Luận văn Đánh giá chất lượng mã khối không gian-Thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Đánh giá chất lượng mã khối không gian-Thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ VĂN QUANG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 0 3 6 1 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ VĂN QUANG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
3. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: VŨ VĂN QUANG Giới tính: Nam, Ngày, tháng, năm sinh: 29/07/1972 Nơi sinh: Hậu Giang Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: F3 Đƣờng Mậu Thân, Q.Ninh Kiều, TPCT Điện thoại : 0913.135.333 Điện thoại cơ quan: E-mail: quang_ct2007@yahoo.com Fax: II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/1991 đến 09/1996 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Cần Thơ Ngành học: Điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 5/1996 tại trƣờng Đại học Cần Thơ 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2012 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ thuật điện tử. Tên luận văn: Đánh giá chất lƣợng mã khối không gian-thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 10 năm 2012, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Phạm Hồng Liên 3. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh - mức độ: B1 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ii HVTH: Vũ Văn Quang
4. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 10/1996 đến Bƣu Điện Tỉnh Cần Thơ Kỹ thuật tổng đài 08/2001 Từ 2001 đến 2010 CH- ĐTDĐ T & Q Cần Thơ Kỹ thuật viên Từ 2010 đến nay TT. Đại học tại chức Cần Thơ Giảng viên GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên iii HVTH: Vũ Văn Quang
5. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn này là do bản thân tôi tự nghiên cứu và thực hiện theo sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Phạm Hồng Liên. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về mã khối không gian-thời gian (STBC) và ứng dụng trong truyền thông không dây, các tƣ liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo của luận văn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2012 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Vũ Văn Quang GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên iv HVTH: Vũ Văn Quang
6. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM LỜI CẢM ƠN Đề tài này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của PGS-TS. Phạm Hồng Liên. Tôi xin đƣợc phép gửi đến Cô lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện nghiêm túc giúp tôi hoàn chỉnh luận văn này. Tôi xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử -Viễn Thông, quý thầy cô công tác ở phòng Sau Đại Học trƣờng Sƣ Phạm Kỹ Thuật-TP Hồ Chí Minh đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học cao học . Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn khóa trƣớc, các bạn cùng khóa, các bạn đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Sau cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình-Những ngƣời đã làm tất cả để cho tôi có đƣợc ngày hôm nay. TP Hồ Chí Minh , ngày tháng 10 năm 2012 Vũ Văn Quang GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên v HVTH: Vũ Văn Quang
7. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM TÓM TẮT OFDM đem lại những lợi ích nhƣ hiệu quả sử dụng phổ và thích hợp cho truyền dẫn tốc độ cao trên kênh fading đa đƣờng. Hệ thống MIMO có thể tăng độ lợi phân tập, hoặc độ lợi dung lƣợng trên các kênh truyền fading phẳng. Đối với truyền dẫn tốc độ cao, kênh MIMO chọn lọc tần số (fading không phẳng) có thể chuyển sang một tập các kênh con fading phẳng bằng cách kết hợp giữa MIMO và kỹ thuật OFDM, điều này có thể giảm độ phức tạp của bộ thu và có thể giải quyết đƣợc vấn đề fading đa đƣờng một cách hiệu quả. Hệ thống MIMO-OFDM hiện nay đã đƣợc chấp nhận nhƣ là một tiêu chuẩn truyền dẫn tốc độ cao, mang lại hiệu quả và chất lƣợng dịch vụ tốt cho các hệ thống vô tuyến băng rộng ở các thế hệ tƣơng lai. Hệ thống MIMO-OFDM với mã hóa khối không gian-thời gian (STBC) có khả năng chống lại ảnh hƣởng của các hiện tƣợng nhƣ đa đƣờng, fading chọn lọc tần số một cách hết sức hiệu quả. Hơn thế, tỉ số SER đạt đƣợc là nhỏ và độ phức tạp mã hóa thấp. Luận văn này tập trung nghiên cứu việc mã hóa, giải mã khối không gian-thời gian (STBC), mã không gian-tần số (SFC), mã không gian-thời gian-tần số (STF), mô hình hệ thống MIMO-OFDM. Sau cùng việc mô phỏng các mô hình hệ thống MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF sẽ đƣợc xây dựng và phân tích chất lƣợng dƣới môi trƣờng truyền dẫn fading Rayleigh. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC đã đạt đƣợc hiệu quả BER tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM khi không sử dụng mã hóa STBC. Kết quả mô phỏng đã chứng mình đƣợc khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi sử dụng mã STF đƣợc cải thiện hơn so với mã STBC và SFC. GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vi HVTH: Vũ Văn Quang
8. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM ABSTRACT The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for high-data-rate transmission over a multi-path fading channel. MIMO systems may be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a capacity gain in flat fading channels. For high-data-rate transmission, the frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the multi-path fading efficiently. MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next generation broadband wireless communication systems. MIMO-OFDM system with space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is low. The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes, MIMO, and MIMO-OFDM system models. Finally, simulation model of MIMO, MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances under Rayleigh fading channel is analyzed. The simulation results show that the MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system without STBC in BER performance. By the simulation results, we have demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes was improved more than the system which used STBC and SFC codes. GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vii HVTH: Vũ Văn Quang
9. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM MỤC LỤC QUYếT ĐịNH GIAO Đề TÀI i LÝ LịCH KHOA HọC ii LờI CAM ĐOAN iii CảM ƠN v TÓM TắT LUẬN VĂN vi ABSTRACT vii MỤC LỤC viii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH xvi DANH SÁCH CÁC BẢNG xviii CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố 1 1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3 1.3 Mục đích của đề tài 4 1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 5 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 5 CHƢƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 6 2.1 Khái niệm kênh vô tuyến [3][10] 6 2.2 Fading suy giảm diện rộng [2][10] 6 2.3 Fading diện hẹp [2][10] 6 2.3.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (multipath) 7 2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler 7 2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 8 2.3.4 Phân loại Fading diện hẹp 8 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên viii HVTH: Vũ Văn Quang
10. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 2.4 Các mô hình kênh fading 9 2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh 9 2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean 10 2.4.3 Mô hình fading chọn lọc tần số 10 2.5 Kết luận 11 CHƢƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO OFDM 12 3.1 Giới thiệu 12 3.2 Mô hình hệ thống 13 3.3 Một số ƣu khuyết điểm chính của kỹ thuật OFDM 18 3.3.1 Ƣu điểm 18 3.3.2 Khuyết điểm 18 3.4 Kết luận 19 CHƢƠNG 4 HỆ THỐNG NHIỀU ANTEN MIMO 20 4.1 Giới thiệu 20 4.2 Các kỹ thuật Phân tập 20 4.3 Mô hình hệ thống MIMO 22 4.4 Dung lƣợng hệ thống 23 4.5 Kết luận 25 CHƢƠNG 5 MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 26 5.1 Giới thiệu [3] 26 5.2 Mã khối không gian thời gian (STBC) 26 5.2.1 Một số tiêu chuẩn về mã khối không gian-thời gian 27 5.2.2 Sơ đồ Alamouti 28 5.3 Giải mã STBC 29 5.4 Mã Khối không gian –thời gian trực giao (OSTBC) 32 5.4.1 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực 32 5.4.2 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34 5.5 Mã không gian-tần số SFC 35 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ix HVTH: Vũ Văn Quang
11. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 5.5.1 Giới thiệu 35 5.5.2 Thiết kế mã SF tốc độ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] 36 5.6 MÃ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN-TẦN SỐ STFC [14],[16] 37 5.6.1 Giới thiệu 38 5.6.2 Thiết kế mã STF tốc độ 1 (STF-rate ) 38 5.7 Kết luận 39 CHƢƠNG 6 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG STBC-MIMO-OFDM 41 6.1 Mô hình hệ thống MIMO mã hóa STBC 41 6.1.1 Hệ thống hai Anten phát, một anten thu 41 6.1.2 Hệ thống hai Anten phát, hai anten thu 43 6.2 Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 44 6.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 44 6.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 47 6.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC 54 6.2.4 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STFC 55 CHƢƠNG 7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 58 7.1 Sơ đồ mô phỏng 54 7.2 Các kết quả mô phỏng dung lƣợng 54 7.3 Các kết quả mô phỏng hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO 57 7.4 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM 62 7.5 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC 68 7.6 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 74 7.7 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF 76 7.7.1 SF-rate 1 76 7.7.2 SF-rate N 81 7.8 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF 83 7.8.1 STF-rate1 91 7.8.2 STF-rate N 91 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên x HVTH: Vũ Văn Quang
12. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 7.8.3 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa với mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và STFC-rate 1&2 92 Chƣơng 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 8.1 Kết luận 103 8.2 Các kiến nghị 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xi HVTH: Vũ Văn Quang
13. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tỉ lệ bit lỗi CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp (Khoảng bảo vệ) CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên kênh Inverse Discrete Fourier Biến đổi ngƣợc fourier rời rạc IDFT Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngƣợc fourier nhanh ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự LP Linear Precoded Tiền mã hóa tuyến tính LOS Light Of sight Tầm nhìn thẳng MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MISO Multiple Input Single Output Nhiều ngõ vào một ngõ ra ML Maximum Likelihood Tƣơng đồng tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phƣơng trung bình nhỏ nhất MRC Maximum Ratio combination Kết hợp tỉ số cực đại NLOS Non Light Of Sight Không có tầm nhìn thẳng Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực OFDM Multiplexing giao P/S Parallel to Serial Chuyển đổi song song sang nối tiếp PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất QAM Quadrature Amplitute Điều chế biên độ vuông GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xii HVTH: Vũ Văn Quang
14. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông SER Symbol Error Rate Tốc độ lỗi ký tự SFC Space Frequency Code Mã không- gian tần số SIMO Single Input Multiple Output Một ngõ vào nhiều ngõ ra SISO Single Input Single Output Một ngõ vào một ngõ ra SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/P Serial to Parallel Chuyển nối tiếp sang song song STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian-thời gian STFC Space-Time-Frequency Code Mã khối không gian-thời gian-tần số STTC Space-Time Trellis Code Mã xoắn không gian-thời gian GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiii HVTH: Vũ Văn Quang
15. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Mô hình kênh truyền đa đƣờng[18] 7 Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler 7 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản 13 Hình 3.2: Khái niệm CP 15 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống MIMO [17] 23 Hình 4.2: Mô hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO 24 Hình 5.1: Ma trận mã STBC. 27 Hình 5.2: Sơ đồ khối mã hóa ST Alamouti 28 Hình 5.3: Bộ thu cho sơ đồ Alamouti 29 Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] 36 Hình 5.5: Cơ chế truyền mã STF 38 Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N 38 Hình 6.1: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] 42 Hình 6.2: Sơ đồ mã STBC với hai anten phát và hai anten thu [19] 43 Hình 6.3: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 45 Hình 6.4: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 48 Hình 6.4: Mô hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu 53 Hình 7.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM 59 Hình 7.2: Mô phỏng dung lƣợng hệ thống 60 Hình 7.3: Mô phỏng dung lƣợng Ergodic 60 Hình 7.4: SER của các hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO 63 Hình 7.5: SER của các hệ thống SISO, MISO (thay đổi số anten phát) 64 Hình 7.6: SER của các hệ thống MISO, MIMO (thay đổi số anten thu) 64 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiv HVTH: Vũ Văn Quang
16. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Hình 7.7: SER của các hệ thống có cùng mức phân tập (không mã hóa) 65 Hình 7.8: SER của hệ thống MIMO-OFDM thay đổi số anten phát 67 Hình 7.10: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi L 69 69 Hình 7.11: MIMO-OFDM – SER cung mức phân tập (không mã hóa) 69 Hình 7.12: SER của hệ thống MIMO-STBC tăng số anten phát 71 Hình 7.13: SER của hệ thống MIMO-STBC khi thay đổi số anten thu 72 Hình 7.14: SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G2 73 Hình 7.15 : SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G4 73 Hình 7.16a: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập phát 75 Hình 7.16b: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập thu 75 Hình 7.17: BER của hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC, 76 MIMO -OFDM-STBC 76 Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten phát 79 Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten thu 79 Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 –tăng đƣờng phân tập. 80 Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số anten thu 82 Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 – Phân tập tần số 83 Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 – cùng mức phân tập. 83 Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập phát 85 Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thu 86 Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thời gian 86 Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập tần số 87 Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 –cùng mức phân tập 87 Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thu 89 Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thời gian 89 Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập tần số 90 Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER cùng mức phân tập 90 Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 91 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xv HVTH: Vũ Văn Quang
17. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Hình 7.34: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 92 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvi HVTH: Vũ Văn Quang
18. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thiết kế toàn tốc [10] 33 Bảng 7.1: Các thông số mô phỏng hệ thống SIMO, MISO, MIMO 59 Bảng 7.2: So sánh dung lƣợng của các hệ thống MIMO 61 Bảng 7.4: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO 62 Bảng 7.5: So sánh BER giữa hệ thống anten SISO và MIMO 63 Bảng 7.6: So sánh hệ thống MIMO phân tập thu tại SER=10 3 dB 65 Bảng 7.7: So sánh hệ thống MIMO cùng mức phân tập tại SER=10 3 dB 66 Bảng 7.9: So sánh hệ thống MIMO-OFDM phân tập thu tại BER=10 3 3dB 68 Bảng 7.10: So sánh hệ thống MIMO-OFDM cùng mức phân tập tại BER=10 3 dB 70 Bảng 7.12: So hệ thống MIMO-STBC phân tập phát tại BER=10 3 dB 71 Bảng 7.13: So sánh hệ thống MIMO-STBC phân tập thu tại BER=10 3 dB 72 Bảng 7.14: So sánh hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G2) 74 tại BER=10 3 dB 74 Bảng 7.15: So hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G4) 74 tại BER=10 3 dB 74 Bảng 7.16: So hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER=10 3 dB 76 Bảng 7.17: So sánh hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC và MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER=10 3 dB 77 Bảng 7.18: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 78 Bảng 7.19: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER=10 3 dB 80 Bảng 7.20: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER=10 3 dB 80 Bảng 7.21: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N 81 Bảng 7.22: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER=10 3 dB 82 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvii HVTH: Vũ Văn Quang
19. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Bảng 7.24: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 84 Bảng 7.25: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N 88 Bảng 7.26: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC, SFC, STF 91 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xviii HVTH: Vũ Văn Quang
20. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bƣớc tiến triển vƣợt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và các ứng dụng đa phƣơng tiện trên Internet, điện thoại di động hiện đã có mặt ở khắp mọi nơi, nhu cầu về truyền thông đa phƣơng tiện di động đã và đang phát triển rầm rộ, đòi hỏi yêu cầu về băng thông cũng nhƣ dung lƣợng ngày càng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Việc nghiên cứu để tìm ra các phƣơng pháp mới, các thiết bị mới đã và đang diễn ra khắp nơi trên toàn thế giới nhằm cho ra đời các sản phẩm thế hệ kế tiếp chất lƣợng hơn, phù hợp hơn, và tin cậy hơn nhằm thỏa mãn nhu cầu vô tận của con ngƣời cả về chất lƣợng lẫn đa dạng dịch vụ mạng. Các hệ thống thông tin không dây luôn đƣợc nghiên cứu nhằm cải thiện chất lƣợng dung lƣợng cũng nhƣ khả năng chống lại hiện tƣợng đa đƣờng. Đối với các hệ thống thông tin truyền thống chất lƣợng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất phát; tƣơng tự dung lƣợng kênh truyền cũng có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức giới hạn nào đó vì công suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên đƣợc vì việc phân bố băng thông đã đƣợc định chuẩn sẵn. Các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng rộng rãi nhằm giảm ảnh hƣởng của fading đa đƣờng và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông [2][11]. Với sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật nhƣ kỹ thuật xử lý số tín hiệu (DSP), đặc biệt là công nghệ VLSI, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đã và đang đƣợc quan tâm nhiều hơn, ứng dụng nhiều hơn trong việc cải GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 1 HVTH: Vũ Văn Quang
21. Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM thiện hiệu quả băng thông cho hệ thống vô tuyến. Ở băng hẹp (narrowband), kênh fading là kênh fading phẳng (flat fading), phƣơng pháp mã hóa không gian-thời gian (ST) đã đƣợc đề xuất để khai thác phân tập không gian và thời gian [8]. Còn ở băng thông rộng (ở broadband), kênh fading là kênh lựa chọn tần số (selection frequency fading). Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) chuyển các kênh fading đa đƣờng lựa chọn tần số thành các kênh fading phẳng song song, vì vậy nó có thể làm giảm ảnh hƣởng của fading. Với một khoảng bảo vệ đủ lớn, kỹ thuật OFDM còn loại bỏ đƣợc hiệu ứng ISI. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ cân bằng và tăng hiệu quả sử dụng phổ [2]. Bài báo năm 1996 và 1999, các tác giả Foschini và Telatar [20], [22] đã chứng minh rằng hệ thống thông tin có nhiều anten (MIMO-Multiple-Input Multiple- Output) có dung lƣợng cao hơn nhiều so với các hệ thống chỉ có một anten (SISO). Bài báo đã chỉ ra rằng việc cải thiện dung lƣợng gần nhƣ tăng tuyến tính với số lƣợng anten phát hoặc anten thu. Kết quả này cho thấy tính ƣu việt của hệ thống nhiều anten và ngày càng có nhiều sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực này, nhiều công trình nghiên cứu đã đƣợc thực hiện nhằm cải tiến cũng nhƣ khái quát hóa các kết quả của họ. Bài báo của các tác giả V.Tarokh, N.Seshadri, and A. R. Calderbank (1998), đã sử dụng mã không gian-thời gian (Space-time codes) cho các hệ thống vô tuyến tốc độ cao [4]. Kết quả là các symbols đã đƣợc mã hóa và đƣợc truyền đồng thời trên tất cả các anten, sau đó đƣợc giải mã bằng giải thuật phát hiện tƣơng đồng tối đa (ML - maximum likelihood decoder). Cách làm này rất hiệu quả vì nó kết hợp giữa việc sửa lỗi với phân tập đƣờng truyền để tăng dung lƣợng hệ thống. Cũng trong năm 1998, bài báo của tác giả Alamouti [5] đã đề cử mã khối không gian-thời gian (STBC) đơn giản hơn, hấp dẫn hơn nhờ có độ phức tạp mã thấp, cho độ phân tập đầy và toàn tốc thích hợp cho môi trƣờng fading chậm. STBC có thể tăng dung lƣợng bằng cách khai thác độ phân tập không gian. Điều này đặc biệt hữu ích trong trƣờng hợp trải phổ (delay spread) thấp (ít bị phân tán tần số). Với việc dùng nhiều hơn một anten phát hay thu, hình thành một kênh nhiều đầu vào nhiều GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 2 HVTH: Vũ Văn Quang
22. S K L 0 0 2 1 5 4