Tài liệu Nghiên cứu giải thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống mimo ofdm

Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ----------------- PHAN CHÁNH PHONG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2009 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc TP. HCM, ngày …. tháng ….. năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHAN CHÁNH PHONG Phái : Nam Ngày tháng năm sinh : 25/04/1982 Nơi sinh : Phú Yên Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử MSHV : 01407351 I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Giải Thuật Ước Lượng Kênh Truyền Trong Hệ Thống MIMO-OFDM II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tìm hiểu lý thuyết MIMO-OFDM: kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM và phân tập đa antenna phát & thu MIMO, công thức toán, tính ứng dụng, nhất là nêu ra các mặt ưu điểm cũng như các mặt hạn chế cần khắc phục. • Tìm hiểu giải thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM sử dụng các chuỗi pilot. • Tìm hiểu giải thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM sử dụng phương pháp ước lượng mù. • Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả thi của chúng. • Đánh giá kết quả mô phỏng, kết luận và kiến nghị. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ tên): TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Lời cảm ơn Cảm ơn các thầy cô khoa Điện tử – Viễn thông trường Đại học Bách khoa Tp.HCM đã thắp sáng và truyền đạt cho tôi nguồn kiến thức vô cùng quý báu là cơ sở và nền tảng cho quá trình thực hiện đề tài . Cảm ơn cô Phan Hồng Phương đã định hướng và nhiệt tình chỉ dẫn những kiến thức và kinh nghiệm cần thiết trong suốt thời gian vừa qua. Cảm ơn gia đình và người thân luôn nhắc nhở và dõi theo tôi, cho tôi niềm tin và nghị lực hoàn thành đề tài này. Cảm ơn những bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt công việc cũng như khóa học này. Xin trân trọng ghi nhớ không bao giờ quên! Tp.HCM, ngày tháng năm 2009 TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này sẽ tìm hiểu phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM dựa trên pilot và phương pháp ước lượng mù. Phần trình bày của luận văn, các kết quả mô phỏng các phương pháp sẽ được đưa ra đồng thời trong phần lý thuyết tương ứng để đánh giá, nhận xét. Nội dung luận văn có cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan Trình bày mục đích của đề tài,đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài; chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2: Kênh truyền vô tuyến Trong hệ thống truyền thông không dây, thông tin kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định hệ thống truyền tin. Trong phần này ta sẽ xem xét đánh giá các yếu tố ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu là large scale fading và small scale fading, các yếu tố gây nhiễu. Cuối cùng ta sẽ mô tả chi tiết kênh truyền chọn lọc tần số, là kênh truyền phổ biến thường gặp ở hệ thống MIMO-OFDM trong thực tế. Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM Trình bày khái quát về kĩ thuật OFDM: khái niệm, các thành phần trong sơ đồ khối điều chế, ưu điểm. Tổng quan hệ thống MIMO và cuối cùng là sự kết hợp kĩ thuật MIMO và OFDM thành hệ thống MIMO-OFDM. Phần cuối của chương này ta sẽ trình bày mô hình tín hiệu trong hệ thống MIMO-OFDM sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo và phần mô phỏng hệ thống. Chương 4: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM Ta sẽ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh truyền chủ yếu hiện này là chèn pilot và ước lượng mù. Trong phương pháp ước chèn pilot, ta sẽ trình bày thuật toán ước lượng kênh truyền, thiết kế chuỗi huấn luyện giúp tối ưu số phép toán thực hiện, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp và đánh giá so sánh các phương pháp với nhau. Trong phần ước lượng mù, ta sẽ tìm hiểu thuật toán ước lượng mù và các giải thuật tính toán. Chương 5: Kết quả mô phỏng Giới thiệu chương trình mô phỏng và trình bày tổng kết các mô phỏng minh họa đã trình bày cho các chương 4 bằng MATLAB 7.4.0. Chương trình mô phỏng gồm có 3 phần chính là ước lượng kênh truyền sử dụng pilot dạng khối, pilot dạng lược và ước lượng mù. Đánh giá hệ thống qua các tiêu chuẩn MSE, SER và so sánh các phương pháp với nhau. Phần cuối là đánh giá chung và hướng phát triển của đề tài. Luận văn cao học -1- GVHD:TS. Phan Hồng Phương MỤC LỤC Chương 1 TỔNG QUAN................................................................................... 7 1.1. Mục đích........................................................................................................... 7 1.2. Tình hình nghiên cứu ....................................................................................... 9 Chương 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN....................................................... 13 2.1. Suy hao đường truyền .................................................................................... 13 2.2. Hiện tượng Doppler........................................................................................ 13 2.3. Fading............................................................................................................. 15 Chương 3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM .......................................................... 18 3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM ........................................................................ 18 3.1.1. Sơ đồ hệ thống OFDM ............................................................................ 19 3.1.2. Ưu điểm ................................................................................................... 21 3.1.3. Nhược điểm ............................................................................................. 21 3.2. Kỹ thuật MIMO-OFDM................................................................................. 21 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM........................................................ 22 3.2.2. Cấu trúc khung......................................................................................... 23 3.2.3. Mã hoá kênh truyền ................................................................................. 24 3.2.4. Độ lợi hệ thống MIMO............................................................................ 24 Chương 4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG ............. 27 MIMO-OFDM......................................................................................................... 27 4.1. Ước lượng kênh dùng pilot khối (block-type pilot) ...................................... 27 4.1.1. Mô hình tín hiệu ...................................................................................... 27 4.1.1.1. Mô hình tín hiệu trong SISO-OFDM................................................ 27 4.1.1.2. Mô hình tín hiệu trong MIMO-OFDM ............................................. 28 4.1.2. Giải thuật Least Mean Square ................................................................. 30 4.1.3. Tổng quan ước lượng kênh dùng pilot dạng khối ................................... 30 4.1.3.1. Ý tưởng của phương pháp................................................................. 30 4.1.3.2. Mô hình hệ thống .............................................................................. 31 4.1.4. Thiết kế pilot khối.................................................................................... 35 4.1.5. Đánh giá thông số ảnh hưởng.................................................................. 35 4.1.5.1. Chiều dài của phần mở rộng CP ....................................................... 35 4.1.5.2. Khoảng cách giữa các TS ................................................................. 36 4.1.5.3.Hiệu ứng Doppler .............................................................................. 36 4.1.6. Ưu khuyết điểm của phương pháp........................................................... 36 4.2. Ước lượng kênh dựa vào pilot dạng lược (comb-type pilot) ......................... 36 4.2.1. Mô hình tín hiệu ...................................................................................... 36 4.2.2.Tổng quan ước lượng kênh dùng pilot dạng lược .................................... 38 4.2.2.1. Khái niệm comb-type pilot ............................................................... 38 4.2.2.2.Mô hình hệ thống ............................................................................... 39 4.2.3.Thiết kế comb-type pilot........................................................................... 42 4.2.4. Thông số ảnh hưởng hiệu quả phương pháp ........................................... 45 Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -2- GVHD:TS. Phan Hồng Phương 4.2.4.1. Độ dài phần mở rộng CP .................................................................. 45 4.2.4.2. Tần số Doppler.................................................................................. 45 4.2.5. Ưu khuyết điểm phương pháp ................................................................. 45 4.3. Phương pháp tiền mã hoá Precoding.............................................................. 46 4.3.1. Cài đặt hệ thống và giả định .................................................................... 46 4.3.2. Tiền mã hoá tuyến tính ............................................................................ 47 4.3.3. Ước lượng kênh mù ................................................................................. 48 4.4. Ước lượng kênh mù dựa trên không gian con nhiễu...................................... 50 4.4.1. Hệ thống MIMO-OFDM với Mt ≤ Mr ..................................................... 53 4.4.2. Hệ thống MIMO-OFDM với Mt > Mr ..................................................... 59 4.5. Phương pháp dựa trên thống kê bậc hai và bậc cao ....................................... 63 4.5.1. Giới thiệu ................................................................................................. 63 4.5.2. Xác định MIMO nxn ............................................................................... 65 Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................ 72 5.1. Ước lượng sử dụng pilot ................................................................................ 72 5.1.1. Block-Type Pilot...................................................................................... 72 5.1.1.1 Đáp ứng với các điều chế khác nhau ................................................. 72 5.1.1.2. Thông số khoảng cách giữa các pilot (d_f)...................................... 74 5.1.1.3. Thông số tần số Doppler của kênh truyền ........................................ 76 5.1.1.4. Ảnh hưởng của độ dài CP ................................................................. 78 5.1.2. Comb-Type Pilot ..................................................................................... 80 5.1.2.1 Đáp ứng với các điều chế khác nhau ................................................. 80 5.1.2.2.Thông số tần số Doppler của kênh truyền ........................................ 81 5.1.2.3. Thông số độ dài CP........................................................................... 83 5.1.3. So sánh 2 phương pháp pilot ................................................................... 85 5.2. Phương pháp ước lượng mù dựa trên thống kê bậc 2 và bậc cao .................. 87 5.3. So sánh phương pháp ước lượng mù và ước lượng dựa trên pilot................. 89 5.4. Đánh giá và hướng phát triển đề tài ............................................................... 91 5.4.1. Đánh giá................................................................................................... 91 5.4.2. Hướng phát triển của đề tài ..................................................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 92 Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -3- GVHD:TS. Phan Hồng Phương Các Từ Viết Tắt CP Cyclic Prefix FFT Fast Fourier Transform HSDPA High-Speed Downlink Packet Access IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Inter Symbols Interference LTE Project Long Term Evolution MIMO Multiple-Input and Multiple-Output MSE Mean Squared Error OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing SER Symbol Error Rate SVD Singular Value Decomposition TS Training Sequences UMTS Universal Mobile Telecommunicactions WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -4- GVHD:TS. Phan Hồng Phương Mục Lục Hình Hình 2. 1: Hiện tượng Doppler ................................................................................. 14 Hình 2. 2: Fading phẳng............................................................................................ 15 Hình 2. 3: Fading lựa chọn tần số ............................................................................. 17 Hình 3. 1: Băng tần FDM và OFDM ........................................................................ 19 Hình 3. 2: Sơ đồ hệ thống OFDM............................................................................. 19 Hình 3. 3: Sơ đồ bộ phát tín hiệu MIMO-OFDM..................................................... 22 Hình 3. 4: Sơ đồ bộ thu tín hiệu MIMO-OFDM....................................................... 23 Hình 3. 5: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM ................................................... 24 Hình 4. 1: Sơ đồi khối bộ phát trong hệ thống TS .................................................... 31 Hình 4. 2: Chèn TS với D_f =2................................................................................. 32 Hình 4. 3: Sơ đồ khối bộ thu TS channel estimation ................................................ 32 Hình 4. 4: Tách TS symbol và Data Symbol với D_f =2 ......................................... 33 Hình 4. 5: Symbol OFDM, 16 subcariers, 4 pilot-tones ........................................... 38 Hình 4. 6: Sơ đồ khối bộ phát dùng pilot-tones ........................................................ 39 Hình 4. 7: Ví dụ chèn pilot-tones với khoảng cách Pilot-tones là 2 ......................... 40 Hình 4. 8: Sơ đồ khối hệ thống thu (pilot-tones) ...................................................... 40 Hình 4. 9: Symbol OFDM sau khối FFT .................................................................. 41 Hình 4. 10: Pilot Remove.......................................................................................... 42 Hình 4. 11: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM với Mt anten phát và Mr anten thu... 51 Hình 4. 12: Hệ thống OFDM với các sóng mang ảo cho anten phát thứ i và anten thu thứ j ........................................................................................................................... 51 Hình 4. 13: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM tương đương với Mt anten phát và qMr anten thu ............................................................................................................ 61 Hình 5. 1: Đáp ứng MES (a) và SER (b) theo SNR của các phương thức điều chế khác nhau trong ước lượng kênh block-type pilot .................................................... 74 Hình 5. 2: Ảnh hưởng thông số khoảng cách giữa các pilot. D_f = 2;5;10 .............. 76 Hình 5. 3: Ảnh hưởng của tần số Doppler 6.389Hz, 127.77Hz , 255.56Hz ............. 78 Hình 5. 4: Ảnh hưởng của thông số khoảng bảo vệ (CP). GI=2;5;10 ...................... 79 Hình 5. 5: Đáp ứng MSE, SER theo SNR của các phương thức điều chế khác nhau. ................................................................................................................................... 80 Hình 5. 6: Ảnh hưởng của tần số Doppler f_d=6.389Hz, 127.77Hz , 255.56Hz ..... 82 Hình 5. 7: Ảnh hưởng thông số độ dài CP. CP=2;5 và 10........................................ 84 Hình 5. 8: So sánh 3 mô hình trong môi trường fdmax=50Hz ................................. 86 Hình 5. 9: So sánh 3 mô hình trong môi trường fdmax=200Hz ............................... 87 Hình 5. 10: Ước lượng của hệ thống 2x2 sử dụng thống kê bậc 2 và bậc 3 dựa trên chiều dài dữ liệu T=8192, SNR=20, chiều dài DFT N=128. a) Đáp ứng biên độ. b) Đáp ứng pha. ............................................................................................................. 89 Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -5- GVHD:TS. Phan Hồng Phương Hình 5. 11: So sánh MSE của ước lượng dựa trên pilot và ước lượng mù............... 90 Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -6- GVHD:TS. Phan Hồng Phương Mục Lục Bảng Bảng 5. 1: ONMSE được tính dựa trên 50 lần mô phỏng tương ứng với các SNR và chiều dài tín hiệu khác nhau...................................................................................... 88 Bảng 5. 2: So sánh 2 phương pháp sử dụng SVD và Joint Diagonalization với SNR=20dB, DFT N=128. ......................................................................................... 89 Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học Chương 1 -7- GVHD:TS. Phan Hồng Phương TỔNG QUAN 1.1. Mục đích Gần đây, sự quan tâm được tập trung vào các kĩ thuật điều chế cung cấp tốc độ dữ liệu cao thông qua các kênh vô tuyến băng rộng cho các ứng dụng khác nhau bao gồm đa phương tiện không dây, truy cập Internet không dây và các hệ thống thông tin di động thế hệ tương lai. Kĩ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật điều chế hứa hẹn tạo đơn giản việc cân bằng hoá các kênh chọn lọc tần số. Công thức điều chế OFDM đã tồn tại nhiều thập kỉ. Tuy nhiên, những năm gần đây, các kĩ thuật này đã di chuyển ra ngoài phạm vi sách vở và nghiên cứu phòng thí nghiệm và được áp dụng thực tế trong các hệ thống giao tiếp hiện đại. Kĩ thuật này được được sử dụng trong truyền dẫn số liệu số vô tuyến và hữu tuyến như là WLAN, WiMax, ADSL, truyền hình số và radio số. Tiện ích chính là sự cài đặt đơn giản, và nó thiết thực cho các kênh chọn lọc tần số. Giao tiếp MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) cho phép sử dụng nhiều anten phát và thu có thể tăng khả năng dung lượng kênh. Vì vậy, các hệ thống MIMO-OFDM kết hợp OFDM với MIMO có thể cung cấp truyền chất lượng cao hơn, đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn thông qua các kênh vô tuyến băng rộng. Hiện nay, các nhà cung cấp di động ở Việt Nam như Mobiphone, VietTel, VinaPhone đang triển khai mạng 3 G với chuẩn HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access). HSDPA là giao thức giao tiếp điện thoại di động trong họ HSPA, cũng gồm 3,5G, 3G+ và turbo 3G, cho phép các mạng dựa trên UMTS (Universal Mobile Telecommunications) có tốc độ truyền cao hơn. HSDPA hiện thời hỗ trợ tốc độ down-link 1.8,3.6,7.2 và 14Mbps. HSPA+ cho phép tốc độ downlink lên đến 56 Mbit/s và uplink tới 22 Mbit/s với kĩ thuật MIMO và điều chế bậc cao hơn 64QAM. Các phiên bản HSPA+ trong tương lai hỗ trợ tốc độ lên tới 168Mbps sử dụng đa sóng mang. Xu hướng đang diễn ra trong ngành truyền thông không dây là sự nổi lên của MIMO-OFDM ở các lớp vật lý của các chuẩn truyền thông mới. Trên thực tế, sự Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -8- GVHD:TS. Phan Hồng Phương hiện diện của MIMO-OFDM trong lớp vật lý của các giao thức như là WiMAX, 3GPP LTE và IEEE 802.11n là kết quả trực tiếp của nhu cầu tốc độ số liệu cao hơn của khách hàng mà không cần sử dụng thêm độ rộng băng tần kênh. Có khả năng MIMO-OFDM sẽ tiếp tục là cột trụ cơ bản của các công nghệ truyền thông băng rộng tương lai. WiMAX đang được tăng cường mạnh lên và đang ở tư thế sẵn sàng trở thành một phần của các đồ dùng cá nhân như laptop, media player cá nhân, các thiết bị PDA và thậm chí là di động. Biểu hiện của sự tăng trưởng WiMAX là sự phát triển của thị trường bán dẫn WiMAX và những tuyên bố về các thiết bị MS (trạm di động) và BS (trạm gốc) được chứng thực từ những nhà cung cấp thiết bị hàng đầu. Những nhà nghiên cứu thị trường xác nhận rằng WiMAX đang bước vào năm phôi thai với hơn 200 sự triển khai hạ tầng cơ sở đang thực hiện và chờ đợi các nền tảng di động WiMAX cấp cao hơn từ những nhà cung cấp hàng đầu vào 2009. OFDM/WiMAX sẽ tiếp tục tăng trưởng cùng với sự gia tăng sử dụng Internet để cung cấp truy cập băng rộng không dây trên vùng rộng một cách tiện lợi mà không cần dây cáp hoặc dây DSL. Tuy nhiên, với các ứng dụng di động, nó phải đối mặt với sự cạnh tranh từ LTE, công nghệ này cho sự tiêu thụ công suất pin thấp hơn và yêu cầu khuếch đại công suất ít nghiêm ngặt hơn mà điều này có thể dẫn đến các thiết bị cầm tay di động băng rộng có giá chấp nhận hơn. Qua một số kết quả kiểm tra thực nghiệm ở trung tâm nghiên cứu, Nokia Siemens Network (liên minh giữa Nokia và Siemens) công bố rằng công nghệ MIMO ảo (virtual MIMO) của họ có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu (up-link) từ thiết bị di động đến trạm kết nối (base station) từ 54 Mbps lên đến 108 Mbps trong mạng di động thế hệ mới nhất 3GPP LTE (Long Term Evolution). Công nghệ virtual MIMO cho phép 2 thiết bị di động sử dụng công nghệ SDMA (Space Division Multiple Access) có thể phối hợp với nhau để truyền dữ liệu đồng thời về trạm gốc trên 1 kênh truyền vật lý. Theo Nokia Siemens network, virtual MIMO không những cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi mà còn cho phép giảm năng lượng tiêu thụ của thiết bị di động nhằm kéo dài thời gian sử dụng pin. Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học -9- GVHD:TS. Phan Hồng Phương Hiện nay trên thị trường cũng có phổ biến các thiết bị Wifi chuẩn 802.11n sử dụng công nghệ MIMO OFDM. Ví dụ card D-LINK DWA 140 gắn vào cổng USB máy tính hỗ trợ 802.11n cho phép tốc độ lên đến 300Mbps, giá khoảng 50 USD. Như vậy các kĩ thuật OFDM, MIMO hay kết hợp cả MIMO-OFDM ngày càng được sử dụng rộng rải trong thông tin vô tuyến, di động. Tuy nhiên, trong bất cứ hệ thống thông tin vô tuyến nào thì vấn đề xác định đặc tính kênh truyền là rất quan trọng. Đặc biệt là trong hệ thống MIMO-OFDM thì vấn đề này là tiêu chí quan trọng để đánh giá độ tin cậy hệ thống. Việc ước lượng kênh truyền chính xác sẽ giúp khôi phục thông tin ban đầu từ tín hiệu thu được đạt độ tin cậy cao nhất, giảm tỷ lệ lỗi của hệ thống. Do đó trong luận văn này tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu kĩ thuật OFDM, MIMO, hay MIMO-OFDM kết hợp, các đặc tính kênh truyền vô tuyến từ đó ước lượng kênh truyền của hệ thống. 1.2. Tình hình nghiên cứu Việc nghiên cứu MIMO hay OFDM đã được quan tâm từ khá lâu. Đã có nhiều bài báo đăng các kết quả nghiên cứu của các trường đại học và các phòng thí nghiệm trên thế giới về các vấn đề và giải thuật ứng dụng trong hệ thống MIMO và OFDM nói riêng. Tuy nhiên, các bài báo đề cập đến vấn đề ước lượng kênh trong hệ thống kết hợp MIMO-OFDM mới chỉ xuất hiện trong các tạp chí nước ngoài vào những năm gần đây. Còn ở trong nước, việc nghiên cứu về các công nghệ cải thiện chất lượng mạng không dây cũng được sự quan tâm lớn. So các hệ thống SISO, ước lượng kênh trong MIMO khó khăn hơn do số liên kết phát-thu độc lập nhau cần phải ước lượng. Về phương pháp ước lượng kênh truyền thì có rất nhiều phương pháp khác nhau nhưng ta có thể chia thành 2 phương pháp chủ đạo là sử dụng pilot và phương pháp mù. Phương pháp sử dụng pilot là chèn các tín hiệu biết trước ở phía phát tín hiệu và dựa trên tín hiệu đầu thu để ước lượng đặc tính môi trường truyền, có ưu điểm về chất lượng, tuy nhiên việc truyền các chuỗi huấn luyện không thõa mãn với một số Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học - 10 - GVHD:TS. Phan Hồng Phương hệ thống do chịu nhiều ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, dung lượng hệ thống giảm do phải truyền chuỗi huấn luyện. Phương pháp mù là dựa vào hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được, bằng cách xử lý thống kê tín hiệu ta có thể lấy thông tin kênh truyền được lưu trên tín hiệu đó. Các tài liệu liên quan ước lượng kênh mù cho hệ thống SISO và SIMO khá nhiều, tuy nhiên tài liệu cho hệ thống MIMO còn rất hạn chế, một vài vấn đề được nghiên cứu như là sự mở rộng của các phương pháp SIMO. Ví dụ phương pháp không gian con (subspace) tổng quát hoá các phương pháp dựa trên không gian con đang sử dụng cho ước lượng hệ thống OFDM SISO để ước lượng MIMO OFDM. So với truyền chuỗi huấn luyện, ước lượng kênh mù yêu cầu lưu dữ liệu dài. Vì vậy, nó hạn chế với các kênh biến đổi chậm theo thời gian và có độ phức tạp cao. Bằng việc sử dụng các phương pháp ước lượng kênh mù (blind channel estimation), hệ thống vô tuyến gói cũng có thể được thiết kế để tối đa throughput. Ngoài các hệ thống giao tiếp, còn ứng dụng trong xử lý tín hiệu đa phương tiện mở rộng với nhiều kênh dữ liệu và nhiều nguồn tín hiệu giao thoa và méo kênh không biết. Ước lượng kênh mù và khôi phục tín hiệu trong giao diện nhiều user sẽ được ứng dụng mạnh mẽ trong các môi trường khác nhau. Khó khăn của việc xác định nhiều user và khôi phục tín hiệu mù gồm các kênh không biết trước, thiếu thông tin đồng bộ, các vấn đề near-far, và số nguồn kích hoạt không biết… Ta có thể tham khảo một số bài báo nghiên cứu liên quan đến việc ước lượng kênh MIMO-OFDM sau: Zhou et al [1] đã đề xuất phương pháp ước lượng kênh mù dựa trên không gian con (subspace method) cho hệ thống MIMO-OFDM mã hoá không gian-thời gian sử dụng tiền mã hoá tuyến tính và phương pháp không gian con dựa trên nhiễu [2]- [4]. Bolcskei et al [5] đề xuất giải thuật để ước lượng kênh mù và cân bằng hệ thống MIMO-OFMD sử dụng thống kê bậc hai tạo ra bằng việc cài đặt tiền mã hoá anten module không bất biến chu kì. Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học - 11 - GVHD:TS. Phan Hồng Phương Zeng và Ng [7] đề xuất kĩ thuật không gian con dựa trên phương pháp không gian nhiễu cho ước lượng kênh MIMO trong uplink của các hệ thống OFDM đa anten đa user. Tuy nhiên các phương pháp mù trình bày trong các bài báo trên có một số hạn chế. Ví dụ phương pháp tiền mã hoá phải tiến hành mã hoá tín hiệu phát trước khi truyền, còn phương pháp không gian con tồn tại tính không rõ (ambiguity) của kênh mà cần một số kĩ thuật bổ xung để xử lý. Trong luận văn này tác giả sẽ tiến hành khảo sát các phương pháp ước lượng khác nhau, đánh giá các thông số ảnh hưởng đối với từng phương pháp và so sánh chúng với nhau. Đối với ước lượng dựa trên pilot, tác giả sẽ khảo sát và mô phỏng cả hai phương pháp ước lượng dựa trên pilot dạng khối và dạng lược. Đối với phương pháp ước lượng mù, tác giả sẽ nghiên cứu một số phương pháp tiêu biểu, sau đó tập trung vào phương pháp ước lượng mù dựa trên thống kê tín hiệu do một số ưu điểm so với các phương pháp khác mà sẽ được trình bày trong luận văn. Nội dung luận văn có cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan Trình bày mục đích của đề tài,đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài; chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2: Kênh truyền vô tuyến Trong hệ thống truyền thông không dây, thông tin kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định hệ thống truyền tin. Trong phần này ta sẽ xem xét đánh giá các yếu tố ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu là large scale fading và small scale fading, các yếu tố gây nhiễu. Cuối cùng ta sẽ mô tả chi tiết kênh truyền chọn lọc tần số, là kênh truyền phổ biến thường gặp ở hệ thống MIMO-OFDM trong thực tế. Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM Trình bày khái quát về kĩ thuật OFDM: khái niệm, các thành phần trong sơ đồ khối điều chế, ưu điểm. Tổng quan hệ thống MIMO và cuối cùng là sự kết hợp kĩ thuật Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học - 12 - GVHD:TS. Phan Hồng Phương MIMO và OFDM thành hệ thống MIMO-OFDM. Phần cuối của chương này ta sẽ trình bày mô hình tín hiệu trong hệ thống MIMO-OFDM sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo và phần mô phỏng hệ thống. Chương 4: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM Ta sẽ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh truyền chủ yếu hiện này là chèn pilot và ước lượng mù. Trong phương pháp ước chèn pilot, ta sẽ trình bày thuật toán ước lượng kênh truyền, thiết kế chuỗi huấn luyện giúp tối ưu số phép toán thực hiện, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp và đánh giá so sánh các phương pháp với nhau. Trong phần ước lượng mù, ta sẽ tìm hiểu thuật toán ước lượng mù và các giải thuật tính toán. Chương 5: Kết quả mô phỏng Giới thiệu chương trình mô phỏng và trình bày tổng kết các mô phỏng minh họa đã trình bày cho các chương 4 bằng MATLAB 7.4.0. Chương trình mô phỏng gồm có 3 phần chính là ước lượng kênh truyền sử dụng pilot dạng khối, pilot dạng lược và ước lượng mù. Đánh giá hệ thống qua các tiêu chuẩn MSE, SER và so sánh các phương pháp với nhau. Phần cuối là đánh giá chung và hướng phát triển của đề tài. Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học - 13 - Chương 2 GVHD:TS. Phan Hồng Phương KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 2.1. Suy hao đường truyền Nguyên nhân: các suy hao trong quá trình truyền dẫn, suy hao mát tại các antenna, các bộ lọc. Vì vậy, công suất của tín hiệu nhận Pr được phụ thuộc vào khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu d. Tổng quát ta có: Pr = β d − v Pt Trong đó: (2.1.1) ν - hàm mũ suy hao đường truyền β - phụ thuộc vào tần số và các hệ số khác Pt – công suất phát trung bình tín hiệu Biểu diễn dưới dạng logarithm (dB): ⎛d ⎞ Lpath = β 0 + 10v log10 ⎜ ⎟ ⎝ d0 ⎠ Trong đó: (2.1.2) Lpath – suy hao đường truyền [dB] β0 – suy hao đường truyền tại khoảng cách gốc d0 [dB] ν – thường có giá trị từ 2-6, phụ thuộc vào môi trường giữa bộ phát và bộ thu Trong thực tế, do hiện tượng shadowing: ⎛d ⎞ Lpath = β 0 + 10v log10 ⎜ ⎟ + X ⎝ d0 ⎠ (2.1.3) Trong đó: X biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình là 0. 2.2. Hiện tượng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Ngoài ra các vật di chuyển trong môi trường vô tuyến cũng tạo ra hiện tượng Doppler. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. Học viên: Phan Chánh Phong Luận văn cao học - 14 - GVHD:TS. Phan Hồng Phương Hình 2. 1: Hiện tượng Doppler Xét trường hợp bộ thu di chuyển với vận tốc v. Khi đó độ chênh lệch về đường truyền sóng từ nguồn S đến lần lượt X và Y là: ∆l = d cosθ =v∆t cosθ (2.2.1) Với ∆t là khoảng thời gian xe đi từ điểm X đến điểm Y. Khi đó sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là: ∆φ = 2π∆l λ = 2π v∆t λ cosθ (2.2.2) Từ đó độ dịch tần số Dopller được định nghĩa: fd = v λ cosθ Dịch Doppler cực đại fm : f m = (2.2.3) vf c khi | cosθ |=1 c Ở đây fc là tần số sóng mang. Khi một sóng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất tại bộ thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ fc-fm đến fc+fm được gọi là phổ Doppler. Sử dụng mô hình 2 chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ một phân bố đồng nhất từ 0 đến 2 π , phổ tại bộ thu xác định như sau: Học viên: Phan Chánh Phong