Tài liệu Kết hợp mã ldpc với tách sóng sic để nâng cao chất lượng hệ thống mimo-ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG KẾT HỢP MÃ LDPC VỚI TÁCH SÓNG SIC ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM S K C 0 0 0 3 2 9 8 6 1 8 NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C 0 0 3 9 7 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG KẾT HỢP MÃ LDPC VỚI TÁCH SÓNG SIC ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG KẾT HỢP MÃ LDPC VỚI TÁCH SÓNG SIC ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Xuân Trường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/05/1983 Nơi sinh: Tp.HCM Quê quán: Thành phố Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 76A, Lô Tư, P.Bình Hưng Hòa A, Quận Bình Tân, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0932 710 365 Fax: E-mail: [email protected] II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ: 09/2005 đến 05/2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Điện tử - Viễn thông Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tổng quan về hệ thống MC-CDMA Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 05/2010 tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Hồng Liên III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Từ lúc bắt đầu tìm tài liệu, trong suốt quá trình thực hiện và cho đến khi đạt được kết quả là quá trình tự tìm tòi, nghiên cứu của chính bản thân tác giả. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 4 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Xuân Trường iv LỜI CẢM TẠ Cảm ơn ba mẹ đã có công sinh thành, dưỡng dục và động viên con trong quá trình học tập. Chân thành cảm ơn cô Phạm Hồng Liên đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn cũng như các thầy cô đã giảng dạy em trong suốt quá trình học. Cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã đánh giá, nhận xét và phản biện giúp em hoàn chỉnh luận văn này. Cảm ơn các bạn cùng khóa học lớp cao học Kỹ thuật Điện tử, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, niên khóa 2010-2012 đã giúp đỡ tôi trong học tập cũng như giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình thực hiện luận văn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 4 năm 2013 Học viên Nguyễn Xuân Trường v TÓM TẮT Trong thời đại thông tin ngày nay, các hệ thống thông tin liên lạc không dây tốc độ dữ liệu và độ tin cậy cao đang trở thành nhân tố chủ đạo cho việc triển khai thành công các mạng thương mại. Do đó, các phương pháp cho phép truyền thông tin đáng tin cậy sẽ trở nên quan trọng hơn. Lý thuyết thông tin và các mã sửa lỗi là những lĩnh vực nghiên cứu làm thế nào để đạt được mục tiêu đó. Có nhiều mã sửa lỗi đã được giới thiệu trước đây, nhưng trong những năm gần đây, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) đã xuất hiện như là ứng cử viên tốt nhất để giải quyết vấn đề đó. Hiệu suất mã LDPC đã được chứng minh là rất gần với giới hạn lý thuyết, mà một mã có thể đạt đến được gọi là dung lượng kênh. Thông tin số sử dụng liên kết không dây MIMO gần đây đã nổi lên như là một bước đột phá kỹ thuật quan trọng nhất trong thông tin hiện đại. Hệ thống anten MIMO đã được chứng minh là có khả năng tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và cải thiện độ tin cậy mà không yêu cầu thêm phổ và công suất. Ghép kênh MIMO là một cách để cải thiện tốc độ dữ liệu thông tin. Mặt khác, ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để thực hiện điều chế đa sóng mang với việc sử dụng tối đa băng thông và đặc điểm hiệu suất cao có khả năng chống lại fading đa đường. MIMO kết hợp với OFDM có thể tăng dung lượng, độ tin cậy, hỗ trợ các dịch vụ internet và các ứng dụng đa phương tiện. MIMO-OFDM là một công nghệ băng rộng không dây mới đã trở nên phổ biến cho khả năng truyền dẫn tốc độ cao và khả năng chống lại fading đa đường mạnh và các tổn hại kênh truyền khác. MIMO-OFDM đã trở thành sự kết hợp công nghệ hứa hẹn cho thông tin không dây hiện tại và tương lai. Hệ thống MIMO là một ứng cử viên hấp dẫn cho mạng không dây thế hệ thứ tư do tiềm năng khai thác phân tập không gian để tăng thông lượng mà không lãng phí tài vi nguyên băng thông và công suất. Đặc biệt, kiến trúc phân lớp không gian-thời gian dạng chéo (D-BLAST) được đề xuất bởi Foschini, là một kỹ thuật đạt được một phần đáng kể dung lượng lý thuyết. Do độ phức tạp của việc thực hiện kiến trúc D-BLAST, một phiên bản sửa đổi đã được đề xuất, được gọi là V-BLAST (Vertical BLAST). Còn có một kiến trúc phân lớp không gian-thời gian khác được gọi là Turbo-BLAST, là sự kết hợp của tách sóng BLAST và giải mã kênh theo phương pháp lặp. Các kỹ thuật tách sóng MIMO hiện tại có thể đại khái được chia thành các phương pháp tách sóng tuyến tính, phi tuyến và chính xác. Phương pháp tuyến tính như là Zero-Forcing, MMSE cung cấp độ phức tạp thấp cùng với hiệu suất tỉ lệ lỗi bit (BER) giảm so với các phương pháp phi tuyến như VBLAST. Các bộ tách sóng phi tuyến không quá phức tạp về mặt tính toán với hiệu suất chấp nhận được. Luận văn này so sánh hiệu suất của các phương pháp tách sóng sử dụng tiêu chuẩn ZF và MMSE kết hợp với giải thuật V-BLAST, cụ thể là triệt can nhiễu liên tiếp (SIC) và triệt can nhiễu liên tiếp có phân bậc (OSIC). vii ABSTRACT In this new information age, high data rate and strong reliability features of wireless communication systems are becoming the dominant factor for a successful deployment of commercial networks. As a result methods that allow reliable transmission of information will become more and more important. Information Theory and Error Correction codes are the research areas that study how to achieve such a goal. Many error correction codes have been presented in the past but in recent years, Low Density Parity Check Codes (LDPC) has imposed as the best candidates to solve the problem. The performances of LDPC codes have been shown to be very close to the theoretical limit that a code can reach a given channel, the channel capacity. Digital communication using multiple-input multiple-output (MIMO) wireless links has recently emerged as one of the most significant technical breakthroughs in modern communications. Multiple-input multiple-output (MIMO) antenna systems have been shown to be able to substantially increase data rate and improve reliability without extra spectrum and power resources. MIMO multiplexing is a way to gain robustness and achievement in speed of data information. On the other hand, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a promising technique to perform multicarrier modulation with maximum utilization of bandwidth and high performance characteristics profile against fading in multipath communication. In addition, MIMO in combination with OFDM can increase capacity, reliability, support to internet services and multimedia applications. MIMO-OFDM, a new wireless broadband technology, has gained great popularity for its capability of high rate transmission and its robustness against multi-path fading and other channel viii impairments. MIMO-OFDM has become the most promising technology combination for present and future wireless communications. MIMO systems are an appealing candidate for emerging fourth-generation wireless networks due to their potential to exploit space diversity for increasing conveyed throughput without wasting bandwidth and power resources. Particularly, diagonal layered space-time architecture (D-BLAST) proposed by Foschini, is a technique to achieve a significant fraction of the theoretical capacity. Due to the complexity of implementation of the D-BLAST architecture, a modified version was proposed, which is known as V-BLAST (Vertical BLAST). There is another layered space-time architecture called Turbo-BLAST, which is the combination of BLAST detection and channel decoding in an iterative way. The existing MIMO detection techniques can be broadly divided into linear, non-linear and exact detection methods. Linear methods like Zero-Forcing, MMSE offer low complexity with degraded Bit Error Rate (BER) performance as compared to nonlinear methods like VBLAST. Non-linear detectors are computationally not very expansive with acceptable performance. This thesis compares the performance of different detection methods using ZF and MMSE criteria combined with general V-BLAST algorithm, in particular, the Successive Interference Cancellation (SIC) and the Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC) detectors. ix MỤC LỤC TRANG Trang tựa .......................................................................................................................... i Quyết định giao đề tài ..................................................................................................... ii Lý lịch cá nhân ............................................................................................................... iii Lời cam đoan .................................................................................................................. iv Cảm tạ ............................................................................................................................. v Tóm tắt ........................................................................................................................... vi Mục lục ............................................................................................................................ x Danh sách các chữ viết tắt ............................................................................................ xiv Danh sách các hình...................................................................................................... xvii Danh sách các bảng ....................................................................................................... xx Chƣơng 1. GIỚI THIỆU............................................................................................... 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố .................................................................................................. 1 1.2 Mục đích của đề tài ................................................................................................. 6 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài .................................................................. 7 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 8 1.5 Nội dung luận văn ................................................................................................... 8 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 9 2.1 Kênh truyền vô tuyến.............................................................................................. 9 2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến ......................... 9 2.1.2 Mô hình kênh truyền fading Rayleigh ................................................................. 11 2.2 OFDM ..................................................................................................................... 13 2.2.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 13 2.2.2 Nguyên lý OFDM ................................................................................................ 14 x 2.2.3 Ưu và nhược điểm của OFDM ............................................................................. 17 2.3 MIMO ..................................................................................................................... 18 2.3.1 Mô hình hệ thống và kênh truyền MIMO ............................................................ 18 2.3.2 Dung lượng kênh truyền MIMO .......................................................................... 20 2.3.3 Ưu điểm của công nghệ MIMO ........................................................................... 23 2.4 MIMO-OFDM ....................................................................................................... 24 2.5 Khái niệm cơ bản về mã LDPC ........................................................................... 25 2.5.1 Mã khối tuyến tính ............................................................................................... 26 2.5.1.1 Mã khối ở dạng hệ thống................................................................................... 28 2.5.1.2 Giải mã mã khối tuyến tính ............................................................................... 28 2.5.2 Định nghĩa mã LDPC ........................................................................................... 29 2.5.3 Biểu diễn mã LDPC ............................................................................................. 30 2.5.3.1 Biểu diễn ma trận .............................................................................................. 30 2.5.3.2 Đồ hình Tanner ................................................................................................. 30 2.5.4 Mã LDPC có quy tắc và bất quy tắc .................................................................... 32 2.5.4.1 Mã LDPC có quy tắc ......................................................................................... 32 2.5.4.2 Mã LDPC bất quy tắc ........................................................................................ 33 2.5.5 Mã hóa mã LDPC................................................................................................. 33 2.5.6 Giải mã mã LDPC ................................................................................................ 33 2.5.6.1 Ký hiệu .............................................................................................................. 34 2.5.6.2 Giải thuật giải mã truyền độ tin cậy dựa trên xác suất (Probabilistic Belief Propagation Decoding Algorithm) ................................................................................ 36 2.5.7 Thiết kế và tối ưu mã LDPC ................................................................................ 37 2.6 Tóm tắt ................................................................................................................... 40 Chƣơng 3. KIẾN TRÚC V-BLAST VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG V-BLAST ...................................................................................................... 42 3.1 Tổng quan về kiến trúc BLAST ........................................................................... 42 xi 3.1.1 Diagonal-BLAST (D-BLAST) ............................................................................ 43 3.1.2 Vertical BLAST (V-BLAST)............................................................................... 45 3.1.2.1 Máy phát V-BLAST .......................................................................................... 47 3.1.2.2 Máy thu V-BLAST ........................................................................................... 48 3.2 Tách sóng V-BLAST ............................................................................................. 49 3.2.1 Tách sóng tuyến tính ............................................................................................ 49 3.2.1.1 Zero Forcing ...................................................................................................... 50 3.2.1.2 Sai số bình phương trung bình tối thiểu ............................................................ 52 3.2.2 Tách sóng phi tuyến ............................................................................................. 53 3.2.2.1 Tách sóng Maximum Likelihood ...................................................................... 53 3.2.2.2 Triệt can nhiễu liên tiếp (SIC) ........................................................................... 54 3.3 Phân tích độ phức tạp tách sóng V-BLAST ....................................................... 59 3.3.1 Quy tắc chung trong phân tích độ phức tạp ......................................................... 59 3.3.2 Phân tích độ phức tạp tách sóng tuyến tính ......................................................... 60 3.3.2.1 Độ phức tạp của Zero-Forcing .......................................................................... 60 3.3.2.2 Độ phức tạp của MMSE .................................................................................... 61 3.3.3 Phân tích độ phức tạp trong tách sóng SIC (V-BLAST) ..................................... 61 3.3.3.1 Độ phức tạp của ZF-VBLAST .......................................................................... 61 3.3.3.2 Độ phức tạp của MMSE-VBLAST ................................................................... 63 3.3.4 Độ phức tạp của Maximum Likelihood ............................................................... 63 3.4 Tóm tắt ................................................................................................................... 66 Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................... 67 4.1 Mô phỏng mã LDPC ............................................................................................. 67 4.2 Mô phỏng hiệu suất (tỉ lệ lỗi bit - BER) .............................................................. 73 4.2.1 Mô tả hệ thống ..................................................................................................... 73 4.2.2 Các giả định sử dụng trong mô phỏng ................................................................. 74 xii 4.2.3 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống 2x2 V-BLAST MIMO – OFDM không sử dụng mã hóa LDPC ................................................................................................................ 77 4.2.4 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống 2x2 V-BLAST MIMO – OFDM có sử dụng mã hóa LDPC ...................................................................................................................... 88 4.3 Độ phức tạp của các phƣơng pháp tách sóng ..................................................... 96 4.4 Tóm tắt ................................................................................................................... 98 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 99 5.1 Kết luận .................................................................................................................. 99 5.2 Hƣớng phát triển ................................................................................................. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 102 xiii