Tài liệu đánh giá hệ thống v ofdm trong kênh fading

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- PHẠM NGUYỄN QUỐC HƯNG ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG V-OFDM TRONG KÊNH FADING Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Nguyễn Quốc Hưng..............................MSHV:11140020............ Ngày, tháng, năm sinh: 16/02/1985 ...........................................Nơi sinh: Khánh Hòa ...... Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử ............................................. Mã số : 605270 ............ I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG V-OFDM TRONG KÊNH FADING ...... ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá hệ thống V-OFDM thông qua kênh truyền fading đa đường. Phân tích độ lợi phân tập, độ lợi mã của mỗi khối vector trong hệ thống V-OFDM để đưa ra đánh giá về chất lượng của hệ thống thông qua kênh truyền fading Đánh giá các phương pháp nâng cao hiệu suất của hệ thống V-OFDM và áp dụng các kỹ thuật ước lượng kênh truyền... ............................................................................................................... ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012..................................................................... III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/07/2013.................................................. IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN): PGS.TS Phạm Hồng Liên ................................................. ............................................................................................................................................. Tp. HCM, ngày . 07. . . tháng .07. . . năm 2013... CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV Lời Cảm Ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian tôi học đại học.Những kiến thức ấy sẽ là nền tảng cho tôi tiếp tục bước đi trên con đường sau này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu và định hướng nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân ,các đồng nghiệp đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin gửi đến gia đình, Quý thầy cô, bạn bè, người thân lời kính chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2013 PHẠM NGUYỄN QUỐC HƯNG ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VOFDM Luậnvănnàytrìnhbàyvềđềtài‘‘Đánhgiáhệthống Hệthống V-OFDM nhưlàmôtcâycầunốigiữa 2 hệthống trongkênh OFDM fading”. và SC- FDE.Vìthếnócótínhlinhhoạttrongthiếtkế. Mụctiêucủaluậnvănnàytìmhiểuvềđộlợiphântậpvàđộlợimãhóacủamốikhối vector VB tronghệthống V-OFDM cũngnhưlàtìmhiểuvềgiớihạnhiệusuấtcủanótrongkênh fading. Bằngcáchsửdụngcáccôngcụtoánhọcvàmôphỏnglýthuyết, chúng ta sẽchứng minh rằngsốlượngcác VB trong V-OFDM cóthểđạtđộlợiphântậplàmin{M,G}với M làchiềudàicủamỗikhối, và G làtổngsốlượngxungkênh. Hơnnữa, mộtvài VB đặtbiệtcóchiềudàibằngchiềudàixungkênh, cóthểđạtđộlợiphântậplớnnhấtvàđộlợimãlớnnhất.Chúng ta sẽthấyrằng, khităng M vượtquá G thìchúng ta chỉtăngđộlợimã, ngoàirađộlợiphântậpkhôngtăng. Chúng ta sẽkếtluận: cáchchọntốiưulàchọn bằngsốlượngxungđểđạtđượctốiưuvềhiệusuấttoànphầnvàđộphứctạp. M Abstract This thesis presents an analytical study of V-OFDM over multi-pathfading channels .As a bridge of connecting orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with single-carrier frequency domain equalization (SC-FDE) techniques, Vector OFDM (V-OFDM) provides significant flexibility in system design. Our goal is to investigate the diversity gain and coding gain of each vector block (VB) in V-OFDM so as to ultimately reveal its performance limits over fading channel. By using algebraic number theory tools, we rigorously prove for the first time that a majority of VBs in V-OFDM can surely realize the diversity gain of min là min{M,G} where M is the length of each VB, and G is the total number of channel taps. Furthermore, some specific VBs, whose length equals the total number of channel taps, can not only harvest the maximum diversity gain but also achieve the maximum coding gain. It is further demonstrated that, even though VBs fail to benefit from additional diversity gain when M exceeds G, they can enjoy significantly increased coding gains. Our analysis concludes that it is preferable to choose the length of VBs to be equal to the number of channel taps in consideration of both overall system performance and computational complexity LỜI CAM ĐOAN Luậnvănnàylàkếtquảcủaquátrìnhtựnghiêncứutừcácbàibáokhoahọctrêntạpchí IEEE, từcácebookvềhệthốngOFDM, cácebookvềướclượngkênhtruyền, hệthống fading,trongtruyềnthôngkhôngdây, cáctưliệuđãđềcậptrongphầntàiliệuthamkhảo. Nhữngkếtquảnêuratrongluậnvănlàthànhquảnghiêncứucủacánhântácgiảdướisựgiúpđỡ củagiáoviênhướngdẫn PGS.TS.PhạmHồngLiên,cácđồngnghiệpcùngbạnbèlớpcaohọcđiệntử Tácgiảxin đoanluậnvănnàyhoàntoànkhôngsaochéplạibấtkìmộtcôngtrìnhnàođãcótừtrước. 2011. cam i Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử MỤC LỤC Hình vẽ và bản biểu.................................................................................................. v CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................................... viii LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 7 1.1 Lý thuyết về truyền đa đƣờng ............................................................................ 7 1.1.1 Sự suy yếu của đƣờng truyền .......................................................................... 7 1.1.2 Hiệu ứng đa đƣờng ........................................................................................ 11 1.1.3 Rayleigh fading ............................................................................................. 11 1.1.4 Fading lựa chọn tần số .................................................................................. 12 1.1.5 Trải trễ ........................................................................................................... 13 1.1.6 Dịch Doppler ................................................................................................. 14 1.1.7 Nhiễu AWGN................................................................................................ 15 1.1.8 Một số giải pháp ............................................................................................ 15 1.2 Hệ thống OFDM .............................................................................................. 17 1.2.1 Giới thiệu tóm tắt về OFDM ......................................................................... 17 1.2.2 Chuỗi trực giao .............................................................................................. 19 1.2.3 Biểu diễn toán học tín hiệu OFDM ............................................................... 20 1.2.4 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế cho OFDM ..................................... 21 1.2.5 Tính toán bằng bộ FFT cơ số 2 ..................................................................... 22 1.2.6 Khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix ......................................................... 26 1.2.7 Ƣu và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM ........................................................ 28 CHƢƠNG 2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG V-OFDM TRONG KÊNH FADING ...................................................................................... 30 2.1 Khái quát kỹ thuật V-OFDM ........................................................................... 30 2.2 Nội dung chính ................................................................................................ 32 2.3 Mô tả hệ thống V-OFDM ................................................................................ 33 2.3.1 Hệ thống phát V-OFDM ............................................................................... 34 2.3.2 Hệ thống thu V-OFDM…………………………………………………34 2.4 Đặc tính của tín hiệu vào và ra của hệ thống ................................................... 35 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 ii Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử 2.5 Các tham số chất lƣợng hệ thống ..................................................................... 37 2.5.1 Xác suất lỗi cặp (PEP)................................................................................... 37 2.5.2 Độ lợi phân tập, độ lợi mã ............................................................................. 39 2.5.3 Tham số Δl ..................................................................................................... 43 2.6 Tóm lại ............................................................................................................. 48 2.7 Các khối vector khác nhau ............................................................................... 51 2.7.1 Hệ thống V-OFDM với các kích thƣớc khối vector khác nhau………...51 2.7.2 Nhận xét………………………………………………………………...59 2.8 Hệ thống phân tập ............................................................................................ 60 2.8.1 Phân tập phát V-OFDM ................................................................................ 60 2.8.2 Phân tập nhận V-OFDM ............................................................................... 62 2.9 Phân tích so sánh V-OFDM với các OFDM khác ........................................... 62 2.9.1 So sánh với Coded OFDM ............................................................................ 63 2.9.2 So sánh với Constellation-Rotated OFDM ................................................... 64 2.9.3 So sánh với Precoded OFDM ....................................................................... 64 2.9.4 So sánh với Asymmetric OFDM ................................................................... 65 2.9.5 So sánh hiệu quả của hệ thống V-OFDM với các hệ thống nhận tuyến tính ................................................................................................................ 65 2.10 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống V-OFDM .......................................... 66 2.10.1 Ƣu điểm của hệ thống V-OFDM ................................................................ 66 2.10.2 Nhƣợc điểm của hệ thống V-OFDM .......................................................... 66 CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG KÊNH ............................................... 68 3.1 Ƣớc lƣợng kênh trong kênh fading chậm ........................................................ 68 3.2 Ƣớc lƣợng kênh trong kênh fading nhanh ....................................................... 69 3.3 Ƣớc lƣợng kênh trong hệ thống V-OFDM ...................................................... 70 3.4 Mô tả hệ thống V-OFDM dựa vào ƣớc lƣợng pilot ......................................... 72 3.4.1 Ƣớc lƣợng kênh dựa vào pilot dạng khối...................................................... 74 CHƢƠNG 4CÁC PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU SUẤT ........................... 79 4.1 Vector xoay CRV-OFDM ................................................................................ 79 4.1.1 Kết luận ......................................................................................................... 84 4.2 Dùng hệ thống CI-V-OFDM để cải thiện thông số PAPR ............................... 85 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 iii Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử 4.2.1Khái quát hệ thống ......................................................................................... 85 4.2.2 Mô phỏng ...................................................................................................... 86 4.3 Dùng bộ điều chế và giải mã lặp cho hệ thống V-OFDM ............................... 88 CHƢƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG V-OFDM ................ 89 5.1 Các tham số mô phỏng ..................................................................................... 89 5.2 Lƣu đồ giải thuật .............................................................................................. 90 5.3 Mô phỏng bằng MATLAB............................................................................... 93 5.3.1Chọn vector delay Pedestrian ......................................................................... 93 5.3.1.1 So sánh Ber với M=1(OFDM) và M=2(Vector OFDM) theo mức 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM. Nhận xét kết quả mô phỏng ........................... 93 5.3.1.2 So sánh Ber của 4-QAM; 16-QAM; 64-QAM trong OFDM và V-OFDM. Nhận xét và giải thích kết quả mô phỏng ............................................. 94 5.3.1.3 So sánh Ber của V-OFDM(M=2) ở V=5km/h, V=10km/h, V=15m/h, V=30km/h. Nhận xét và giải thích kết quả ............ 95 5.3.1.4 So sánh Ber của VOFDM với các khối Vector khác nhau M=1(OFDM); M=2 và M= 4 (VOFDM). Mức điều chế 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM. Nhận xét, giải thích kết quả ................................... 97 5.3.1.5 So sánh Ber của V-OFDM(M=1;2;4) với trƣờng hợp mã hóa Convolution và không mã hóa. Nhận xét kết quả .............................. 99 5.3.1.6 So sánh Ber của V-OFDM(M=2) ở các băng thông 10MHz và 20MHz. Nhận xét kết quả mô phỏng .............................................................. 102 5.3.1.7 So sánh Ber của VOFDM (M=2) ở các tần số 2GHz, 4GHz, 8GHz, 16GHz. Nhận xét kết quả mô phỏng .............................................. 102 5.3.2 Chọn vector delay vehicular........................................................................ 104 5.3.2.1 So sánh Ber với M=1 (OFDM) và M=2 (VOFDM), mức điều chế 4QAM, 16QAM, 64QAM. Nhận xét kết quả ................................ 104 5.4 So sánh BER của V-OFDM giữa kênh truyền fading và AWGN. nhận xét kết quả ................................................................................................... 105 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN ...... 107 6.1 Kết luận .......................................................................................................... 107 6.2 Những hạn chế và hƣớng phát triển của đề tài ............................................... 107 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 iv Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử 6.2.1 Hạn chế của đề tài: ...................................................................................... 107 6.2.2 Hƣớng phát triển của đề tài: ........................................................................ 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 109 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 v Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Hiện tƣợng đa đƣờng ................................................................................ 7 Hình 1.2 Đáp ứng tần số thay đổi theothời gian ...................................................... 8 Hình 1.3 Tác động của đƣờng truyền multipath ...................................................... 8 Hình 1.4 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) ...... 12 Hình 1.5 Trải trễ đa đƣờng ..................................................................................... 13 Hình1.6 Môi trƣờng truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng ............................. 15 Hình 1.7 hệ thống OFDM ...................................................................................... 17 Hình 1.8 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng lấn (a) và kỹ thuật đa sóng mang trực giao (b) ............................................................................................................ 18 Hình 1.9 Phổ của một tín hiệu OFDM ................................................................... 19 Hình 1.10 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu OFDM .......................................................... 22 Hình 1.11 FFT 4 điểm ............................................................................................ 25 Hình 1.12 Lƣu đồ FFT 4 điểm ............................................................................... 25 Hình 1.13 Tín hiệu OFDM với Cyclic Extension .................................................. 27 Hình 1.14 Chèn khoảng dự trữ vào OFDM ........................................................... 28 Hình 2.1 Xử lý tần số- không gian ......................................................................... 32 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống V-OFDM ........................................................................ 33 Hình 2.3 Phân bốcho mỗi khối vector (QPSK, M=4, N=256) ............................... 49 Hình 2.4 Phân bốcho mỗi khối vector (4-PAM, M=4, N=256) ............................. 50 Hình 2.5 Hệ thống V-OFDM với N=256, G=20.................................................... 51 Hình 2.6 Đƣờng biễn diễn BER với N = 256, G = 20 ........................................... 52 Hình 2.7 Với N= 256, G=2 .................................................................................... 54 Hình 2.8 Với N=128, M=2, G=2............................................................................ 55 Hình 2.9 Với N = 256, M=G=2.............................................................................. 56 Hình 2.10 So sánh Coded OFDM với V-OFDM (N=256, G=20) ......................... 57 Hình 2.11 Data rate overhead của hệ thông V-OFDM khi M tăng........................ 58 Hình 2.12 Data rate over head của hệ thống V-OFDM khi L tăng. ....................... 58 Hình 2.13 Phân phối cho mỗi ............................................................................... 60 Hình 2.14 Kết quả mô phỏng với phân tập phát .................................................... 62 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 vi Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Hình 2.15 Hệ thống Coded OFDM ........................................................................ 63 Hình 3.1 Kiểu chèn pilot dạng khối. ...................................................................... 70 Hình 3.2 Sắp xếp dạng lƣợt .................................................................................... 71 Hình 3.3 Sơ đồ khối của hệ thống V-OFDM có chèn pilot ................................... 72 Hình 3.4 Kiểu chèn pilot dạng lƣợc ....................................................................... 76 Hình 4.1 BER của hệ thống V-OFDM ứng với các subchannel tƣơng ứng, BPSK, M=2, N=32 ................................................................................................. 79 Hình 4.2 Sơ đồ khối của hệ thống CRV-OFDM ................................................. 80 Hình 4.3 BER của CRV ứng với các subchannel tƣơng ứng ................................. 81 Hình 4.4 so sánh BER với điều chế BPSK ............................................................ 81 Hình 4.5 so sánh BER với điều chế QPSK ............................................................ 82 Hình 4.6 so sánh BER của CRV-OFDM với SNR cao .......................................... 83 Hình 4.7 Sơ đồ khối hệ thống CI-V-OFDM .......................................................... 85 Hình 4.8 PAPR trên mỗi mức phát ........................................................................ 86 Hình 4.9 so sánh BER với các thông số β .............................................................. 87 Hình 4.10 so sánh BER của các hệ thống .............................................................. 87 Hình 4.11 sơ đồ mã hóa điều chế lặp V-OFDM .................................................... 88 Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống V-OFDM................................................................ 89 Hình 5.2 So sánh Ber với M=1(OFDM) và M=2(Vector OFDM), 4-QAM.......... 93 Hình 5.3 So sánh Ber với M=1(OFDM) và M=2(Vector OFDM), 16-QAM........ 93 Hình 5.4 So sánh Ber với M=1 (OFDM) và M=2 (Vector OFDM), 64-QAM...... 94 Hình 5.5 So sánh hệ thống OFDM với điều chế 4-QAM; 16-QAM; 64-QAM ..... 94 Hình 5.6 So sánh Ber của VOFDM ở mức điều chế 4-QAM;16 - QAM; 64-QAM ................................................................................................................. 95 Hình 5.7 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở V= 5km/h, V=10km/h................... 96 Hình 5.8 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở V= 5km/h, V=10km/h,V=15km/h 96 Hình 5.9 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở V= 5km/h, V=10km/h, 15km/h, 30km/h .................................................................................................................... 97 Hình 5.10 So sánh Ber của VOFDM với các khối Vector khác nhau ................... 98 Hình 5.11 So sánh Ber của V-OFDM khi M=1(OFDM); M=2 và M=4(VOFDM), điều chế 16-QAM ................................................................................................... 98 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 vii Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Hình 5.12 So sánh Ber của V-OFDM tại M=1(OFDM) khi M=2 và M=4(VOFDM), mức điều chế 64-QAM ........................................................................................... 99 Hình 5.13 So sánh Ber của OFDM (M=1) với trƣờng hợp mã hóa Convolution và không có mã hóa .................................................................................................. 100 Hình 5.14 So sánh Ber của V-OFDM (M=1;2) với trƣờng hợp có mã hóa Convolution và không mã hóa ............................................................................. 100 Hình 5.15 So sánh Ber của V-OFDM ( M=1;2;4) với trƣờng hợp mã hóa Convolution và không mã hóa ............................................................................. 101 Hình 5.16 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở các băng thông 10MHz và 20MHz ................................................................................................ 102 Hình 5.17 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở các tần số 2GHz và 4GHz......... 102 Hình 5.18 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở các tần số 2,4,8 GHz ................. 103 Hình 5.19 So sánh Ber của V-OFDM (M=2) ở tần số 2,4,8,16 GHz .................. 103 Hình 5.20 So sánh BER với M=1 (OFDM) và M=2 (V-OFDM), Mức điều chế 4-QAM ................................................................................................................. 104 Hình 5.21 So sánh Ber với M=1(OFDM) và M=2 (V-OFDM) mức điều chế 16-QAM ............................................................................................................... 104 Hình 5.22 So sánh Ber ở M=1(OFDM) và M=2 (V-OFDM) mức điều chế 64-QAM ............................................................................................................... 105 Hình 5.23 So sánh BER của V-OFDM giữa kênh truyền fading và AWGN ...... 105 Bảng 0.1 Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh………………………..12 Bảng 0.2Bảng delay theo môi trƣờng…………………………………………...14 HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 viii Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4G AWGN Fourth Generation Additive White Gaussian Noise BER Bit-Error rate BS Base station CP Cyclic Prefix CSI Channel State Information DFT Dscrete Fourier Transform EGC Equal Gain Combining FEC Forward Error Correction SC-FDE single-carrier frequency domain equalization PDF Probability density function FFT Fast Fourier Transform ICI Inter-Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Inter-Symbol Interference ITU International Telecommunication Union LOS Line-Of-Sight LS Least Square MIMO Multi-Input Multi-Output MISO Multi-Input Single-Output ML Maximum Likelihood M-PSK M-Phase Shift Keying MRC Maximal-Ratio Combining MS Mobile Station OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing P/S Parallel to Serial QoS Quality of Service S/P Serial to Parallel HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 ix SC Selection-Combining SIMO Single-Input Multi-Output SISO Single-Input Single-Output SNR Signal-Noise Ratio ZF Zero-Forcing Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 1 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử LỜI NÓI ĐẦU Các thế hệ mạng không dây kế tiếp đƣợc mong chờ cung cấp cho các thuê bao với các dịch vụ đa phƣơng tiện không dây nhƣ truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình di động và máy tính tích hợp thiết bị di động, v.v… Sự đòi hỏi các dịch vụ này nhanh chóng tăng nhanh dẫn đến yêu cầu các kỹ thuật truyền tốc độ cao hơn và chất lƣợng dịch vụ (QoS) cũng phải tăng theo trong khi băng thông không đƣợc phép mở rộng. Những năm gần đây, công nghệ thông tin di động thế hệ thứ tƣ (4G) ra đời và đang dần hoàn thiện.Hệ thống OFDM làm nền tảng cho sự phát triển mạng di động 4G. Hiện nay có nhiều nghiên cứu cải tiến chất lƣợng của hệ thống OFDM . Một trong số đó là phƣơng pháp đó là hệ thống V-OFDM, có thể xem nhƣ là sự kết hợp MIMO + OFDM = V-OFM đơn ăng ten. Hệ thống V-OFDM nhƣ là một cầu nối giữa OFDM và SC-FDE nên nó có tính linh hoạt[1] trong thiết kế, rất phù hợp với những môi trƣờng nhiễu cao, có fading nhanh ví dụ nhƣ môi trƣờng dƣới nƣớc…. VectorOFDM(V-OFDM)kết hợpOFDM vớixử lý không gian khai thác phân tập trongthời gian,tần số, và không gian. Ngày nay, cùng với sự phát triển của nhu cầu truyền thông trong các môi trƣờng cấu trúc phức tạp đòi hỏi một hệ thống có khả năng thực tiễn và ít phức tạp vì thế hệ thống V-OFDM rất cần thiết để nghiên cứu trong học tập. Vì thế đề tài: “Đánh giá hệ thống V-OFDM trong kênh fading” cũng phục vụ mục tiêu đó. Đối với hệ thống V-OFDM, khác với OFDM, V-OFDM dùng ma trận kênh [1], [7] thay cho hệ số kênh của OFDM vì thế V-OFDM có những đặc điểm sau: Loại bỏ can nhiễu,do đó làm tăng sự loại trừcan nhiễu băng rộng và can nhiễu băng hẹp. Giảm tỉ số PAPR tỉ số công suất đỉnh tức thời trên công suất trung bình! Có đƣợc điều này nhờ V-OFDM có kích thƣớc IFFT/FFT chỉ là L kí tự giảm đi M lần so với OFDM! Mà ở miền thời gian thì công suất của tín hiệu đa sóng mang là tổng hợp của nhiều tín hiệu rời rạc đơn sóng mang nên khi kích thƣớc IFFT/FFT giảm xuống thì tỉ số PAPR cũng giảm xuống. Giảm tỉ số CFO (carrier frequency offset) giảm sự dịch tần cũng nhƣ ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler ! Do trên 1 băng thông cố định thì khi kích thƣớc HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 2 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử IFFT/FFT giảm xuống thì sự sai lệch do phổ tần số các sóng mang con cũng giảm xuống từ đó giảm nhiễu ICI! Từ đó BER của V-OFDM ít bị ảnh hƣởng bởi các điều kiện độ lợi phân tập khác nhau Vector OFDM giảm thiểu sự phức tạp của các phép toán so với OFDM.Với OFDM, sự phức tạp của các phép toán là 2 N log 2 N . Trong khi Vector OFDM do kích thƣớc FFT là L ký tự nên sự phức tạp các phép nhân của Vector OFDM là: 2ML log 2 L = 2 N log 2 L .Do đó Vector OFDM giảm thiểu sự phức tạp của các phép toán so với OFDM. Cấu trúc ma trận[1] của V-OFDM ảnh hƣởng đáng kể tới việc Chất lƣợng BER, vì việc chọn lựa dạng kích thƣớc khối ma trận có hƣởng đến độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa. Vì thế số [8]lƣợng các VB trong V-OFDM có thể đạt độ lợi phân tập là min{M,G} với M là chiều dài của mỗi khối, và G là tổng số lƣợng xung kênh. Hơn nữa, một vài VB đặt biệt có chiều dài bằng chiều dài xung kênh, có thể đạt độ lợi phân tập lớn nhất và độ lợi mã lớn nhất. Khi tăng M vƣợt quá G thì chúng ta chỉ tăng độ lợi mã, ngoài ra độ lợi phân tập không tăng. Vì thế chọn tối ƣu là chọn M bằng số lƣợng xung để đạt đƣợc tối ƣu về hiệu suất toàn phần và độ phức tạp.Đồng thời các tác giả đƣa ra thông số Δl dùng trong việc phân tích độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa. Một yếu tố [6] cũng ảnh hƣởng đến chất lƣợng BER là ƣớc lƣợng trong hệ thống V-OFDM. Đối với hệ thống V-OFDM với môi trƣờng fading chậm thì có kểu chèn dạng khối, chèn dạng khối là dạng chèn tuần tự theo thời gian, do dó phù hợp với môi trƣờng fading chậm, thuật toán ƣớc lƣợng kênh dùng là LS và MMSE, trong tài liệu [3] các tác giả nhận định thuật toán MMSE sử dụng hiệu quả hơn thuật toán LS. Với kiểu chèn pilot dạng lƣợt thì phù hợp với fading nhanh vì chèn theo miền tần số, ngoài việc áp dụng 2 thuật toán MMSE và LS nêu trên, các tác giả còn dùng các phƣơng pháp nội suy để ƣớc lƣợng các dữ liệu kênh con. Ngoài ra ứng dụng thêm một số kỹ thuật [2] xoay vector (CRV-OFDM) dùng tập trung đƣờng Ber làm tăng độ lợi phân tập làm cho BER tổng thể đạt chất lƣợng tối ƣu. Tiếp đến là hệ thống CI-VOFDM cũng là hệ thống [4] kết hợp bộ trải mã CI với hệ thống VOFDM làm dồn, tăng dòng năng lƣợng cho các symbol thông tin có ích, còn các symbol không phải thông tin bị giảm năng lƣợng xuống, do đó giảm HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 3 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử nhiễu và tăng hiệu suất BER, làm E tăng đáng kể và PAPR giảm. Sau cùng[10] là hệ thống coded VOFDM áp dụng bộ mã hóa điều chế lặp để tăng BER Trong giới hạn đề tài, tôi tập trung vào đánh giá hệ thống VOFDM trong kênh fading, đánh giá ảnh hƣởng của từng khối vector VB, nghiên cứu cấu trúc đối xứng của khối vector, đánh giá chất lƣợng hệ thống với từng mức điều chế 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, cùng với đánh giá ảnh hƣởng của môi trƣờng truyền đến chất lƣợng của hệ thống VOFM qua các thông số là v, fc, B và vector delay môi trƣờng, ngoài ra tiến hành so sánh ảnh hƣởng của môi trƣờng delay và môi trƣờng AWGN đối với hệ thống, điều đó giúp cho việc kết luận những ƣu điểm, điểm của hệ thống. Dựa trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của IEEE (hiệp hội kỹ sƣ điện tử Mỹ), tác giả sƣu tập các bài báo khoa học để nghiên cứu, đánh giá các hệ thống có sử dụng giải thuật của hệ thống OFDM trong kênh fading, ƣớc lƣợng kênh truyền pilot đã đƣợc phát triển bởi các nhà nghiên cứu, giáo sƣ ở các Đại học, viện nghiên cứu trên thế giới. Căn cứ vào các giải thuật đã phát triển, tác giả đã triển khai hệ thống để đánh giá hệ thống V-OFDM trong kênh fading kết hợp các cấu trúc pilot trong hệ thống OFDM. Hệ thống mô phỏng đƣợc thực hiện bằng phần mềm Matlab.Công cụ Matlab cho phép hiển thị các kết quả mang tính trực quan và kiểm nghiệm các phân tích lý thuyết. Cấu trúc luận văn này gồm các phần sau: MỞ ĐẦU: Trình bày các phƣơng pháp, mục đích nghiên cứu, tóm tắt về thông số hệ thống VOFDM, các kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền, các cấu trúc pilot, các phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng BER và phạm vi nghiên cứu. CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT[7]: - Tổng quan về môi trƣờng truyền dẫn vô tuyến đƣợc giới thiệu. - Các đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM đƣợc nhắc đến bao gồm: Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation), hiệu ứng đa đƣờng, dịch Doppler, nhiễu AWGN, nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI. - Các phân bố Rayleigh đƣợc sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của tín hiệu phading phẳng đƣợc giới thiệu. HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020 4 - Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Giới thiệu về OFDM, các thuật toán và cách chèn khoảng bảo vệ CP và các ƣu nhƣợc điểm của OFDM CHƢƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG V-OFDM [1],[7],[8],[12]: - Nguyên lý cơ bản của V-OFDM - Sơ đồ khối hệ thống V-OFDM: Bộ đóng gói ma trận, bộ chuyển đổi nối tiếp–song song, chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian, chèn khoảng bảo vệ, máy thu V-OFDM, kênh truyền - Độ lợi phân tập, độ lợi mã hóa, hệ số Δl - Giải thích các giản đồ mô phỏng của [1] trong bài báo. - So sánh V-OFDM với các hê thống OFDM khác: coded OFDM, CRVOFDM, Precoded OFDM, asymmetric OFDM, so sánh về hiệu quả của hệ thống V-OFDM với các hệ thống nhận tuyến tính. - Ƣu điểm - nhƣợc điểm của hệ thống V-OFDM. CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN[6] - Các dạng phân bố Pilot: Phân bố Pilot dạng khối và phân bố Pilot dạng lƣợc. - Các phƣơng pháp nội suy nearest neighbor,nội suy tuyến tính(linear interpolation), nội suy bậc 2 (second order), nội suy lowpass, nội suy spline cubic. CHƢƠNG 4: CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Áp dụng các lý thuyết đã tìm và giáo trình [21], tôi thực hiện các lƣu đồ và các mô phỏng sau: - Lƣu đồ hoạt động hệ thống V-OFDM dùng trong mô phỏng: Lƣu đồ hoạt động của máy phát, lƣu đồ hoạt động mô phỏng kênh truyền và lƣu đồ hoạt động của máy thu. Chọn vector delay Pedestrian HVTH: Phạm Nguyễn Quốc Hƣng CBHD: Phạm Hồng Liên MSHV:11140020