Tài liệu Nghiên cứu hệ mimo - ofdm thích nghi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đoàn Thanh Xuân NGHIÊN CỨU HỆ MIMO-OFDM THÍCH NGHI Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH Hà Nội - 2008 MỤC LỤC BẢNG CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1 1.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM 1 1.2 Lý thuyết điều chế OFDM 4 1.2.1 Sự trực giao (Orthogonal) 4 1.2.2 Mô tả toán học của OFDM 5 1.2.3 Bộ điều chế/ giải điều chế OFDM 9 Khoảng bảo vệ 11 1.3.1 Bảo vệ chống lại offset thời gian 12 1.3.2 Bảo vệ chống lại ISI 13 1.4 Các ưu và nhược điểm 14 1.5 Kết luận 15 1.3 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO 16 Kỹ thuật phân tập 16 2.1.1 Các loại phân tập 16 2.1.2 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu 23 Hệ thống MIMO 26 2.2.1 Truyền thông qua kênh truyền MIMO 27 2.2.2 Dung năng hệ thống MIMO 31 Kết luận 40 2.1 2.2 2.3 CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MIMO_OFDM 41 Mô hình hệ thống MIMO – OFDM 41 3.1.1 Thiết kế phần mào đầu cho hệ thống MIMO_OFDM 43 3.1.2 Chèn Pilot 44 3.2 Thực hiện đồng bộ ở phần thu 44 3.3 Hiệu chỉnh độ dịch tần số lấy mẫu và theo dõi kênh truyền 48 3.3.1 Ước lượng độ dịch tần số lấy mẫu 49 3.3.2 Ước lượng kênh 50 3.3.3 Theo dõi độ dịch tần số lấy mẫu 50 3.4 Ước lượng kênh MIMO – OFDM 51 3.5 Kết luận 54 3.1 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO_OFDM THÍCH NGHI 55 4.1 Giới thiệu hệ thống 55 4.2 Giới thiệu chi tiết từng phần 56 4.2.1 Chi tiết hệ thống OFDM 56 4.2.2 Điều chế thích nghi 59 4.2.3 Hệ thống MIMO 63 Mô phỏng 64 4.3.1 Thông số hệ thống 64 4.3.2 Mô phỏng điều chế thích nghi 65 4.3.3 Hiệu năng hệ thống thông qua đồ thị BER_SNR và so sánh 4.3 4.4 kết quả 66 Kết luận 68 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 BẢNG CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng xoay chiều AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính b/s/Hz Bits per second per hertz Bit trên giây trên Hertz BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit bps Bits per second Bit trên giây BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm cơ sở CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DC Direct Current Dòng một chiều DFE Decision Feedback Equaliser Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định EGC Equal Gain Combining Tổ hợp độ lợi bằng nhau FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung chiều dài hữu hạn FM Frequency Modulation Điều chế tần số Fs Sample Frequency Tần số lấy mẫu FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số GSM Global System for Mobile Hệ thống toàn cầu cho truyền thông communications di động HDTV High Definition Television Truyền hình chất lượng cao HFC Hibrid Fiber Coax Cáp lai giữa cáp đồng và cáp quang ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IDFT/DFT Inverse Discrete Fourier Transform/ Biến đổi Fourier rời rạc ngược/ IF Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Intermediate Frequency Trung tần IFFT/FFT Inverse Fast Fourier Transform/ Biến đổi Fourier nhanh ngược/ Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự Km/s Kilometre per second Kilo mét trên giây m Metre Mét ms Milisecond Mili giây Mbps Mega bits per second Mega bit trên giây MIMO Multi Input Multi Output Nhiều anten phát nhiều anten thu MISO Multi Input Single Output Nhiều anten phát một anten thu MLSE Maximum Likelihood Sequence ước lượng chuỗi giống nhau Estimation lớn nhất Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình MMSE nhỏ nhất Tổ hợp tỉ số lớn nhất MRC Maximal Ratio Combining MRRC Maximal Ratio Receiver Combining Tổ hợp máy thu tỉ số lớn nhất NLOS Non Line-of-Sight Không theo tầm nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương RC Raised Cosine Cos nâng RF Radio Frequency Tần số radio s Second Giây SC Switching Combining Tổ hợp chuyển mạch SDV Singular Value Decomposition Phân tích giá trị kỳ dị SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu SIMO Single Input Multi Output Nhiều anten phát một anten thu SISO Single Input Single Output Một anten phát một anten thu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu STBC Space Time Block Code Mã hoá khối không gian thời gian STTC Space Time Trelis Code Mã hoá lưới không gian thời gian TCM Trellis Code Modulation Điều chế mã hoá lưới TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian W Wideband Dải rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây DANH MỤC HÌNH VẼ STT Số 1 1.1.1 Tên hình vẽ Trang (a) Phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 2 (b) Phổ năng lượng của hệ thống OFDM 2 2 1.2.3.1 Bộ điều chế OFDM 3 1.2.3.2 Ví dụ chòm điểm(constellation) điều chế IQ,16 – QAM, với mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí 8 10 4 1.2.3.3 Bộ giải điều chế OFDM 10 5 1.3.1.1 Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM 12 6 1.3.2.1 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI 13 7 1.3.2.2 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI 13 8 2.1.1 Sự phân tập của anten 18 9 2.1.2 Phân tập máy phát sử dụng mã khối không gian_ thời gian 20 10 2.1.3 Bộ nhận sử dụng mã khối không gian_thời gian 20 11 2.1.4 Phương pháp tổ hợp lựa chọn 23 12 2.1.5 Phương pháp tổ hợp chuyển nhánh 24 13 2.1.6 Phương pháp theo tỷ lệ lớn nhất MRC 25 14 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO 26 15 2.2.1.1 Truyền dữ liệu qua hệ thống MIMO 27 16 2.2.1.2 Phân loại kỹ thuật không gian – thời gian 28 17 2.2.2.1 Chuyển đổi kênh MIMO thành các kênh truyền song song 32 18 2.2.2.2 Mô hình kênh truyền MIMO khi nT > nR 33 19 2.2.2.3 Mô hình kênh truyền MIMO khi nR > nT 34 20 2.2.2.4 Cấu trúc SVD cho kênh truyền MIMO 21 3.1.1 Hệ thông MIMO Q anten phát và L anten thu 42 22 3.1.2 Cấu trúc khung cho hệ thống OFDM QxL 42 23 3.1.2.1 Phát xung pilot 24 3.4.1 35 45 Mô hình ước lượng thông số kênh cơ bản cho hệ MIMO_OFDM với 2 anten phát 55 25 4.2.1.1 Cấu trúc khối hệ thống OFDM 58 26 4.3.2.1 Phân phối bit và năng lượng cho kênh thay đổi tức thời . 68 27 4.3.3.1 Đường cong BER với SISO điều chế thích nghi 69 28 4.3.3.1 Đường cong BER với MIMO có điều chế thích nghi 70 MỞ ĐẦU Hiện nay, do nhu cầu thông tin ngày càng cao, truyền thông đa phương tiện trên kênh vô tuyến đang mở rộng không ngừng, yêu cầu ngày càng cao về tốc độ cũng như chất lượng phục vụ. Đối với các dịch vụ có tốc độ truyền dữ liệu lớn trong môi trường (fading, di động, đa đường, chọn lọc tần số …), làm giảm chất lượng các dịch vụ . Để khắc phục hiện tượng này người ta sử dụng phương pháp điều chế sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật MIMO. OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong đó dữ liệu đơn chia thành nhiều luồng dữ liệu con , mỗi luồng dữ liệu con được truyền trên một kênh riêng đồng thời ghép kênh theo tần số trực giao vì vậy tiết kiệm được băng tần sử dụng . Trong kỹ thuật MIMO nhiều anten được đặt ở máy phát và máy thu, kỹ thuật phân tập, mã hóa được sử dụng để tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu suất phổ mà không phải tăng băng thông hay công suất phát . Nội dung trình bày luận văn như sau : Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM bao gồm nguyên lý điều chế , sơ đồ thu phát OFDM sử dụng IFFT và FFT và các ưu , nhược điểm của OFDM Chương 2 : Hệ thống MIMO bao gồm các kỹ thuật phân tập , nguyên lý hệ thống MIMO phương pháp tính dung năng kênh MIMO và ưu nhược điểm của MIMO . Chương 3 : Hệ thống MIMO _ OFDM bao gồm mô hình hệ thống MIMO_OFDM, các phương pháp đồng bộ , hiệu chỉnh độ dịch tần số , ước lượng kênh truyền . Chương 4 : Mô phỏng hệ thống MIMO / OFDM thích nghi bao gồm chi hệ thống MIMO kỹ thuật điều chế thích nghi hệ thống MIMO và kết quả mô phỏng , so sánh truyền dẫn SISO thích nghi và MIMO thích nghi thông qua đồ thị BER_SNR 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM [1] Giới thiệu: FDM là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong việc truyền tín hiệu trong các kênh lựa chọn tần số. Về cơ bản, FDM chia độ rộng toàn bộ kênh thành những kênh con và truyền tín hiệu tốc độ thấp hơn vài lần bằng cách điều chế mỗi tín hiệu vào một tần số sóng mang riêng biệt. Để có thể phân tách tín hiệu ở máy thu, tần số sóng mang phải được sắp xếp đủ xa để phổ tín hiệu không bị chồng lấn. Hơn nữa để phân tách được tín hiệu với những bộ lọc hiện có thì cần có một khoảng phổ rỗng ở giữa các tín hiệu, điều này gây lãng phí dải thông. Để giải quyết vấn đề hiệu quả băng thông, OFDM đã ra đời trong đó các sóng mang trực giao được sử dụng để điều chế tín hiệu. Các sóng mang được sắp xếp ở những khoảng tần số tương ứng với tốc độ ký hiệu và có khả năng phân tách ở máy thu. Những sóng mang này đã mang lại hiệu suất sử dụng phổ tối ưu. Mặc dù OFDM được công bố vào năm 1960 nhưng mãi đến năm 1990 nó mới được sử dụng rộng rãi vì yêu cầu thiết kế mạch điện tử rất phức tạp, như là các thành phần tần số không thực và sự tuyến tính của các bộ khuếch đại. 1.1 Từ điều chế đa sóng mang đến điều chế trực giao OFDM * Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang FDM Trong phương pháp điều chế đa sóng mang , toàn bộ băng tần được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con khác nhau , phương pháp điều chế đa sóng mang cũng là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ được chia thành N C kênh song song có bề rộng là : Fs = B/NC 2 Fs Ch1 Ch2 Ch3 … ChNc (a) f B Băng tần tiết kiệm (b) f Hình 1.1.1: (a) Phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM (b) Phổ năng lượng của hệ thống OFDM Độ dài một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn Nc lần so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang : Ts(MC)= 1/Fs =Ts(MC).NC Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn gây ảnh hưởng ít hơn. Tuy nhiên điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần so với điều chế đơn tần mà ngược lại còn làm giảm hiệu suất phổ do các kênh phụ cần có một khoảng phân cách ở giữa. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã khắc phục nhược điểm này * Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Trong phương pháp này, các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang phụ là trực giao với các sóng mang còn lại. Nhờ sự trực giao này mà 3 phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau . Điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu hệ thống tăng lên rõ rệt . Hình 1.1.1 (b) minh hoạ một cách đơn giản về nguyên lý trực giao , phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x . Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của các kênh con lân cận . Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ kênh con chồng lấn bên nhau 1.2 Lý thuyết điều chế OFDM 1.2.1 Sự trực giao (Orthogonal) “Orthogonal” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM .Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau 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 và việc đưa vào các khoãng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống . Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang .Muốn được như vậy các sóng mang phài trực giao về mặt toán học .Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giải điều chế ,dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero .Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa 4 các sóng là bội số của 1/τ .Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra can nhiễu bởi các sóng mang ICI(Inter-CarrierInterference) cũng làm mất đi tính trực giao. Về mặt toán học ,trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis ) {{ψ(t) / i = 0,1,...} i có tính chất sau : 1  i  k 0  i  k   i  t  k  t  dt   ik   Ở đây dấu * chỉ sự liên hiệp phức .Ví dụ : Nếu tín hiệu là sin(mx) với m=1,2…. Thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π. Việc xử lý (điều chế và giải điều chế ) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số ,bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing ).Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP .Trong toán học ,số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ.Theo định nghĩa ,hai vecto được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900 ) và tích của 2 vectơ là bằng 0.Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau , tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0. Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ bằng không ngoại trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x ,được tách ra dễ dàng và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định .Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang ,đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao . 5 ♦ Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp ứng kênh cần dùng nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông ,do vậy bị ảnh hưởng không lớn của đáp ứng kênh đến dữ liệu nói chung . ♦ Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang .Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao ,khi đó các sóng mang có thể chồng lấn nhau mà vẫn không gây can nhiễu . 1.2.2 Mô tả toán học của OFDM Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào ,máy thu vận hành như thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tác động không hoàn hảo trong kênh truyền. Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dải thông hẹp được đặt cách nhau chính xác trong miền tần số .Để tránh việc sử dụng một số lượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số luợng lớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ở máy thu thì phương pháp này phải sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại. Trong toán học ,mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức : Sc  t   Ac  t  e j  nt c  t  (1.2.2.1) Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t).Cả Ac(t) và Φc(t)( Biên độ và pha tương ứng của sóng mang ) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol cơ bản.Đối với điều chế QPSK , biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha sẽ lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thông thường. Đối với symbol thứ p ,trên khoảng thời gian (p-1)τ - Xem thêm -