Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, công nghệ viễn thông đã trở thành một phần rất quan trọng trong cuộc sống, các hệ thống thông tin vô tuyến đã mở ra một chiều hướng mới về phương tiện liên lạc. Con người có thể liên
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -----------oOo---------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Điện tử-Viễn Thông Hệ: Chính quy Niên khóa: 2003-2008 Đề tài: TÌM HIỂU HỆ THỐNG MIMO-ANTENNA Mã số: 40316007010 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : DƯƠNG HIỂN THUẬN SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN THỊ CẨM DUNG MÃ SINH VIÊN : 403160014 LỚP : Đ03VTA1 NĂM : 2007 LỜI CÁM ƠN Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, cuối cùng luận văn cũng đã hoàn thành. Để hoàn thành luận văn này em xin chân thành cám ơn các thầy cô Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông nói chung và các thầy cô đã từng giảng dạy lớp Đ03VTA1 nói riêng đã tạo mọi điều kiện và cung cấp nhiều kiến thức bổ ích để em có thể hoàn thành được luận văn này. Đặc biệt, em xin cám ơn thầy Dương Hiển Thuận đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em một cách nhiệt tình nhất. Xin chân thành cám ơn thầy. Ngoài ra, xin gởi lời cám ơn đến tất cả bạn bè của tôi đã giúp đỡ, ủng hộ tôi hết mình. Và hơn hết, con xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến ba mẹ, gia đình đã động viên con trong suốt thời gian vừa qua. Hồ Chí Minh,17-12-2007 Nguyễn Thị Cẩm Dung LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ viễn thông đã trở thành một phần rất quan trọng trong cuộc sống, các hệ thống thông tin vô tuyến đã mở ra một chiều hướng mới về phương tiện liên lạc. Con người có thể liên lạc với nhau tại mọi nơi, mọi lúc. Các hệ thống di động thế hệ thứ 2, thứ 3 có thể cung cấp tốc độ dữ liệu từ 9,6 kbps đến 2 Mbps. Gần đây, các mạng LAN vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11 có thể truyền thông tại tốc độ khoảng 54 Mbps. Trong mười năm tới, dung lượng của những công nghệ này có thể sẽ đạt tới 100 Mbps -1 Gbps và số lượng thuê bao khoảng 2 tỷ người. Hiện tại, 4G (thế hệ di động thứ tư) đang được nghiên cứu để chuẩn hoá. Một số giải pháp triển vọng để cải tiến hiệu suất của hệ thống một cách đáng kể đã được đưa ra. Một trong các công nghệ truyền thông vô tuyến di động tương lai có triển vọng nhất là sử dụng nhiều phần tử anten tại máy phát và máy thu. Vì các hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng rất nhiều nên nó gây được nhiều sự quan tâm trong các nghiên cứu thông tin di động. Dung lượng của hệ thống tỷ lệ tuyến tính số lượng anten được sử dụng tại hai đầu cuối. Tuy nhiên, dung lượng này thu được bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp ở cả hai đầu cuối. Hơn nữa, nhiều anten yêu cầu nhiều luồng RF (rất đắt). Vì vậy, giá thành và độ phức tạp là hai nhân tố chính hạn chế sử dụng nhiều anten ở các hệ thống truyền thông trong tương lai. Mặt khác, trong mỗi sự thực hiện kênh, một số anten (hoặc tại máy phát, hoặc tại máy thu) có thể bị fading sâu. Khi tăng số lượng anten, xác suất tối thiểu của một số anten bị fading tăng lên. Do đó, giải pháp thực tế là: lựa chọn tập con anten sao cho (a) kích thước hiệu dụng của ma trận độ lợi kênh giảm, theo đó các yêu cầu xử lý được đơn giản hoá, và (b) số luồng RF giảm. Việc tìm tập con các anten tối ưu yêu cầu tìm kiếm toàn bộ mà thường không thể tính được. Vấn đề đặt ra là cố gắng tìm các thuật toán gần tối ưu để lựa chọn anten . Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài của mình là “Tìm hiểu hệ thống MIMO-antenna”. Đề tài đã nghiên cứu những kiến thức tổng quan cơ bản nhất về MIMO và các thuật toán lựa chọn anten thích ứng. Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương. Chương 1: Tổng quan về anten Trong chương này chủ yếu đưa ra các khái niệm cơ bản về anten, một số thông số đặc trưng của anten. Chương 2:Hệ thống MIMO Trình bày một cách tổng quan về hệ thống MIMO bao gồm: phân tích hiệu năng của hệ thống MIMO với lựa chọn anten để thấy được lợi ích của lựa chọn anten, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, xây dựng mô hình kênh MIMO thống kê. Chương 3: Lựa chọn MIMO anten Trình bày thuật toán tính gần đúng ngẫu nhiên rời rạc với giả thiết kênh tựa tĩnh để lựa chọn tập con anten tốt nhất sử dụng các tiêu chuẩn như thông tin tương hỗ tối đa, tỷ lệ lỗi tố thiểu, .; trình bày các thuật toán lựa chọn anten thích ứng sử dụng kích thước bước cố định hoặc kích thước bước thích ứng, khi kênh MIMO biến thiên theo thời gian. Chương 4: Chương trình mô phỏng Chương này xây dựng mô hình mô phỏng tính toán dung lượng của hệ thống MIMO bằng cách cấp phát công suất theo phương pháp waterfilling. Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu của thầy Dương Hiển Thuận và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, luận văn được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn bè. Một lần nữa em xin chân thành cám ơn tất cả thầy cô, gia đình và bạn bè đã giúp em hoàn thành luận văn này. Thành phố Hồ Chí Minh 17-12-2007 Nguyễn Thị Cẩm Dung MỤC LỤC Các từ viết tắt 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 5 1.1.Sơ lược về anten 5 1.1.1.Khái niệm .5 1.1.2.Phân loại anten 5 1.2.Quá trình bức xạ sóng điện từ .5 1.3.Trường bức xạ của dòng điện và dòng từ trong không gian tự do 6 1.4.Đặc tính định hướng của trường bức xạ 8 1.4.1.Hàm phương hướng 8 1.4.2.Đồ thị phương hướng .8 1.5.Các thông số đặc trưng của anten 9 1.5.1.Kiểu bức xạ .9 1.5.2.Hệ số hướng tính 10 1.5.3.Độ lợi của anten(hệ số tăng ích) .11 1.5.4. Trở kháng ngõ vào 11 1.5.5.Hệ số sóng đứng VSWR .11 1.6.Array anten (anten dãy) .12 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO .13 2.1. Mô hình hệ thống MIMO .13 2.1.1.Tổng quan .13 2.1.2.Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO .14 2.1.3.Các loại máy thu sử dụng .15 2.2.Hệ thống MIMO lựa chọn anten 17 2.2.1.Giới thiệu 17 2.2.2.Mô tả hệ thống 17 2.3.Hệ thống MIMO sử dụng SVD .19 2.4.Dung lượng của các kênh MIMO với lựa chọn anten .20 2.4.1.Lựa chọn anten phát 20 2.4.2.Lựa chọn anten phát: trường hợp SNR thấp .24 2.4.3.Lựa chọn anten thu .25 1 2.4.4.Lựa chọn kết hợp thu/phát 27 2.5.Đặc tính của tiêu chuẩn lựa chọn anten. [2] 28 2.5.1. Lựa chọn 3 anten từ 4 anten với waterfilling .28 2.5.2.Chọn 3 anten trong số 4 anten với cấp phát công suất bằng nhau 29 2.5.3. Chọn 2 anten trong số 4 anten, cấp phát công suất bằng phương pháp waterfilling .30 2.6.Mô hình kênh MIMO .31 2.6.1.Mô hình kênh MIMO vô hướng đa đường cho fading phẳng và fading lựa chọn tần số .31 2.6.2.Mô hình kênh MIMO thống kê .36 CHƯƠNG III: LỰA CHỌN MIMO ANTEN 41 3.1.Mục đích của hệ thống đa anten(MIMO anten) .42 3.2.Hệ thống MIMO với sự lựa chọn anten .43 3.3.Các thuật toán tính gần đúng ngẫu nhiên rời rạc .46 3.3.1.Thuật toán tính gần đúng ngẫu nhiên rời rạc linh hoạt. .47 3.3.2.Thuật toán gần đúng ngẫu nhiên rời rạc bảo toàn(Conservative) .51 3.4.Các lựa chọn anten thích ứng dưới các tiêu chuẩn khác nhau .54 3.4.1.Thông tin tương hỗ MIMO lớn nhất .54 3.4.2.Giới hạn tỷ lệ lỗi cực tiểu .59 3.4.3.SNR cực đại 61 3.4.4.Tỷ lệ lỗi nhỏ nhất 63 3.5.Các thuật toán thích ứng để lựa chọn anten trong các kênh biến thiên theo thời gian 66 3.5.1.Thuật toán tính xấp xỉ ngẫu nhiên rời rạc kích thước bước cố định .67 3.5.2.Thuật toán tính xấp xỉ ngẫu nhiên rời rạc kích thước bước thích ứng 68 3.6.Kết luận 72 CHƯỜNG IV: MÔ PHỎNG DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO .73 4.1.Giới thiệu .73 4.2.Chương trình mô phỏng 73 4.3.Kết quả mô phỏng 75 CHƯƠNGV: TỔNG KẾT 76 PHỤ LỤC .77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 2 Mục lục hình Hình3. 1: Đồ thị hàm tương quan 43 Hình3. 2: Hệ thống MIMO có lựa chọn anten .44 Hình3. 3: Một bước chạy của thuật toán 3.1: giá trị thông tin tương hỗ của tập con anten được chọn so với số bước lặp n .57 Hình3. 4: Trung bình các giá trị thông tin tương hỗ của các tập con anten được chọn bởi thuật toán 3.1 và 3.2 so với bước lặp n 58 Hình3. 5: Trung bình các giá trị thông tin chung của các tập con anten được chọn so với số bước lặp của thuật toán thích ứng hot start .58 Hình3. 6: Một bước chạy của thuật toán 3.1: giá trị đơn nhỏ nhất của tập con anten được lựa chọn đối với số bước lặp n 60 Hình3. 7: Trung bình (hơn 100 bước chạy) giá trị đơn nhỏ nhất của kênh của các tập con anten được chọn đối với số bước lặp n 61 Hình3. 8: Một bước chạy của thuật toán 3.1: BER của tập con anten được chọn đối với số bước lặp n dùng máy thu ML 64 Hình3. 9: BER của tập con anten được chọn đối với số bước lặp n trong hệ thống dùng máy thu BLAST xóa và đưa về không (MMSE) .65 Hình3. 10: Trung bình 2000 bước chạy của thuật toán: BER chính xác của tập con anten được chọn đối với số bước lặp n trong hệ thống triển khai máy thu BLAST xoá và đưa về không theo thứ tự (MMSE) .66 Hình3. 11: Các giá trị thông tin tương hỗ của các tập con anten được lựa chọn đối với số bước lặp n (kích thước bước cố định) 68 Hình3. 12: Các giá trị thông tin tương hỗ của các tập con anten được chọn đối với số bước lặp n (kích thước bước thích ứng) 72 Các từ viết tắt BLAST Bell-Labs Layered Space Time Hệ thống không gian thời gian phân lớp của phòng thí nghiệm 3 Bell CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh FDD Frequency division duplex Song công phân chia theo tần số LMS Least mean-squares Bình phương nhỏ nhất MIMO Multi-input Multi-output Đa ngõ vào đa ngõ ra MISO Multi-input Single-output Đa ngõ vào một ngõ ra ML Maximum Likelihood Gần giống cực đại MS Mobile station Máy di động MMSE Minimum Mean-squares Lỗi bình phương trung bình nhỏ error nhất Pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SIMO Single-input Multi-output Một ngõ vào, đa ngõ ra SISO Single-input Single-output Một ngõ vào một ngõ ra SM Spatial Multiplexing Đa hợp không gian STC Space-Time Coding Mã hóa không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn TDD Time division duplex song công phân chia theo thời gian ZF Zero Forcing Tiến về không 4 Chương I: Tổng quan về anten CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1. Sơ lược về anten 1.1.1. Khái niệm Trong một hệ thống vô tuyến sóng điện từ lan truyền từ máy phát sang máy thu qua không gian.Và thiết bị để bức xạ hay thu nhận sóng điện từ vào không gian chính là anten. 1.1.2. Phân loại anten Tùy theo mục đích sử dụng,băng sóng hay chức năng,cấu trúc mà ta có các loại anten sau: - Theo mục đích sử dụng:Anten thông tin,Anten truyền hình,Anten phát thanh,Anten thiên văn ,Anten rada…. - Theo băng sóng:anten sóng cực ngắn,sóng ngắn,sóng trung,sóng dài … - Theo chức năng: anten thu,phát. - Theo cấu trúc:dipole,vòng nguyên tố,… Anten có nhiều hình dạng và nhiều cấu trúc khác nhau.Nhưng chúng cũng thuộc 2 loại sau: anten có hướng và anten vô hướng. Anten vô hướng là anten bức xạ công suất ra tất cả mọi hướng đều như nhau. Anten có hướng là loại anten chỉ bức xạ công suất theo một hướng nhất định. 1.2. Quá trình bức xạ sóng điện từ Về nguyên lý bất kì hệ thống nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ. 5 Chương I: Tổng quan về anten Hình 1. 1: Bức xạ từ một anten Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian gọi là năng lượng bức xạ. 1.3. Trường bức xạ của dòng điện và dòng từ trong không gian tự do Xét nguồn bức xạ có thể tích V, mật độ dòng kích thích là và . Trường của dòng này được xác định qua vector thế . ikr e,m e,m V 1 e A J dV 4 r − = π ∫ ur r (1.1) ρ là khoảng cách O đến điểm tích phân r khoảng cách từ điểm tich phân dV đến điểm khảo sát M R khoảng cách O-M Để khảo sát đặc tính trường của dòng ta thường chia không gian khảo sát làm 2 khu vực chính: miền xa và miền gần. 6 [...]... hng rng ca th phng hng l gúc gia 2 hng m theo hai hng ú cng trng hoc cụng sut bc x gim n mt giỏ tr nht nh Thụng thng, rng ca th phng hng c xỏc nh 2 mc: bc x khụng v bc x na cụng sut rng ca th phng hng theo mc khụng l gúc gia 2 hng m theo ú cng trng bc x bt u gim n khụng FNBW = 2 m 01 (1.16) rng ca th phng hng theo mc na cụng sut l gúc gia 2 hng m theo ú cụng sut bc x gim i mt na so vi hng... ngha l phm vi m dn anten cú th trỏnh c hiu ng che chn (shadowing) Khi m mt anten ang thu tớn hiu yu do che chn thỡ cú kh nng mt anten khỏc ang thu tớn hiu tt Do vy, xỏc sut tt c dn anten b che chn nh hn xỏc xut mt anten b che chn (trng hp SISO) c bit, phc tp ca cỏc thut toỏn mó hoỏ v gii mó tng ỏng k theo s lng cỏc anten Trong thc t cụng sut x lý ca mỏy thu c xỏc nh da vo s anten tớch cc m h thng cú... fading phng tng theo s anten c s dng ti hai u cui ú chớnh l lý do vỡ sao hin nay ngi ta c bit quan tõm n h thng MIMO Dung lng ca kờnh MIMO cao hn kờnh SISO (mt u vo mt u ra) vỡ hai lý do: li to bỳp v li phõn tp li to bỳp c nh ngha l kh nng mt mỏy phỏt (mỏy thu) cú nhiu anten phỏt (thu) nng lng theo (t) hng mong mun li phõn tp c nh ngha l phm vi m dn anten cú th trỏnh c hiu ng che chn (shadowing)... i (1.15) 1.4.2 th phng hng th phng hng biu th s bin i tng i ca biờn cng trng theo hng kho sỏt.Biu th s bin i ny cú th bng phng phỏp toỏn hc hoc th Khi biu th bng phng phỏp th ngi ta dựng cỏc ng cong phng v c tớnh phng hng theo 2 mt phng chớnh l mt phng ngang v ng so vi mt t rng th phng hng l gc hp bi 2 hng m theo 2 hng ú cụng sut hay cng in trng gim n mt giỏ tr nht nh no ú 8 Chng I: Tng quan... ằ 0,57721566 l hng s Euler-Mascheroni + Ta s dng an B bn biu th tớnh tng ng tim cn ca an v bn c nh ngha l: lim nđƠ an bn = 1 õy ta s dng thụng lng logarit t nhiờn do ú n v dung 2 lng l Nats/Sec/Hz Phõn b chi-square cú 2p bc t do c biu din bi c 2 p , v 2 2 % cc i ca n phõn b c 2 p c lp c ký hiu l c 2 p ,n Vi vic s dng cỏc ký hiu, 2 % ta biu din cỏc bin ngu nhiờn theo phõn b sau cng vi c 2 p ,n ... thụng tin trng thỏi kờnh (CSI) khụng c bit ti mỏy phỏt, thỡ a hp khụng gian (spatial Multiplexing-SM) hoc mó hoỏ thi giankhụng gian (space-time coding-STC) cú th c s dng cho truyn dn Nu mỏy phỏt cú CSI, to bỳp c s dng phỏt mt lung d liu n qua liờn kt vụ tuyn Theo ú, hiu qu ph v tớnh linh hot ca h thng cú th c ci tin Tht khú quyt nh phng phỏp truyn dn no l tt nht Cú th kt lun rng vic la chn mụ hỡnh... CSI t mỏy thu ti mỏy phỏt Do ú, trong cỏc h thng song cụng phõn chia theo tn s (FDD), tiờu chun SNR rt khú thc hin nu LT < NT Cỏc h thng FDD cú th ỏp dng tiờu chun SNR bng cỏch chn LT = NT , ngha l s dng tt c cỏc anten tai mỏy phỏt iu ny cng cú ngha l NT b gii hn bi cụng sut x lý ca h thng Trong cỏc h thng song cụng phõn chia theo thi gian (TDD), kờnh mang tớnh thun nghch Mỏy phỏt cú th thu thụng... 2.3 H thng MIMO s dng SVD SVD ca H gm ba ma trn ( U , ồ ,V ) = SVD ( H ) , trong ú U v V l cỏc ma trn unitary, v ồ l ma trn ng chộo ca cỏc giỏ tr riờng ca H c sp xp theo trỡnh t gim SVD ca H l: H =U ồ V * trong ú V * l chuyn v liờn hp ca V Theo phõn tớch SVD, ma trn kờnh H c phõn tớch thnh mt s ch trc giao c lp, m c xem nh l cỏc ch riờng ca kờnh Kờnh MIMO c bin i thnh cỏc kờnh SISO song song cú li... thng dũng in v dũng t cú cng ph thuc vo hng kho sỏt Ta gi f(,) l hm phng hng ca h thng bc x, ú chớnh l hm s c trng cho s ph thuc ca cng trng bc x theo hng kho sỏt ng vi khong cỏch R khụng i (1.12) T cụng thc (1.9) v khi R khụng i thỡ s ph thuc ca cng trng theo hng kho sỏt ch cú quan h vi cỏc s hng trong du ngoc ta c (1.13) Nh vy hm phng hng l (1.14) Trong thc t thun tin cho vic thit lp v phõn tớch... trng hp SNR ln % S dng cụng thc Sherman-Morisson cho cỏc nh thc, cu kờnh H c la chn ta cú: det( I N R + 1 r LT LT %% HH H ) = ế (1 + r LT i=1 % %% hiH Pi hi ) (2.4) % %H % - 1 % % Khi r đ Ơ , Pi đ Pi , trong ú Pi = I N - H i- 1 ( H i- 1H i- 1 ) H i- 1 l ma trn R chiu cú hng NR-i+1 Khi NT ln, ti mi bc la chn, phõn b ca cỏc vect kờnh cũn li vn c xp x vi phõn b Gauss i xng theo chu k Khi NT ln gi thit Gauss . Space-Time Coding Mã hóa không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn TDD Time division duplex song công phân chia theo thời. thiên văn ,Anten rada…. - Theo băng sóng:anten sóng cực ngắn,sóng ngắn,sóng trung,sóng dài … - Theo chức năng: anten thu,phát. - Theo cấu trúc:dipole,vòng