Tài liệu ứng dụng mã turbo vào hệ thống mimo ofdm nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống thông tin không dây

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- TẠ HỒNG HÀ ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 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 : Tiến Sĩ Đỗ Hồng Tuấn 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 . . . . . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ---------------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Tạ Hồng Hà Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20-10-1984 Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh Chuyên ngành: MSHV: Kỹ Thuật Điện Tử 01407672 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................................................................. .............................................................................. .............................................................................. .............................................................................. .............................................................................. .............................................................................. .............................................................................. .............................................. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến Sĩ Đỗ Hồng Tuấn Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH Lời Cảm Ơn Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Điện-Điện tử, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Viễn Thông đã cung cấp những kiến thức nền tảng giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn đã tận tình chỉ bảo, động viên tạo điều kiện tốt nhất cho em thực hiện luận văn trong suốt thời gian vừa qua. Sau cùng là lời cảm ơn đến gia đình người thân và đồng nghiệp và bạn bè, nhất là các bạn đại học Bách Khoa cùng lớp đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ tôi về trang thiết bị trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tp.HCM, 07/2009. Tạ Hồng Hà Tóm Tắt Luận Văn Tóm Tắt Luận Văn Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ thống thông tin không dây tương lai đòi hỏi dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn, khả năng chống lại hiện tượng fading đa đường tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai. Một trong những giải pháp được đưa ra là sự kết hợp giữa hệ thống MIMO , kỹ thuật OFDM và mã hóa kênh truyền Turbo. Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin không dây trong chương 1. Chương 2 sẽ đi vào phân tích kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao của OFDM từ đó chứng minh OFDM có khả năng truyền thông tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên sóng mang ICI và chống được fading chọn lọc tần số. Chương 2 cũng sẽ phân tích tác dụng của khoảng bảo vệ CP trong việc chống lại nhiễu ISI và khả năng cân bằng tín hiệu hiệu quả bằng bộ Equalizer trong miền tần số. Chương 3 sẽ tìm hiểu hệ thống MIMO, phân tích kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian STC và đưa ra mô hình hệ thống MIMO, mô tả rõ hơn hai hệ thống MIMO tiêu biểu là Alamouti và V-BLAST nhằm cho thấy khả năng phân tập và ghép kênh của hệ thống MIMO trong kênh truyền fading đa đường tán xạ cao. Các phân tích về hệ thống MIMO bị giới hạn ở hệ thống băng hẹp, vì vậy kết hợp với kỹ thuật OFDM sẽ giúp cho hệ thống MIMO có thể ứng dụng vào hệ thống băng rộng tốc độ cao. Cấu trúc mã hóa, nguyên lý giải mã của mã Turbo cùng giải thuật giải mã lập MAP, Log-MAP, Max-Log-Map, SOVA được trình bày trong chương 4. Chương 5 sẽ dùng các phân tích về kỹ thuật OFDM trong chương 2 và hệ thống MIMO trong chương 3 làm tiền đề đi vào phân tích và thiết lập mô hình của hệ thống MIMO-OFDM tiêu biểu là MIMO-OFDM Alamouti và MIMO-OFDM V-BLAST, sau đó ứng dụng bộ mã hóa Turbo vào hệ thống MIMO-OFDM VBLAST nhằm tăng khả năng sửa sai, giảm BER cho hệ thống thông tin không dây. Chương 6 sẽ đưa ra kết luận và một số hướng phát triển đề tài. Cuối chương 2, 3, 4 và 5 là kết quả mô phỏng kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, mã Turbo, hệ thống MIMO-OFDM và hệ thống Turbo MIMO-OFDM nhằm kiểm chứng các phân tích lý thuyết. HVTH: Tạ Hồng Hà Trang v Mục Lục Mục Lục Tóm Tắt Luận Văn ..................................................................................... v Mục Lục ..................................................................................................... vi Danh Sách Từ Viết Tắt............................................................................. vii Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu ...........................................................ix Chương 1 Giới Thiệu Chung .................................................................... 1 1.1 Kênh Truyền Vô Truyến ......................................................................... 2 1.2 Các Phương Thức Ghép Kênh............................................................... 11 1.3 Mô Hình Hệ Thống Thông Tin Không Dây.......................................... 12 1.4 Mã Hóa Kênh Truyền............................................................................ 14 Chương 2 Kỹ Thuật OFDM ..................................................................... 16 1.1 Giới Thiệu.............................................................................................. 16 1.1.1 Sự phát triển của OFDM .........................................................................16 1.1.2 Ưu điểm và khuyết điểm của OFDM ......................................................18 1.2 Nguyên Lý Của Kỹ Thuật OFDM......................................................... 19 1.2.1 Sóng mang trực giao................................................................................19 1.2.2 Mô hình OFDM.......................................................................................21 2.3 Mô Phỏng Hệ Thống OFDM................................................................. 30 Mô phỏng hệ thống OFDM ..............................................................................36 Chương 3 Hệ Thống MIMO .................................................................... 45 3.1 Giới Thiệu.............................................................................................. 45 3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO .....................................................................45 3.1.2 Lịch sử hệ thống MIMO..........................................................................45 3.1.3 Các độ lợi trong hệ thống MIMO............................................................46 3.2 Mã Hóa Không Gian-Thời Gian STC ................................................... 47 3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO ........................................................................48 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO ..................................................................49 HVTH: Tạ Hồng Hà Trang vi Mục Lục 3.2.3 Mã hóa không gian-thời gian khối STBC ...............................................53 3.2.4 Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC ...............................................60 3.2.5 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST ..............................................63 3.3 Mô Phỏng Hệ Thống MIMO................................................................. 75 3.3.1 Sơ đồ Alamouti .......................................................................................75 3.3.2 V-BLAST ................................................................................................77 Chương 4 Mã Turbo................................................................................. 79 4.1 Mã Turbo – PCCC................................................................................. 79 4.1.1 Tổng quan về mã Turbo ..........................................................................79 4.1.2 Đường bao xác suất lỗi của mã Turbo ....................................................84 4.1.3 Bộ xáo trộn ..............................................................................................89 4.1.4 Kết thúc Trellis........................................................................................95 4.1.5 Kỹ thuật xóa bit .......................................................................................96 4.1.6 Các ứng dụng của mã Turbo. ..................................................................97 4.2 Iterative Decoding of Turbo Codes ..................................................... 100 4.2.1 Tổng quan về các giải thuật giải mã......................................................100 4.2.2 Likelihood .............................................................................................101 4.2.3 Giải thuật MAP .....................................................................................105 4.2.4 Giải thuật Log-MAP..............................................................................107 4.2.5 Giải thuật Max-Log-MAP.....................................................................111 4.2.6 Bộ giải mã SISO....................................................................................113 4.2.7 Giải thuật SOVA ...................................................................................118 4.2.8 Tiêu chí ngừng giải mã..........................................................................131 4.3 Mô Phỏng Mã Turbo ........................................................................... 132 Chương 5 Hệ Thống Turbo MIMO-OFDM .......................................... 135 5.1 Giới Thiệu............................................................................................ 135 5.2 Hệ Thống Turbo MIMO–OFDM ........................................................ 138 5.2.1 Mô hình hệ thống MIMO–OFDM ........................................................138 5.2.2 Mô hình hệ thống Turbo MIMO–OFDM..............................................140 5.2.3 Mô hình hệ thống Turbo MIMO-OFDM Alamouti ..............................141 5.2.4 Mô hình hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST ............................145 HVTH: Tạ Hồng Hà Trang vii Mục Lục 5.3 Mô Phỏng Hệ Thống Turbo MIMO-OFDM ....................................... 149 5.3.1 Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST .....................................................149 5.3.2 Hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST ..........................................150 5.3.4 Hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh........152 Chương 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đề Tài............................... 157 6.1 Kết Luận .............................................................................................. 157 6.2 Hướng Phát Triển Đề Tài .................................................................... 158 Tài Liệu Tham Khảo .............................................................................. 159 HVTH: Tạ Hồng Hà Trang viii Danh Sách Từ Viết Tắt Danh Sách Từ Viết Tắt 3GPP A/D ACF ADSL AEX APP AWGN BER BLAST BPF BPSK BS BSC CCSDS CDM CE CRC CSI CWEF D/A DAB D-BLAST DFT DPSK DVB DVB - H DVB - RCS DVB - RCT DVB - T ETSI FDM FEC FFT FIR GPP GOD GSM HDSL ICI IDFT IEEE IFFT I.I.D ISI LAN LLR LOS LPF LS MAP Mbps HVTH: Tạ Hồng Hà 3rd-Generation Partnership Project Analog to Digital Auto-Correlation Function Asymmetric Digital Subscriber Line Average Excess delay A Posteriori Probability Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bell-Laboratories Layered Space-Time Code Band Pass Filter Binary Phase Shift Keying Base Station Binary Symmetric Channel Consultative Committee for Space Data Systems Code Division Multiplexing Cross Entropy Cyclic Redundancy Check Channel State Information Conditional Weight Enumerate Function Digital to Analog Digital Audio Broadcasting Diagonal – Bell-Laboratories Layered Space-Time Discrete Fourier Transform Differential Phase Shift Keying Digital Video Broadcasting DVB - Handheld DVB - Return Channel via Satellite DVB - Return Channel via Terrestrial DVB - Terrestrial European Telecommunications Standards Institute Frequency Division Multiplexing Forward Error Correction Fast Fourier Transform. Finite Impulse Response Generation Partnership Project Generalized Orthogonal Design Global System for Mobile Communication High-bit-rate Digital Subscriber Line InterCarrier Interference Inverse Discrete Fourier Transform Institute of Electrical and Electronics Engineers Inverse Fast Fourier Transform Independent and Identically Distributed InterSymbol Interference Local Area Network Log-Likelihood Ratio Light Of Sight Low Pass Filter Least Square Maximum A Posteriori Probability Mega Bit Per Second Trang vii Danh Sách Từ Viết Tắt MIMO MISO ML MMSE MMSE-IC MRRC MS MSps NLOS OFDM P/S PAM PAPR PCBC PCCC PDF PEF PRK QAM QPSK RF RMS RSC S/P S-DMB SC SCR SDR SIMO SINR SISO SISO SLL SLVA SNR SOVA STC STBC STMLD STTC T-DMB TDM TCC TGn V-BLAST V-OFDM Wi-Fi WiMAX WLAN WSSUS ZF ZF-IC ZF-OIC HVTH: Tạ Hồng Hà Multiple Input Multiple Output Multiple Input Single Output Maximum Likelihood Minimum Mean Square Error MMSE – Interference Cancellation Maximal-Ratio Receive Combining Mobile Station Mega Symbol Per Second NonLight Of Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Parallel to Serial Pulse Amplitude Modulation Peak to Average Power Ratio Parallel Concatenated Block Code Parallel Concatenated Convolutional Code Probability Density Function Parity-check Enumarating Function Phase Reversal Keying Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Root Mean Square Recursive Systematic Convolutional Serial to Parallel Satellite - Digital Multimedia Broadcasting Singlecarrier Communication Sign Change Ratio Sign Difference Ratio Single Input Multiple Output Signal to Interference plus Noise Ratio Single Input Single Output Soft-In Soft-Out Side Lobe Level Serial List Viterbi Algorithm Signal to Noise Ratio Soft-Output Viterbi Algorithm Space-Time Code Space-Time Block Code Space-Time Maximum Likelihood Decoder Space-Time Trellis Code Terrestrial - Digital Multimedia Broadcasting Time Division Multiplexing Telemetry Channel Coding Task Group N Vertical – Bell-Laboratories Layered Space-Time Vector – Orthogonal Frequency Division Multiplexing Wireless – Fidelity Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter Zero-Forcing Zero-Forcing – Interference Cancellation Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation Trang viii Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu Hình 1.0.1 Sơ đồ hệ thống thông tin không với các khối cơ bản .......................................................... ..1 Hình 1.1-1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng.................................................. 2 Hình 1.1-2 Tín hiệu gốc và 2 thành phần multipath................................................................... 3 Hình 1.1-3 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian. .......................................... 3 Hình 1.1-4 Đáp ứng tần số của kênh truyền ............................................................................... 4 Hình 1.1-5 Tín hiệu tới phía thu theo L đường .......................................................................... 5 Hình 1.1-6 Kênh truyền thay đổi theo thời gian......................................................................... 8 Hình 1.1-7 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean.............................................................. 11 Hình 1.3-1 Phân loại hệ thống thông tin không dây................................................................. 13 Hình 1.1-1 FDM truyền thống.................................................................................................. 16 Hình 1.1-2 Hệ thống thông tin đa sóng mang MC ................................................................... 17 Hình 1.1-3 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM.................................................. 18 Hình 1.1-4 Các sóng mang con chồng lấn nhau trong OFDM ................................................. 18 Hình 1.2-1 Ba tín hiệu sin trực giao ......................................................................................... 20 Hình 1.2-2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM................................................................................... 21 Hình 1.2-3 Bộ S/P và P/S ......................................................................................................... 22 Hình 1.2-4 Bộ Mapper và Demapper ....................................................................................... 22 Hình 1.2-5 Bộ IFFT và FFT ..................................................................................................... 23 Hình 1.2-6 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal....................................... 24 Hình 1.2-7 Đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading ................................... 25 Hình 1.2-8 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ ........................................................................ 26 Hình 1.2-9 Bộ D/A và lọc thông thấp và bộ A/D ..................................................................... 27 Hình 1.2-10 Bộ RF phía phát và thu........................................................................................ 28 Hình 1.2-11 Bộ Equalizer miền tần số .................................................................................... 30 Hình 2.3-1 Đáp ứng xung của kênh truyền ............................................................................. 30 Hình 2.3-2 Đáp ứng tần số của kênh truyền ............................................................................. 31 Hình 2.3-3 Sơ đồ khối hệ thống SC.......................................................................................... 31 Hình 2.3-4 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông dải ................................................................. 31 Hình 2.3-5 Tín hiệu SC trước mạch lọc thông dải ................................................................... 32 Hình 2.3-6 Tín hiệu SC sau mạch lọc thông dải....................................................................... 32 Hình 2.3-7 Tín hiệu SC bị fading chọn lọc tần số .................................................................... 32 Hình 2.3-8 Tín hiệu SC bị fading và nhiễu Gauss.................................................................... 33 Hình 2.3-9 Tín hiệu SC sau bộ lọc thông dải phía thu ............................................................. 33 Hình 2.3-10 Tín hiệu SC .......................................................................................................... 34 Hình 2.3-11 Phổ tín hiệu SC..................................................................................................... 34 Hình 2.3-12 Đồ thị Ber của hệ thống hệ thống đơn sóng mang .............................................. 35 Hình 2.3-13 Hệ Thống OFDM dùng để mô phỏng. ................................................................. 36 Hình 2.3-14 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp ............................................................. 37 Hình 2.3-15 Tín hiệu OFDM trên kênh I trước mạch lọc thông thấp ..................................... 37 Hình 2.3-16 Tín hiệu OFDM trên kênh I phát ra kênh truyền................................................. 37 Hình 2.3-17 Tín hiệu OFDM trên kênh I bị fading ................................................................. 38 Hình 2.3-18 Tín hiệu OFDM trên kênh I bị fading và nhiễu Gauss........................................ 38 Hình 2.3-19 Tín hiệu OFDM trên kênh I sau bộ lọc thông thấp phía thu ............................... 38 Hình 2.3-20 Tín hiệu OFDM kênh I miền thời gian. ............................................................... 39 HVTH: Tạ Hồng Hà Trang ix Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu Hình 2.3-21 Phổ tín hiệu OFDM kênh I................................................................................... 39 Hình 2.3-22 Tín hiệu OFDM kênh Q miền thời gian. .............................................................. 40 Hình 2.3-23 Phổ tín hiệu OFDM kênh Q ................................................................................. 40 Hình 2.3-24 Đồ thị Ber của hệ thống OFDM........................................................................... 42 Hình 2.3-25 Đồ thị Ber của hệ thống SC và OFDM ............................................................... 42 Hình 2.3-26 BER hệ thống OFDM ứng với bộ Mapper BPSK và QPSK................................ 44 Hình 2.3-27 BER hệ thống OFDM ứng với bộ Mapper 16-PSK và 16-QAM......................... 44 Hình 2.3-28 BER hệ thống OFDM ứng với bộ Mapper 64-QAM ........................................... 44 Hình 3.1-1 Beamforming giúp tăng hiệu suất công suất và độ bao phủ .................................. 46 Hình 3.1-2 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền ..................................................... 46 Hình 3.1-3 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR ............................................................... 47 Hình 3.2-1 N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song .......................................................... 49 Hình 3.2-2 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương .................................. 50 Hình 3.2-3 Sơ đồ hệ MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu ................................................... 51 Hình 3.2-4 Định lý Waterfilling ............................................................................................... 51 Hình 3.2-5 Phân phối công suất khi mức SNR cao .................................................................. 52 Hình 3.2-6 Phân phối công suất khi mức SNR thấp................................................................. 52 Hình 3.2-7 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu .......................................................... 54 Hình 3.2-8 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti....................................................... 54 Hình 3.2-9 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu......................................................... 57 Hình 3.2-10 Sơ đồ mã lưới ...................................................................................................... 61 Hình 3.2-11 Bộ mã lưới k = 1 , K = 3 và n = 2 ....................................................................... 61 Hình 3.2-12 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1 , K = 3 và n = 2 ....................................... 61 Hình 3.2-13 Lưới mã STTC 4-PSK 4 trạng thái với 2 anten phát............................................ 62 Hình 3.2-14 Lưới mã STTC 8-PSK 8 trạng thái với 2 anten phát............................................ 62 Hình 3.2-15 STTC 16-QAM 16 trạng thái với 2 anten phát ................................................... 63 Hình 3.2-16 Hệ thống V-BLAST ............................................................................................ 65 Hình 3.2-17 Máy thu V-BLAST Zero-forcing ......................................................................... 69 Hình 3.2-18 Máy thu V-BLAST MMSE................................................................................. 74 Hình 3.3-1 Đồ thị BER sơ đồ Alamouti và MMRC với bộ mapper BPSK và QPSK.............. 75 Hình 3.3-2 Đồ thị BER sơ đồ Alamouti và MMRC với bộ mapper 8-PSK và 16-PSK........... 76 Hình 3.3-3 Đồ thị BER hệ thống MIMO với bộ mapper BPSK .............................................. 77 Hình 3.3-4 Đồ thị BER hệ thống MIMO với bộ mapper QPSK .............................................. 77 Hình 3.3-5 Đồ thị BER hệ thống MIMO với bộ mapper 16-PSK............................................ 78 Hình 4.1-1 Hệ thống thông tin với các khối cơ bản ................................................................. 79 Hình 4.1-2 Hàm E (r ) tăng khi r tăng hoặc C tăng .................................................................. 81 Hình 4.1-3 Sơ đồ mã hóa Turbo tốc độ R = 1/3....................................................................... 83 Hình 4.1-4 Sơ đồ mã hóa Turbo tổng quát ............................................................................... 83 Hình 4.1-5 Bộ mã hóa mã chập r = 1 / 2 , m = 2 ...................................................................... 84 Hình 4.1-6 Bộ mã hóa RSC r = 1 / 2 , m = 2 ............................................................................ 84 Hình 4.1-7 Sơ đồ mã hóa Turbo R=1/3.................................................................................... 90 Hình 4.1-8 Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên với chiều dài N=8 ...................................................... 91 Hình 4.1-9 Bộ xáo trộn khối 4 × 4 ........................................................................................... 91 Hình 4.1-10 Cách chọn vị trí hoán vị cho bộ xáo trộn Semi-random...................................... 93 Hình 4.1-11 Hình kỹ thuât xoá luân phiên từng bit parity ...................................................... 93 Hình 4.1-12 Bộ xáo trộn khối 3 × 3 ......................................................................................... 94 Hình 4.1-13 Mỗi bit thông tin có một bit Parity tương ứng .................................................... 94 Hình 4.1-14 Kết thúc Trellis.................................................................................................... 95 Hình 4.1-15 Sơ đồ bộ mã hóa Turbo trong CCSDS TCC ....................................................... 98 HVTH: Tạ Hồng Hà Trang x Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu Hình 4.1-16 Sơ đồ bộ mã hóa Turbo 3GPP tốc độ R = 1/3..................................................... 99 Hình 4.1-17 Sơ đồ mã hóa Turbo trong chuẩn DVB và Wimax ............................................ 100 Hình 4.2-1 Hàm Likelihood ................................................................................................... 102 Hình 4.2-2 mã hóa RSC tổng quát tốc độ R = 1/2 ................................................................ 105 Hình 4.2-3 Trellis của bộ mã hóa mã chập hệ thống có hồi tiếp ........................................... 106 Hình 4.2-4 Sơ đồ giải mã Turbo sử dụng giải thuật Log-MAP............................................. 111 Hình 4.2-5 Bộ giải mã SISO.................................................................................................. 113 Hình 4.2-6 Sơ đồ giải mã Turbo sử dũng bộ giải mã SISO................................................... 117 Hình 4.2-7 Bộ mã hóa RSC và Trellis tương ứng ................................................................. 119 Hình 4.2-8 Trellis mã hóa chuỗi bit 1011.............................................................................. 119 Hình 4.2-9 Trellis giải mã chuỗi bit thu được dùng giải thuật Viterbi.................................. 120 Hình 4.2-10 Đường sống sót và đường bị loại bỏ trong Treliss ............................................. 121 Hình 4.2-11 Sơ đồ giải mã Turbo sử dụng giải thuật SOVA ................................................ 131 Hình 4.3-1 Đồ thị BER mã Turbo ứng với số lần giải mã lập từ 1 đến 10............................. 133 Hình 4.3-2 Đồ thị BER mã Turbo ứng với kích thước Frame 256, 1024 và 4096................. 133 Hình 4.3-3 Đồ thị BER mã Turbo dùng RSC 4 trạng thái và RSC 8 trạng thái .................... 134 Hình 5.2-1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM .................................................................... 138 Hình 5.2-2 Sơ đồ khối điều chế OFDM ................................................................................. 138 Hình 5.2-3 Sơ đồ khối giải điều chế OFDM ......................................................................... 138 Hình 5.2-4 Ma trận kênh truyền ............................................................................................. 139 Hình 5.2-5 Sơ đồ khối hệ thống Turbo MIMO-OFDM ......................................................... 140 Hình 5.2-6 Sơ đồ khối hệ thống Turbo MIMO-OFDM Alamouti ......................................... 141 Hình 5.2-7 Sơ đồ khối hệ thống Turbo MIMO-OFDM Alamouti ......................................... 141 Hình 5.2-8 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST..................................................................... 145 Hình 5.2-9 Sơ đồ khối điều chế OFDM ................................................................................. 145 Hình 5.2-10 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST..................................................................... 148 Hình 5.2-11Sơ đồ khối giải điều chế OFDM ......................................................................... 148 Hình 5.2-12 ZF/MMSE Decoder............................................................................................ 148 Hình 5.3-1 Đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM VBLAST với bộ mapper BPSK ............... 149 Hình 5.3-2 Đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM VBLAST với bộ mapper QPSK............... 150 Hình 5.3-3 Đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM VBLAST với bộ mapper 16-PSK ............ 150 Hình 5.3-4 Đồ thị BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM, với mã Turbo m = 2, N = 512....... 151 Hình 5.3-5 Hệ thống phát MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh liên luồng......... 152 Hình 5.3-6 Hệ thống thu Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ giải xáo trộn kênh liên luồng ....................................................................................................................................... 153 Hình 5.3-7 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh ............... 153 Hình 5.3-8 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST, R = 1/2 1/3 ............................. 154 Hình 5.3-9 Hệ thống phát Turbo MIMO-OFDM với bộ giải xáo trộn kênh và bộ cân bằng độ tin cậy ..................................................................................................................................... 155 Hình 5.3-10 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh ............. 155 Hình 5.3-11 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST, R = 1/2, 1/3 .......................... 155 Bảng 4.1.1 Hàm xáo trộn ngẫu nhiên chiều dài N=8 ............................................................... 91 Bảng 4.1.2 Hàm xáo trộn dịch vòng với N = 8 , a = 5 , r = 0 ................................................. 92 Bảng 5.1.1 Các chuẩn thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai.............................................. 136 Bảng 5.1.2 Một số chuẩn không dây băng rộng sử dụng MIMO-OFDM .............................. 137 Bảng 5.3.1 Thông số kênh truyền Pedestrian B của ITU ....................................................... 151 HVTH: Tạ Hồng Hà Trang xi Chương 1: Giới Thiệu Chung Chương 1 Giới Thiệu Chung Thông tin không dây phát triển đã phát triển rất mạnh mẽ trở thành một phần vô cùng quan trọng của ngành công nghiệp truyền thông. Công nghệ không dây được ứng dụng khắp nơi trong cuộc sống như thông tin vệ tinh, thông tin mặt đất, hệ thống di động tế bào, mạng LAN không dây, Sensor network… Một hệ thống thông tin không dây với các khối chính được minh họa như trong hình 1.0.1, quá trình truyền thông tin như sau: dữ liệu số nhị phân cần được truyền đi sẽ được mã hóa sửa sai, sau đó biến đổi thành dạng tương tự và được đưa ra hệ thống Anten phát truyền qua môi trường vô tuyến, hệ thống Anten phía thu sẽ nhận tín hiệu và xử lý sau đó thực hiện giải điều chế, giải mã sửa sai trả lại thông tin gốc ban đầu. Hình 1.0.1 Hệ thống thông tin không dây Chương 1 sẽ giới thiệu những kiến thức nền tảng cho từng khối trong sơ đồ trên, chương 2, 3, 4 sẽ lần lượt đi vào tìm hiểu phân tích cụ thể kỹ thuật điều chế OFDM, hệ thống Anten MIMO, mã hóa kênh truyền Turbo, chương 5 mô ta hệ thống kết hợp các kỹ thuật trình bày trong chương 2, 3, 4 và cuối cùng đi đến kết luận trong chương 6. HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 1 Chương 1: Giới Thiệu Chung 1.1 Kênh Truyền Vô Truyến Hiện tượng Shadowing và Multipath Tín hiệu vô tuyến truyền qua không gian theo một quãng đường dài hay sóng đi xuyên qua các vật thể có kích thước lớn, công suất tín hiệu trung bình tại phía thu sẽ bị suy hao tỷ lệ theo quãng đường mà sóng đi qua. Hiện tượng này gọi là Shadowing hay Large-scale Fading, và máy thu trong trường hợp này bị che khuất (shadowed). Bên cạnh hiện tượng Shadowing còn có hiện tượng Multipath hay còn gọi là SmallScale Fading. Tín hiệu truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa và va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền và gây ra các hiện tượng: a) Phản xạ b) Tán xạ c) Nhiễu xạ Hình 1.1-1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng • Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.(Hình 1.1.1a ) • Tán xạ: khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.(Hình 1.1.1b ) • Nhiễu xạ: khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng.(Hình 1.1.1c ) Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu theo nhiều đường khác nhau (Multipath) (hình 1.1.2). Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các quãng đường dài ngắn khác nhau nên: thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này là khác nhau và sự suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau. Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao mà tín hiệu thu được tăng cường HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 2 Chương 1: Giới Thiệu Chung hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha hay tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha [1]. Hình 1.1-2 Tín hiệu gốc và 2 thành phần multipath Các kênh truyền có thể được phân loại theo nhiều các khác nhau dựa trên các tiêu chí khác nhau. Tuỳ theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean. Hình 1.1-3 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian. Hình 1.1.3 mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian, khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác nhau, tín hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm kích xung khác nhau. Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 3 Chương 1: Giới Thiệu Chung Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không bằng phẳng trên một dải tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi. Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số, hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số. Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó. Hình 1.1-4 Đáp ứng tần số của kênh truyền Hình 1.1.4 cho ta thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng. Vừa rồi ta mới mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xét định lượng các thông số của kênh truyền [2]. HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 4 Chương 1: Giới Thiệu Chung M Hình 1.1-5 Tín hiệu tới phía thu theo L đường Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 1.1.5 (chưa tính đến nhiễu) có dạng : L y(t) = ∑ α i x(t − τ i ) (1.1) i =1 Với α i = α i (t )∠φi (t ) hệ số suy hao biên độ và xoay pha τ i = τ i (t ) thời gian trễ có giá trị thực. Tổng quát tín hiệu tới máy thu có dạng sau +∞ y (t ) = ∫ x(t − τ ).h(t ,τ )dτ = x(t) * h(t,τ ) (1.2) −∞ Với h(t,τ ) là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền. L h(t,τ ) = ∑ α i (t ).δ [τ − τ i (t )] (1.3) i =1 Từ (1.3) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian: +∞ H(t, f) = ∫ h(t,τ )e - j2πfτ dτ (1.4) -∞ Mỗi kênh truyền đều có một đáp ứng xung, do đó mỗi kênh truyền có thể đặc trưng bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorrelation Function): R h (t1 , t2 ,τ 1 ,τ 2 ) = E[h* (t1 ,τ 1 ).h(t2 ,τ 2 )] = E[h* (t1 ,τ 1 ).h(t1 + Δt ,τ 1 + Δτ )] (1.5) +∞ E[f(x)] = ∫ f ( x). p X ( x).dx ) (1.6) −∞ HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 5 Chương 1: Giới Thiệu Chung Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến t1, t2, τ 1, τ 2 ) nên để đơn giản trong phân tích ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và không tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter). WSS: quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào Δt = t2 − t1 US: các thành phần phản xạ là độc lập nhau Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF: R h (t1 , t1 + Δt ,τ 1 ,τ 1 + Δτ ) = R h (Δt ,τ ) = Ph (Δt ,τ 1 ).δ (τ 1 − τ 2 ) (1.7) Với Ph (Δt ,τ 1 ) là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF) Khi Δt = 0 , Ph (τ ) = Ph (Δt ,τ ) được gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do đó công suất ra của tín hiệu được tính theo công thức +∞ P = ∫ PH (τ )dτ (1.8) -∞ Lấy biến đổi Fourier (1.7) ta được: +∞ R H (Δt , Δf ) = ∫ R h (Δt ,τ )e − j 2πΔfτ dτ (1.9) -∞ Ta sẽ dùng công thức này để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm. Nếu Δt = 0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa các khoảng tần số Δf của kênh truyền. +∞ R H (Δf ) = R H (0, Δf ) = ∫ R h (τ )e − j 2πΔfτ dτ (1.10) -∞ Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số (Δf ) C , tại đó tỉ số RH (Δf ) xấp xỉ 1. Tức là RH (0) đáp ứng của kênh truyền được xem là bằng phẳng trong khoảng (Δf ) C . Khoảng tần số này gọi là Coherence bandwith. HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 6 Chương 1: Giới Thiệu Chung • Nếu kênh truyền có (Δf ) C nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số. Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng. • Nếu kênh truyền có (Δf ) C lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hay kênh truyền phẳng. Tương tự như Coherence bandwith, hai thông số quan trọng thường được dùng khi xét kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ giới hạn trung bình TAEX (Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng τ RMS (RMS delay spread) của kênh truyền [5]: L T AEX = ∑τ k =1 L k .Pk (1.11) ∑ Pk k =1 L τ RMS = ∑ (τ k =1 k − T AEX ) 2 .Pk L ∑P k =1 Với (1.12) k Tk thời gian trễ của bản sao thứ k, Pk là công suất của bản sao thứ k Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu τ RMS so sánh được với Tsymbol . Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu như cấu trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi. Hình 1.1.6 cho thấy công suất tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công suất không đổi tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian. Tương tự như khái niệm kênh truyền chọn lọc hay không chọn lọc theo tần số, khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự Tsymbol , thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (Time HVTH: Tạ Hồng Hà Trang 7