Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _ HVTH: Phạm Minh Triết Đề Tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Cán Bộ Hƣớng Dẫn: TS.Trần Hoài Trung HCM, Ngày 28 Tháng 11 năm 2011 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Cơ quan công tác: Phạm Minh Triết Năm sinh: 17/06/1984 Trƣờng CĐ Công Nghệ Thông Tin TPHCM Khoá: 16 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Cán hƣớng dẫn: TS Trần Hoài Trung Bộ môn: Điện tử viễn thông Tên luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO-OFDM ứng dụng hệ thống thông tin không dây Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu kỹ thuật OFDM hệ thống MIMO để kết hợp công nghệ MIMO kỹ thuật OFDM nhầm để tăng dung lƣợng chất lƣợng cho hệ thống thông tin không dây Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết nhằm có nhìn tổng quan kỹ thuật OFDM nhƣ hệ công nghệ MIMO từ kết hợp lại để tạo mô hình ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây Chủ yếu hai mô hình Alamouti mô hình V_BLAST để cải thiện chất lƣợng hệ thống Điểm bình quân môn hoc: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày tháng Xác nhận cán hƣớng dẫn: Xác nhận môn: Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử năm Học viên Phạm Minh Triết HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày tăng Các hệ thống thông tin tƣơng lai đòi hỏi phải có dung lƣợng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả kháng nhiễu tốt Hệ thống thông tin truyền thống phƣơng thức ghép kênh cũ khả đáp ứng đƣợc yêu cầu hệ thống thông tin tƣơng lai OFDM phƣơng pháp truyền phức tạp kênh vật lý, nguyên lý phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền lƣợng lớn ký tự thời điểm Tuy nhiên kỹ thuật OFDM lại tồi số nhƣợc điểm nhƣ đƣờng bao biên độ tín hiệu phát không phẳng Điều gây méo phi tuyến khuyếch đại công suất máy phát máy thu Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh đƣợc nhiễu phân tập đa đƣờng nhƣng làm giảm phần hiệu suất sử dụng đƣờng truyền Công nghệ MIMO có ƣu điểm gia tăng tốc độ truyền liệu mở rộng tầm phủ sóng băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu nhận tín hiệu mạnh từ anten vị trí Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo nhiều đƣờng khác nhằm tăng lƣu lƣợng thông tin Dữ liệu truyền sau đƣợc tập hợp lại đầu nhận theo định dạng đƣợc ấn định Tuy nhiên bị giới hạn hệ thống băng hẹp Vì giải pháp đƣợc đƣa kết hợp công nghệ MIMO kỹ thuật OFDM nhằm để tăng dung lƣợng chất lƣợng cho hệ thống thông tin không dây Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung MỤC LỤC Tờ bìa Trích yếu luận văn cao học Lời mở đầu Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ 10 Chƣơng I : Tổng quan hệ thống thông tin không dây 13 1.1 Hệ thống thông tin di động 13 1.2 Kênh truyền vô tuyến 15 1.2.1 Suy hao đƣờng truyền 15 1.2.2 Hiệu ứng Multipath-Fading 16 1.2.3 Hiệu ứng Dopper 17 1.2.4 Kênh truyền Fading phẳng chọn lọc tần số 19 1.2.5 Kênh truyền biến đổi nhanh biến đổi chậm 21 1.2.6 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean 23 1.3 Phƣơng thức ghép kênh 24 1.3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số 24 1.3.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian 25 1.3.3 Ghép kênh phân chia theo mã 25 1.3.4 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 25 1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 26 1.4.1 Hệ thống SISO 26 1.4.2 Hệ thống MISO 27 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung 1.4.3 Hệ thống SIMO 27 1.4.4 Hệ thống MIMO 28 Chƣơng II : Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao 30 2.1 Lịch sử phát triển 30 2.2 Các ƣu điểm nhƣợc điểm 31 2.3 Tính trực giao OFDM 32 2.4 Mô hình hệ thống 33 2.4.1 Mã hóa kênh 34 2.4.2 Kỹ thuật phân tán liệu 34 2.4.3 Chuyển đổi song song/ nối tiếp, nối tiếp/song song 35 2.4.4 Điều chế sóng mang 36 2.4.5 Kỹ thuật IFT/FFT 37 2.4.6 Khoảng bảo vệ 39 2.4.7 Biến đổi D/A A/D 43 2.4.8 Up converter Down converter 44 2.4.9 Bộ Equalizer 45 2.5 Mô hệ thống OFDM 47 Chƣơng III : Hệ thống MIMO 50 3.1 Tổng quan hệ thống MIMO 50 3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 50 3.1.2 Các kỹ thuật phân tập 51 3.1.3 Độ lợi hệ thống MIMO 54 3.2 Kỹ thuật mã hóa không gian thời gian MIMO 56 3.2.1 Mã khối không gian thời gian STBC 56 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung 3.2.2 Mã lƣới không gian thời gian STTC 59 3.3 Mô hình hệ thống MIMO 61 3.3.1 Sơ đồ Alamouti 66 3.3.2 Mô hình V_BLAST 73 3.4 Kết mô hệ thống MIMO 87 3.4.1 Sơ đồ Alamouti 87 3.4.2 Sơ đồ V-BLAST 90 Chƣơng IV : Kết hợp kỹ thuật OFDM với hệ thống MIMO ứng dụng hệ thống thông tin không dây 93 4.1 Giới thiệu 93 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 94 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 94 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 97 4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST 101 4.3 Mô hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 105 4.4 Mô hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST 107 4.5 So sánh hệ thống MIMO-OFDM 108 Kết luận hƣớng nghiên cứu mở 110 Lời cảm ơn 112 Tài liệu tham khảo 113 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code BPF Band Pass Filter BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDM Code Division Multiplexing CSI Channel State Information D/A Digital to Analog DAB Digital Analog Broadcasting D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code DFT Discrete Fourier Transform DPSK Differential Phase Shift Keying DVB -H Digital Video Broadcasting - Handheld DVB -T Digital Video Broadcasting – Terrestrial FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impluse Response HDSL Hight-bir-rate Digital Subscriber Line HiperLAN2 High Performance Radio Local Area Network Type Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung ICI InterCarrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform I.I.D Independent and Identically Distributed ISI InterSymbol Interference LAN Local Area Network LOS Light Of Sight LPF Low Pass Filter MIMO Multiple Input Muliple Output MISO Multiple Input single Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Sqare Error MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation MS Mobile Station NLOS Non Light Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PDF Probability Density Function QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency SIMO Single Input Multiple Output Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học GVHD: TS Trần Hoài Trung SISO Single Input Single Output S/P Serial to Parallel SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SC SingleCarrier Communication STBC Space-Time Block Code STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder TGn Task Group N V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time ZF Zero-Forcing ZF-OIC Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết Luận Văn Cao Học 10 GVHD: TS Trần Hoài Trung DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình phát triển thông tin di dộng tế bào Hình 1.2: Mô hình kênh truyền Fading đa đƣờng Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler Hình 1.4: Đáp ứng kênh truyền Fading phẳng Hình 1.5: Đáp ứng kênh truyền Fading chọn lọc tần số Hình 1.6: Kênh truyền thay đổi theo thời gian Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh Ricean Hình 1.8: Hệ thống SISO Hình 1.9: Hệ thống MISO Hình 1.10: Hệ thống SIMO Hình 1.11: Hệ thống MIMO Hình 2.1: Cấu trúc tín hiệu OFDM Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM Hình 2.3: Bộ chuyển đổi S/P Hình 2.4: Bộ chuyển đổi P/S Hình 2.5: Mô tả ứng dụng chuỗi bảo vệ việc chống nhiễu ISI Hình 2.6: Trải trễ nhỏ khoảng bảo vệ không gây ISI ICI Hình 2.7: Thành phần ký tự OFDM thu đƣợc truyền qua kênh Multipath Hình 2.8: Những ký tự OFDM thu đƣợc sau truyền qua kênh truyền Multipath Hình 2.9: Bộ chuyển đổi D/A A/D Hình 2.10: Bộ up-converter down-converter Hình 2.11: Bộ Equalizer miền tần số Hình 2.12: Kết mô BER OFDM Hình 3.1: Tổng quan hệ thống MIMO Hình 3.2: Phân tập theo thời gian Hình 3.3: Kỹ thuật Beamforming Hình 3.4: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử HVTH: Phạm Minh Triết