Đang tải... (xem toàn văn)
Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày càng phát triển và đặc biệt là thông tin vô tuyến ngày càng quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngày nay.Tuy nhiên, việc truyền thông tin trong môi trường vô tuyến lại chịu tác động rất nhiều từ môi trường, cùng với việc hạn chế về băng thông và công suất.Vì vậy để hạn chế các tác động của môi trường, cùng với khả năng sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả. Người ta đã ứng dụng các kỹ thuật ghép kênh tiên tiến như là TDM,FDM,CDM…, kết hợp với các phương pháp khác nhau để cải thiện chất lượng của kênh truyền vô tuyến như dùng các mã tối ưu, anten thông minh, phân tập...Một trong những kỹthuật tiên tiến, có hiệu quả và được ứng dụng nhiều trong thực tế là hệ thống MIMO. Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn.Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, người ta đã sử dụng một kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội là kỹ thuật OFDM. Với công nghệ OFDM ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông một cách tối ưu hơn, có khả năng chống một số loại nhiễu . Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMOOFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn đề được nêu ra trong lý thuyết. Link down code mô phỏng.Bạn muốn password unrar gửi tới mail:Thuongmaidientu.org@gmail.com https://www.dropbox.com/s/te794y9nmojgydk/mophong-OFDM.rar
Lời cam đoan Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. LANGTUDONCOI MỤC LỤC 1.3.1 Kỹ thuật phân tập 10 Chương 3: Hệ Thống MIMO 27 3.1 Giới Thiệu chương 27 3.2 Hệ thống MIMO 27 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO 29 3.3 Mã Hóa Không Gian-Thời Gian STC 30 3.3.1 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC 30 3.3.2 Mã hóa không gian-thời gian lới STTC 35 3.4 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST 36 3.4.1 Kiến trúc V-BLAST 36 3.4.2 Giải mã tín hiệu V-Blast 37 Chương 4: Hệ thống MIMO-OFDM 41 4.1 Giới Thiệu 41 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 41 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 41 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 43 LANGTUDONCOI CÁC TỪ VIẾT TẮT Danh sách từ viết tắt A/D Analog to Digital AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CP Cyclic Prefix D/A Digital to Analog DFT Discrete Fourier Transform FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform I.I.D Independent and Identically Distributed ISI InterSymbol Interference LAN Local Area Network LOS Light Of Sight LPF Low Pass Filter MIMO Multiple Input Muliple Output MISO Multiple Input single Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Sqare Error MS Mobile Station OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial LANGTUDONCOI CÁC TỪ VIẾT TẮT PAPR Peak to Average Power Ratio QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SC Single Carrier Communication STBC Space-Time Block Code V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time ZF Zero-Forcing LANGTUDONCOI MỞ ĐẦU Mở đầu Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày càng phát triển và đặc biệt là thông tin vô tuyến ngày càng quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngày nay. Tuy nhiên, việc truyền thông tin trong môi trường vô tuyến lại chịu tác động rất nhiều từ môi trường, cùng với việc hạn chế về băng thông và công suất. Vì vậy để hạn chế các tác động của môi trường, cùng với khả năng sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả. Người ta đã ứng dụng các kỹ thuật ghép kênh tiên tiến như là TDM,FDM,CDM…, kết hợp với các phương pháp khác nhau để cải thiện chất lượng của kênh truyền vô tuyến như dùng các mã tối ưu, anten thông minh, phân tập Một trong những kỹthuật tiên tiến, có hiệu quả và được ứng dụng nhiều trong thực tế là hệ thống MIMO. Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn. Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, người ta đã sử dụng một kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội là kỹ thuật OFDM. Với công nghệ OFDM ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông một cách tối ưu hơn, có khả năng chống một số loại nhiễu . Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO-OFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn đề được nêu ra trong lý thuyết. Nội dung của đồ án bao gồm 5 chương như sau: Chương 1 : Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến Chương 2: Kỹ thuật OFDM Chương 3: Hệ thống MIMO Chương 4 : Hệ thống MIMO-OFDM Chương 5: Mô phỏng và hướng phát triển LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN Chương 1 : Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến 1.1 Giới thiệu Đây là chương giới thiệu về các nhân tố ảnh hưởng đến một kênh truyền vô tuyến hay gặp, cũng như mô tả một cách trực quan về nó. Đồng thời đưa ra các cách khắc phục nó tốt hơn 1.2 Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến 1.2.1 Tài nguyên vô tuyến Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do đó nó cần sử dụng một cách có hiệu quả nhất. Tài nguyên vô tuyến ở đây có thể được hiểu là các dãi tần số được cấp phát giới hạn và cố định cho một mục đích cụ thể nào đó như truyền hình, phát thanh, thông tin di động Vì vậy, để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả người ta đã đưa ra các phương pháp ghép kênh khác nhau như TDM,FDM,OFDM,SDM… 1.2.2 Suy hao kênh truyền Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng. Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. ta có công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: 2 4 = R GGPP RTTR π λ ( 1.1 ) Trong đó : P T ,P R là công suất phát,thu được (Watts). G T là độ lợi của anten phát, G R là độ lợi của anten thu. λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m). R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng mét. Gọi L pt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: L pt (dB)=10log 10 Pr PtGtGr =10log 10 λ π R4 2 ( 1.2 ) LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN Hình 1.1 Suy hao theo khoảng cách 1.2.3 Các loại nhiễu -Nhiễu trắng Gaussian: Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông. Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét. Lưu ý rằng nhiễu Gaussian là nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian. Hình 1.2 Nhiễu trắng -Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) Hình 1.3 Nhiễu liên kí tự Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn. -Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference) ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con. ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh, nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu. Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng bảo vệ một cách tuần hoàn, dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM). Hình 1.4 Nhiễu ICI trong OFDM 1.2.4 Fading Tín hiệu được phát đi qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối … bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ… các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin hay gặp có thể được phân thành các loại sau : Fading phẳng(flat fading), fading chọn lọc tần số(selective fading), fading nhanh (fast fading), fading chậm(slow fading). +Fading phẳng xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu . Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp (hẹp hơn độ rộng kênh truyền) nên chịu ảnh hưởng của flat fading. Ảnh hưởng của flat fading tác LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN động lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tính toán độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng hơn . +Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading. Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự -ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp như Phân tập, sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer), ZF (Zero Forcing) và sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER . +Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi delta_f so với tần số phát tương ứng. Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh. +Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing). Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading). Hình 1.5 Hiện tượng fading LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN 1.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền 1.3.1 Kỹ thuật phân tập Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi cải thiện chất lượng của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau. Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các bản sao khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện chất lượng của đường truyền. - Phân tập không gian Phân tập không gian sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu trên các anten khác nhau trong miền không gian. Hình1.6 Các phương pháp phân tập Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà người ta chia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát ( hệ thống MISO), phân tập anten thu ( hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO). Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường. Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta có kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập để có một hệ thống phân tập tốt hơn như phân tập theo không gian thời gian(STC), phân tập theo không gian tần số (SFC) LANGTUDONCOI [...]... hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống và tăng chất lượng vùng phủ cũng như là làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ, tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn Chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO 3.2 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thông tin điểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ. .. gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER mà không cần tăng công suất hay băng thông của hệ thống nhờ các mã phân tập như STBC,STTC, V-BLAST Hình 3.1: Hình trực quan của một hệ thống MIMO 3.2.1 Các độ lợi trong hệ thống MIMO Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi là: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập... về kỹthuật OFDM cùng với việc ứng dụng của nó vào các vấn đề thực tế.Trong chương tiếp theo ta sẽ nói rõ hơn về các vấn đề tác động vào hệ thống OFDM , và nguyên lý của nó LANGTUDONCOI CHƯƠNG 3:HỆ THỐNG MIMO Chương 3: Hệ Thống MIMO 3.1 Giới Thiệu chương Kỹ thuật MIMO là tên gọi chung cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu và phía phát kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín... beamforming Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ LANGTUDONCOI CHƯƠNG 3:HỆ THỐNG MIMO bao phủ của hệ thống Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước... những ưu điểm thì hệ thống OFDM còn tồn tại nhiều nhược điểm: Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên công suất tương đối cực đại PAPR lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại công suất Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang 2.6 Kết luận chương Trong chương này, đã giúp ta có một cái nhìn khái quát hơn về một hệ thống OFDM qua... thường được thực hiện trong môi trường ít tán xa Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập Hình 3.2: Kỹ thuật Beamforming Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing) Hình 3.3: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Tận dụng các kênh truyền song song có được từ nhiều anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu... Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO Từ các phần trước có thể thấy rõ là kỹ thuật mimo giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương ứng với số lượng anten thu và phát bằng cách áp dụng các kỹ thuật đã nói ở trên.Trong trường hợp tổng quát với N t an ten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trên tạp âm có thể tăng lên tương ứng với N t xNr , và cho... Kiến trúc V-BLAST VBLAST có thể tăng dung lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào chiều không gian do hệ thống MIMO cung cấp V-BLAST sử dụng N T anten phát và NR anten thu với NT≤ NR Ở phía phát, các bit của chuỗi dữ liệu gốc sẽ được sắp xếp thành các symbol và chia thành NT luồng dữ liệu con Các luồng dữ liệu con này sẽ được điều chế theo cùng một chòm sao và phát đồng thời trên N T anten Ở phía thu, mỗi... lới STTC STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được mở rộng cho trường hợp MIMO Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông vũ LANGTUDONCOI CHƯƠNG 3:HỆ THỐNG MIMO trụ và vệ tinh, do chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu vào để tạo ra một chuỗi các vevtor mã... đầu vào để tạo ra từng chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi tăng số trạng thái của lưới mã Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều độ phức tạp của STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống . thông tin vô tuyến. Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin hay gặp có thể được phân thành các loại sau : Fading phẳng(flat fading), fading chọn lọc tần số(selective fading), fading nhanh. Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SC Single Carrier Communication STBC Space-Time. Transform ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform I.I.D Independent and Identically Distributed ISI InterSymbol Interference LAN