lành này không đủ cho nhu cầu ngày càng tăng của các nhà khai thác mạng, và các mạng 4G đang phát triển nhanh chóng lại càng khiến tình trạng khan hiếm phổ tần thêm căng thẳng. Vì vậy, các dải tần số cao, ít đƣợc dùng hơn , bắt đầu đƣợc nhòm ngó. Các kỹ sƣ của Sam- sung ƣớc tính rằng các quốc gia có thể giải phóng tới 100 GHz phổ tần sóng milimet cho truyền thông di động – bằng khoảng 200 lần so với các mạng di động sử dụng ngày nay . Lƣợng phổ tần dồi dào này s cho phép băng thông rộng hơn và tốc độ truyền dữ liệu vƣợt trội. Từ những lí do đó em đã chọn thực hiện đề tài Đánh giá chất lƣợng hệ thống vô tuyến Massive MIMO" nhằm nghiên cứu về hệ thống MIMO mở rộng ra massive MIMO, ảnh hƣởng của kích thƣớc anten lớn đến chất lƣợng hệ thống. 1.2 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu các công nghệ vô tuyến Đặc điểm của hệ thống massive MIMO Các kĩ thuật cân bằng kênh massive MIMO Mô phỏng , đánh giá BER và SER của hệ thống MIMO Mô phỏng, đánh giá BER của cân bằng kênh ZF và MMSE Mô phỏng , đánh giá BER của dung lƣợng hệ thống massive MIMO với số anten phát lớn (trên 10 anten) 1.2.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Trong đồ án này, ngoài việc trình phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến kênh truyền vô truyến nói chung và các khái niệm có trong hệ thống MIMO, đặc tính của hệ thống massive MIMO, ảnh hƣởng của kích thƣớc anten lớn đến chất lƣợng hệ thống . Hệ thống đƣợc giới hạn trong trƣờng hợp thông tin về trạng thái kênh truyền (CSI-Channel State Information) là biết trƣớc và trong kênh truyền giả tĩnh (Quasi- Static) có fading Rayleigh. 1.3 Bố cục của đồ án Đồ án thực hiện gồm có 6 chƣơng : Chƣơng 1: Giới thiệu Chƣơng này trình bày tổng quan về đồ án, lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu , phân chia bố cục của đồ án. Chƣơng 2: Tổng quan về hệ thống vô tuyến Trong chƣơng này trình bày các vấn đề cơ bản sau: - Fading và đặc tính - Kênh truyền vô tuyến Chư ng 1: Mở đầu
18. n t t nghi p 3 - Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến Chƣơng 3: Đặc tính hệ thống Massive MIMO Trong chƣơng này trình bày các vấn đề - Yêu cầu hệ thống Massive MIMO - Mô hình kênh MIMO - Xử lý tín hiệu thu phát trong MIMO - Mã hóa / tách sóng (cân bằng kênh) trong MIMO - Dung lƣợng kênh MIMO Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của kích thƣớc anten lớn đến chất lƣợng hệ thống Chƣơng này s trình bày về sai số ƣớc lƣợng kênh và sai số lỗi bit, lỗi kí tự. Chƣơng 5 : Mô phỏng - Mô phỏng ,đánh giá BER của hệ thống MIMO - Mô phỏng ,đánh giá SER của hệ thống MIMO - Mô phỏng, đánh giá BER của cân bằng kênh ZF và MMSE - Mô phỏng , đáng giá BER của dung lƣợng hệ thống massive MIMO với số anten phát lớn hơn 10 . Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển Chƣơng này tổng kết lại những nội dung mà nhóm đã thực hiện nghiên cứu đƣợc, qua đó đƣa ra hƣớng phát triển của đề tài. Phụ lục A: Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình mô phỏng. Phụ lục B: Mã chƣơng trình mô phỏng. Tài liệu tham khảo. Chư ng 1: Mở đầu
19. n t t nghi p 4 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN 2.1 Kênh truyền vô tuyến 2.1.1. Khái niệm Các phƣơng tiện thông tin nói chung đƣợc chia thành hai phƣơng pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phƣơng tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống nhƣ kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán đƣợc, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Một trong những đặc tính phân biệt của các kênh vô tuyến chính là có nhiều đƣờng đi khác nhau giữa bộ phát và bộ thu. Do tồn tại nhiều đƣờng đi khác nhau đã dẫn đến việc nhận các phiên bản tín hiệu khác nhau tại bộ thu. Những phiên bản khác biệt này thực tế đó chính là những suy hao khác nhau về pha và đƣờng đi. Tại bộ thu, tất cả các tín hiệu thu đƣợc tích lũy lẫn nhau tạo ra mô hình nhiễu cộng trắng có phân bố Gaussian (AWGN) dùng cho các kênh không dây. Vì một mô hình AWGN không mô tả đƣợc các kênh không dây, nên việc tìm ra các mô hình khác để thể hiện các kênh này rất quan trọng. Để mô tả một mô hình, trƣớc tiên chúng ta nghiên cứu những đƣờng truyền khác nhau có thể cho tín hiệu thu. Hình 2.2 mô tả các đƣờng đi khác nhau trong một ví dụ điển hình. Chư ng 2: Tổng qu n về h th ng vô tuy n
20. n t t nghi p 5 Tán Phản x Truyền x ạ thẳng Nhiễu ạ Máy thu Che xạ kh Trạm uất ph Tán át x ạ Hình 2.2: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng Nếu có một đƣờng đi trực tiếp giữa bộ phát và bộ thu, gọi là đƣờng đi trực tiếp (LOS). Một đƣờng đi trực tiếp không bao giờ tồn tại khi có những đối tƣợng lớn cản trở đƣờng đi giữa bộ phát và bộ thu. Nếu đƣờng đi trực tiếp tồn tại thì đáp ứng tín hiệu thu đƣợc thông qua đƣờng đi trực tiếp luôn là tín hiệu mạnh và trội nhất. Ít nhất, tín hiệu từ đƣờng đi trực tiếp có tính tất yếu hơn. Trong khi cƣờng độ và pha của nó có thể thay đổi dựa trên tính di động, đó là một sự thay đổi có thể đoán trƣớc đƣợc mà thƣờng chỉ là một hàm theo khoảng cách và không có nhiều yếu tố ngẫu nhiên. Một đƣờng truyền trực tiếp không chỉ là đƣờng truyền duy nhất mà sóng điện từ có thể nhận từ bộ phát đến bộ thu. Sóng điện từ có thể phản xạ khi nó gặp một đối tƣợng lớn hơn bƣớc sóng. Dù phản xạ từ nhiều bề mặt, sóng vẫn có thể tìm đƣờng đi đến bộ thu. Dĩ nhiên, những đƣờng truyền nhƣ vậy đi với khoảng cách xa hơn dẫn đến kết quả là cƣờng độ công suất và pha nhỏ hơn những sóng đi đƣờng truyền trực tiếp. Một dạng lan truyền khác của sóng điện từ chính là sự nhiễu xạ. Nhiễu xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào bề mặt không đều nhƣ những cạnh sắc nét. Cuối cùng, sự tán xạ xảy ra trong trƣờng hợp có một số lƣợng lớn các đối tƣợng nhỏ hơn bƣớc sóng nẳm giữa bộ phát và bộ thu. Việc lan truyền xuyên suốt những đối tƣợng này, sóng bị tán xạ và nhiều bản sao của sóng lan truyền trong những hƣớng khác nhau. Có nhiều hiện tƣợng khác ảnh hƣởng đến sự lan truyền của sóng điện từ nhƣ sự hấp thụ và khúc xạ. Chư ng 2: Tổng qu n về h th ng vô tuy n
21. n t t nghi p 6 Những ảnh hƣởng của cơ chế lan truyền bên trên và sự kết hợp chúng lại với nhau tạo thành nhiều đặc điểm của tín hiệu thu đƣợc và là duy nhất đối với các kênh không dây. Những tác động này có thể làm giảm công suất tín hiệu trong nhiều cách. Có hai khía cạnh chung của sự suy giảm công suất tín hiệu mà yêu cầu những cách khắc phục riêng. Một là ảnh hƣởng tỷ lệ lớn mà tƣơng ứng với đặc tính của tín hiệu công suất thông qua một khoảng cách lớn hoặc thời gian trung bình hoạt động của tín hiệu. Đây gọi là sự suy hao hay là suy hao đƣờng truyền và thỉnh thoảng gọi là fading tầm rộng. Khía cạnh khác chính là sự thay đổi nhanh chóng về biên độ và công suất của tín hiệu và đây gọi là fading tầm hẹp hoặc fading. Điều này liên quan đến đặc tính của tín hiệu thông qua một khoảng cách ngắn hoặc thời gian ngắn. 2.1.2. Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến Hình 2.3 thể hiện một mô hình đơn giản của hệ thống thông tin vô tuyến nguồn tin trƣớc hết đã qua mã hóa nguồn để giảm các thông tin dƣ thừa ,sau đó đƣợc mã hóa kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra . Tín hiệu sau khi mã hóa kênh đƣợc điều chế để có thể truyền tải đi xa .các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền . Sau khi tín hiệu đƣợc phát đi ở máy phát ,tín hiệu thu đƣợc ở máy thu s trải qua các bƣớc ngƣợc lại so với máy phát . Kết quả tín hiệu đƣợc giải mã và thu đƣợc ở máy thu . Chất lƣợng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lƣợng kênh truyền và các phƣơng pháp điều chế mã hóa khác nhau .Do đó ngày nay các kĩ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lƣợng kênh truyền nói riêng và hệ thống vô tuyến nói chung . Hình 2.3 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến Chư ng 2: Tổng qu n về h th ng vô tuy n
22. S K L 0 0 2 1 5 4