đề tài tìm hiểu và mô phỏng hệ thống ofdm-mimo ứng dụng cho lte

77 780 0
đề tài tìm hiểu và mô phỏng hệ thống ofdm-mimo ứng dụng cho lte

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Báo cáo đồ án tốt nghiệp : Bản sơ thảo Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng hệ thống OFDM-MIMO ứng dụng cho LTE. Giáo viên hướng dẫn : TS. Phạm Hải Đăng Sinh viên thực hiện : Nguyễn Việt Duy-ĐTVT 07-K54 Mục lục Chương 1. Kỹ thuật điều chế OFDM 1.1. Khái niệm chung Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Với kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. (a) Tần số Tần số Tiết kiệm băng thông (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) Ch.1 Ch.10 Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. 1.1.1. Hệ thống điều chế đơn sóng mang Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang. Hình 1.2: Truyền dẫn sóng mang đơn Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu. Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang. 1.1.2. Hệ thống điều chế đa sóng mang Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích. Hình 1. 3: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng: ))((2 1 0 1 )( LNlTtπkj l N- k l,k s ea N tS +− = ∑∑ = (1.1) Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l N : số sóng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP) Khoảng cách sóng mang nhánh là s NTT 11 = Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. 1.2. Mô hinh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Hình 1.4 :Sơ đồ hệ thống OFDM 1.2.1. Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang. k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Hình 1.5:Bộ S/P và P/S Phía thu sẽ dùng bộ chuyển đổi song song-nối tiếp Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất. Hình 1.5 mô tả bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và từ song song sang nối tiếp. 1.2.2. Bộ mapper và Demapper Hình 1.6: Bộ Mapper và Demapper Từng symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M = 2 b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao (constellation). Bên phía thu, bộ demaper chuyển các vị trí trong giản đồ chòm sao thành symbol b bit tương ứng. Các phép điều chế có thể có như: • BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0 0 hoặc 180 0 , tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb. • QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dibit), Baud = Rb/ 2. • 8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3. • 16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4. 1.2.3. Bộ IFFT và FFT Hình 1.7: Bộ IFFT và FFT Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT. Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là: ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts Tần số trên sóng mang thứ k là f k = f 0 + k∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng: ∑ − = ∆+Π = 1 0 )(2 0 )()( N k tfkfj ekXtx , s Tt ≤≤ 0 = ∑ − = ∆Π ∏ 1 0 2 2 )( 0 N k ftkj tfj ekXe (1.2) Trong đó: ∑ − = ∆Π = 1 0 2 )()( N k ftkj a ekXtx (1.3) Là tín hiệu băng gốc. Ở băng gốc: + Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s /N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình trên được viết lại như sau: ∑ − = ∆Π == 1 0 /2 )()()( N k NfTnkj s N n aa s ekXTxtx (1.4) + Nếu thỏa mãn điều kiện: 1 =∆ s fT )( 1 s T f =∆ Thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này phương trình trên được viết lại: {X(k)}.)()( 1 0 /2 IDFTNekXnx N k Nnkj a == ∑ − = Π (1.5) Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian. Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có : Nnkj N n a enxnDFTkX /2 1 0 a * )(})({x)( Π− − = ∑ == ∑∑ − = − = −Π = 1 0 1 0 /)(2 1 )( N n N m Nkmnj N emX ∑ ∑ ∑ − = − = − = −Π −== 1 0 1 0 1 0 1 /)(2 1 )()()( N m N n N m N Nkmnj N kmNmXemX δ = ∑ − = − 1 0 )()( N m kmmX δ = )(kX (1.6) Ở đây, hàm )( km − δ là hàm delta, được định nghĩa là: [...]... 1.3 Sự trực giao Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Đối với hệ thống đa sóng mang,... OFDM 1.4.1 Điều chế trong OFDM Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK M 2 Dạng điều chế BPSK an,... tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ Hình 1.18 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào − E , còn logic '0' thì biến đổi vào E Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng. [7] 1.4.1.3 Điều chế QAM Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được... điều chế BPSK an, bn 4 QPSK ±1 16 16-QAM ±1 ±3 ±1 , 64 64-QAM ±1 ±3 ±5 ±7 , , , Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn 1.4.1.1 Điều chế BPSK Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[7] Si (t ) = 2 Eb c o s[ πf c t + θ (t ) + θ... quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra Chẳng hạn: khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation) Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b 0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q b0 b1 b2... Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích T FFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên... phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời giantần số, vì vậy OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống Mẫu tín hiệu dẫn đường (pilot) chèn với tín hiệu có ích... mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier (Inverse Fast Fourier Transform – IFFT) nên cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp, phương pháp này mới được đưa vào thực tiễn 1.2.5 Bộ biến đổi D/A và A/D Hình 1.13: Bộ A/D và D/A Chuỗi symbol rời rạc s[n] sau khi được chèn khoảng bảo vệ ΔG, sẽ được đưa vào bộ biến... thêm vào đây là (n-k) bit Ví dụ: mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã Reed Solomon Với mã chập: Đặc trưng bởi 3 thông số là (n, k, m), trong đó: n là số bit ra, k là số bit vào, m là số bit trước đó Vậy n bit của từ mã ra không chỉ phụ thuộc vào k bit vào mà còn phụ thuộc vào (m-1)k bit thông tin trước đó (được gọi là các bit trạng thái) n bit ngõ ra được tạo ra bằng cách chập k bit ngõ vào với một đáp ứng. .. nhiễu ISI là: TG ≥τmax (1.7) Hình 1.9: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ ước lượng kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống bị giảm đi một hệ số là: η= TS TS + TG hiệu suất= phát/thu . Báo cáo đồ án tốt nghiệp : Bản sơ thảo Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng hệ thống OFDM-MIMO ứng dụng cho LTE. Giáo viên hướng dẫn : TS. Phạm Hải Đăng Sinh viên thực hiện. kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. 1.1.1. Hệ thống điều chế đơn sóng mang Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang. Hình 1.2:. kênh theo tần số trực giao. 1.2. Mô hinh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Hình 1.4 :Sơ đồ hệ thống OFDM 1.2.1. Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial Bộ chuyển đổi

Ngày đăng: 03/11/2014, 11:42

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • Chương 1. Kỹ thuật điều chế OFDM

    • 1.1. Khái niệm chung

      • 1.1.1. Hệ thống điều chế đơn sóng mang

      • 1.1.2. Hệ thống điều chế đa sóng mang

    • 1.2. Mô hinh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM

      • 1.2.1. Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial

      • 1.2.2. Bộ mapper và Demapper

      • 1.2.3. Bộ IFFT và FFT

      • 1.2.4. Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI

      • 1.2.5. Bộ biến đổi D/A và A/D

      • 1.2.6. Bộ Up-Converter và Down-Converter

      • 1.2.7. Bộ cân bằng (Equalizer)

    • 1.3. Sự trực giao

      • 1.3.1. Trực giao miền tần số

      • 1.3.2. Cơ sở toán học trong trực giao

    • 1.4. Các kỹ thuật cơ bản trong OFDM

      • 1.4.1. Điều chế trong OFDM

        • 1.4.1.1. Điều chế BPSK

        • 1.4.1.2 . Điều chế QPSK

        • 1.4.1.3. Điều chế QAM

        • 1.4.1.4. Mã Gray

      • 1.4.2. Mã hóa kênh

      • 1.4.3. Sắp xếp

  • Q

    • 1.4.4. Tiền tố lặp CP

    • 1.4.5. Ước lượng kênh truyền

      • 1.4.5.1. Khái niệm.

      • 1.4.5.2. Ước lượng kênh trong miền tần số

      • 1.4.5.3. Ước lượng kênh trong miền thời gian

    • 1.5. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống OFDM

      • 1.5.1. Ưu điểm

      • 1.5.2. Nhược điểm

    • 1.6. Kết luận

  • Chương 2. Tìm hiểu hệ thống MIMO

    • 2.1. Giới thiệu

    • 2.2. Sơ lược sự phân tập

      • 2.2.1. Phân tập thời gian

      • 2.2.2. Phân tập tần số

      • 2.2.3. Phân tập không gian

    • 2.3. Độ lợi trong hệ thống MIMO

    • 2.4. Kết luận chương

  • Chương 3. Tổng quan về LTE

    • 3.1. Giới thiệu về công nghệ LTE

    • 3.2. Tiềm năng công nghệ

    • 3.3. Hiệu suất công nghệ

    • 3.4. Quản lý tài nguyên vô tuyến

    • 3.5. Kiến trúc mạng LTE

    • 3.6. Kết luận chương

  • Chương 4. Mô phỏng kênh điều khiển vật lý đường xuống LTE

    • 4.1. Tài nguyên vật lý đường xuống

    • 4.2. Các tín hiệu tham khảo đường xuống

      • 4.2.1. Các chuỗi tín hiệu tham khảo và việc nhận dạng tế bào lớp vật lý (Reference signals sequences and physical layer cell identity)

      • 4.2.2. Nhảy tần tín hiệu tham khảo (Reference signal frequency hopping)

      • 4.2.3. Các tín hiệu tham khảo cho truyền dẫn đa anten (Reference signals for multi-antenna transmission)

    • 4.3. Xử lý kênh truyền tải đường xuống

      • 4.3.1. Chèn CRC

      • 4.3.2. Mã hóa kênh

      • 4.3.3. Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật lý

      • 4.3.4. Ngẫu nhiên hóa mức độ bit

      • 4.3.5. Điều chế dữ liệu

      • 4.3.6. Ánh xạ anten

      • 4.3.7. Ánh xạ khối tài nguyên

    • 4.4. Mô hình mô phỏng

    • 4.5. Kết quả mô phỏng

  • Chương 5. Kết luận

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan