ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ————***———— ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG NGƯỜI THỰC HIỆN : TRẦN THỊ KIM PHƯỢNG LỚP : 09DT3 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN LÊ HÙNG Đà Nẵng - 2014 Phân công nhiệm vụ PHẦN LÝ THUYẾT Chế Công Hoàng Nam Trần Thị Kim Phượng Tìm hiểu tổng quan Hệ thống thông Tìm hiểu tổng quan hệ thống thông tin di động (Chương 1): mô hình kênh tin di động (Chương 1): lịch sử phát pha đinh đa đường triển, số vấn đề thông tin di động Suy hao đường truyền, Pha đinh, CSI Tìm hiểu Các phương pháp Ước Tìm hiểu Hệ thống thông tin lượng kênh truyền (Chương 2): đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp khái niệm thuật toán ước lượng (Chương 2): khái niệm phân loại relay PHẦN MÔ PHỎNG Chế Công Hoàng Nam Trần Thị Kim Phượng Thực mô độ xác Thực thay đổi thông số ước lượng LS hệ thống two kênh truyền SISO MIMO: số - way relay Mô hệ thống SISO lượng bit pilot, loại kênh truyền thay đổi số trạm chuyển tiếp, hệ khác nhau: AWGN, Rayleigh fading thống SISO MIMO thay đổi Rician fading kiểu điều chế Khảo sát MSE kênh Massive Khảo sát BER kênh Massive MIMO MIMO Lời cam đoan Em xin cam đoan nội dung Đồ án chép Đồ án Công trình có từ trước Đà Nẵng, tháng 05 năm 2014 Trần Thị Kim Phượng Mục lục Bảng từ viết tắt Danh sách hình vẽ Lời nói đầu TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 11 1.1 Giới thiệu chương 11 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 11 1.3 Các vấn đề thông tin di động 14 1.3.1 Suy hao đường truyền (Path Loss) 14 1.3.2 Pha đinh phẳng pha đinh lựa chọn tần số 17 1.3.3 Shadowing 19 1.3.4 Hiệu ứng Doppler 19 1.3.5 Thông tin trạng thái kênh truyền 20 1.3.6 Một số mô hình kênh truyền thường gặp 20 1.4 Mô hình kênh pha đinh đa đường 21 1.5 Kết luận chương 23 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO WAY RELAY 24 2.1 Giới thiệu chương 24 2.2 Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp 24 2.2.1 Tổng quan hệ thống thông tin đa chặng 24 2.2.2 Khái quát trạm chuyển tiếp (relay) 26 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing 29 2.3 MỤC LỤC 2.4 2.5 2.6 Các kỹ thuật ước lượng 32 2.4.1 Ước lượng 1D 32 2.4.2 Ước lượng 2D 34 Ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin đa chặng sử dụng AF two-way Relay 35 2.5.1 Mô tả hệ thống 35 2.5.2 Ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật ước lượng LS 37 Kết luận chương 38 MÔ PHỎNG 40 3.1 Giới thiệu chương 3.2 Mức độ xác ước lượng LS hệ thống two-way relay 40 3.3 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi số lượng pilot 3.4 42 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi kiểu điều chế 3.5 40 43 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi kênh truyền 43 3.6 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi số relay 45 3.7 Ước lượng kênh truyền hệ thống Massive MIMO 46 3.7.1 Khảo sát MSE thay đổi số anten 46 3.7.2 Khảo sát BER thay đổi số anten 47 Kết luận chương 47 3.8 Kết luận hướng phát triển đề tài 49 Tài liệu tham khảo 50 Bảng từ viết tắt 1G First Generation Thế hệ thứ 2G Second Generation Thế hệ thứ hai 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 4G Fouth Generation Thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Thế hệ thứ năm TDMA Time- Division Multiple Ac- Đa truy cập phân chia theo cess FDMA Frequency- Division Multi- Đa truy cập phân chia theo ple Access CDMA thời gian tần số Code- Division Multiple Ac- Đa truy cập phân chia theo cess mã W-CDMA Wideband CDMA CDMA băng rộng TD-CDMA Time Division CDMA CDMA phân chia theo thời gian TD-SCDMA Time Division Synchronous Đa truy cập đồng mã Code Division Multiple Ac- phân chia theo thời gian cess SDMA Space- Division Multiple Đa truy cập phân chia theo Access OFDM không gian Orthonal Frequency- Divi- Ghép kênh phân chia theo sion Multiplexing tần số trực giao FSPL Free- Space Path Loss Suy hao tín hiệu không gian tự AWGN Addictive White Gaussion Nhiễu Gaussian trắng cộng Noise SNR Signal- to- Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên kí tự ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên kênh CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh IDM Inter-Modulation Distor- Nhiễu xuyên điều chế tion MAI Multiple Access Interfer- Nhiễu đa truy cập ence BS Base Station Trạm gốc MS Mobile Station Trạm di động RS Relay Station Trạm chuyển tiếp AF Amplifier-Forward Khuếch đại- Chuyển tiếp DCF Decode - Foward Giải mã – Chuyển tiếp DMF Demodulation - Forward Giải điều chế - Chuyển tiếp CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền MMSE Minimum Mean Squared Tối thiểu bình phương lỗi Error LS Least Square Bình phương tối thiểu BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit QAM Quadrature Modulation QPSK Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Phase-Shift Khóa dịch pha cầu phương Keying Danh sách hình vẽ 1.1 Các công nghệ sử dụng thông tin di động 13 1.2 Pha đinh đa đường 15 1.3 Suy hao theo khoảng cách đường truyền 16 1.4 Biểu đồ suy hao pha đinh phẳng hấp thụ 17 1.5 Mô hình kênh pha đinh 21 2.1 Mô hình hệ thống thông tin đơn chặng 25 2.2 Mô hình hệ thống thông tin đa chặng 25 2.3 Mô hình hệ thống sử dụng relay 26 2.4 Phân loại relay theo kĩ thuật chuyển tiếp 28 2.5 Hệ thống SDMA sử dụng tiền mã hóa 30 2.6 Biểu đồ chòm tín hiệu điều chế 16QAM 32 2.7 Mô hình hệ thống 35 3.1 Ước lượng LS cho kênh truyền MIMO dùng two-way relay 41 3.2 Thay đổi số bit pilot - SISO 42 3.3 Thay đổi số bit pilot - MIMO 42 3.4 Thay đổi kiểu điều chế - SISO 43 3.5 Thay đổi kiểu điều chế - MIMO 43 3.6 Thay đổi kênh truyền - SISO 44 3.7 Thay đổi kênh truyền - MIMO 44 3.8 BER hệ thống thay đổi số trạm relay 45 3.9 MSE hệ thống số anten tăng từ đến 70 46 3.10 BER SNR = -10:30dB 47 3.11 BER SNR = 25dB 47 Lời nói đầu Trong thời đại ngày nay, nhu cầu trao đổi cập nhật thông tin ngày tăng đòi hỏi hệ thống thông tin di động phải liên tục cải thiện nâng cao chất lượng số lượng Trong bối cảnh đó, kỹ thuật truyền tin với nhiều ưu điểm trội xuất thay cho kỹ thuật đời trước đây, vốn số hạn chế tốc độ khả bảo mật Một số kỹ thuật truyền tải liệu đem lại nhiều ưu điểm sử dụng trạm chuyển tiếp để nâng cao chất lượng tín hiệu kênh truyền, vốn bị suy hao công suất yếu tố nhiễu hay pha đinh đa đường Tùy thuộc vào yêu cầu dịch vụ chất kênh truyền mà sử dụng loại trạm chuyển tiếp thích hợp Việc tín hiệu từ máy phát qua nhiều trạm trước đến máy thu gọi thông tin đa chặng, hệ thống sử dụng kỹ thuật gọi hệ thống thông tin đa chặng Khi muốn đưa vào sử dụng kỹ thuật thực tế, việc đánh giá chất lượng việc tất yếu cần phải thực để đảm bảo hệ thống vận hành tốt đáp ứng chất lượng mà nhà cung cấp người sử dụng mong muốn, kiểm soát khuyết điểm tồn để tìm cách khắc phục hạn chế, tránh xảy cố không mong muốn trình đưa vào sử dụng Việc đánh giá chất lượng thực với nhiều thông số đường truyền khác nhau, nhiều thuật toán kỹ thuật khác nhau, đòi hỏi xác khả vận dụng kiến thức linh hoạt Đó lý em chọn nội dung Ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin đa chặng làm đề tài cho Đồ án Tốt nghiệp mình, với mục tiêu hiểu rõ hệ thống thông tin thực mô kênh truyền gần với thực tế nhất, LỜI NÓI ĐẦU từ đưa nhận xét từ kết thu để hiểu sâu kiến thức học lý thuyết Đồ án gồm có 03 chương: X Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động X Chương 2: Ước lượng kênh truyền hệ thống two - way relay X Chương 3: Mô Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Lê Hùng nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành Đồ án Vì kiến thức nhiều hạn chế nên nội dung báo cáo tồn sai sót, em học cách sử dụng phần mềm LATEX, phần mềm hỗ trợ tốt cho việc soạn thảo văn phức tạp cách thao tác so với phần mềm khác Do em mong nhận nhận xét, góp ý từ phía Thầy Cô để Đồ án hoàn thiện Sinh viên thực hiện: Trần Thị Kim Phượng 10 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY thiết bị đầu cuối truyền tín hiệu đến trạm relay, sau trạm relay truyền tín hiệu khuếch đại lại hai thiết bị đầu cuối Trong pha đầu tiên, đầu cuối truyền tín hiệu đến trạm relay Giả sử kênh kênh pha đinh phẳng, tín hiệu nhận relay biểu diễn sau [7]: r = H1 x1 + H2 x2 + nR ∈ CMR (2.19) Trong x1 ∈ CM1 x2 ∈ CM2 vectơ tín hiệu truyền từ U T1 U T1 , ma trận H1 ∈ CMR ∗M1 H2 ∈ CMR ∗M2 biểu diễn kênh MIMO fading relay với U T1 U T2 Vectơ nR vectơ nhiễu trạm relay Tín hiệu khuếch đại relay truyền khe thời gian thứ hai: r = γ.G.r = Gγ r ∈ CMR (2.20) Gγ ∈ CMR ∗MR ma trận khuếch đại relay, bao gồm ma trận khuếch đại G chuẩn hóa tham số vô hướng γ ∈ R+ Tham số γ có nhiệm vụ bù lại suy hao công suất đường truyền đầu cuối relay Tín hiệu nhận U T1 U T2 tương ứng y1 ∈ CM1 y2 ∈ CM2   y = HH r + n1 = HH Gγ (H1 x1 + H2 x2 + nR ) + n1 1 (2.21)  H y2 = HH r + n2 = H2 Gγ (H1 x1 + H2 x2 + nR ) + n2 HH i ma trận Hermitan ma trận Hi Với điều kiện giả sử kênh truyền không thay đổi hai pha (2.21) viết lại:   y = γ.HH G.H1 x1 + γ.HH G.H2 x2 + n˜1 1  H y2 = γ.HH ˜2 G.H1 x1 + γ.H2 G.H2 x2 + n (2.22) Với n˜i = HH i Gγ nR + ni nhiễu tích lũy Nếu đầu cuối biết ma trận đáp ứng kênh H1 H2 triệt nhiễu đường truyền mà nhận Vì vậy, tập trung vào thông số trạng thái kênh truyền thu đầu cuối Để đơn giản ta cho γ = 1, 36 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY ta ý đến việc tính toán ma trận khuếch đại G Vì đầu cuối γ nên ước lượng phần kênh truyền Gọi Hi,j = γ.HH i G.Hj đáp ứng kênh truyền tổng quát U Ti U Tj , đó:   y = H11 x1 + H12 x2 + n˜1  y2 = H21 x1 + H22 x2 + n˜2 (2.23) Phần sau ước lượng Hij dựa vào kỹ thuật ước lượng LS 2.5.2 Ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật ước lượng LS Để ước lượng kênh truyền, hai đầu cuối truyền chuỗi Np ký tự dẫn đường x1,j , x2,j với j = 1,2, ,Np Tín hiệu nhận relay biểu diễn [7]: R = H1 X1 + H2 X2 + NR ∈ CMR ∗Np (2.24) Trong X1 , X2 ma trận ký tự dẫn đường xác định [ ] Xi = xi1 , xi2 , xiNp ∈ CMi ∗Np Đặt [ ]T X = X1T , X2T ∈ C(M1 +M2 )∗Np Ước lượng LS trạm relay [ ] Hˆ1 , Hˆ2 = R.X† (2.25) [ ] Với Hˆ1 , Hˆ2 : Đáp ứng kênh ước lượng H1 H2 X† : ma trận giả đảo ma trận X Chú ý: (2.25) kiện Np ≥ M1 + M2 [ với điều ] Dựa vào ước lượng Hˆ1 , Hˆ2 , relay tính ma trận khuếch đại G Tín hiệu dẫn đường nhận relay R nhân với G truyền đầu cuối 37 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY Tín hiệu nhận đầu cuối U Ti biểu diễn ˜i Yi = Hii Xi + Hij Xj + N Khi ước lượng toàn kênh truyền là: [ ]   Hˆ11 , Hˆ12 = Y1 X† U T1 [ ]   Hˆ21 , Hˆ22 = Y2 X† U T2 (2.26) (2.27) Với điều kiện NP ≥ M + M Vậy với M1 + M2 pilot, ước lượng đáp ứng kênh H1 H2 relay, đáp ứng kênh H11 H12 U T1 đáp ứng kênh H21 H22 U T2 Trong trường hợp relay chọn ma trận khuếch đại G ví dụ G = GT , U T1 có ước lượng H2,1 dựa Hˆ2,1 = Hˆ1,2 Trong trường hợp lại phải chèn thêm bit pilot để ước lượng H21 U T1 H22 U T2 2.6 Kết luận chương Ở chương ta tìm hiểu khái niệm relay, kỹ thuật ước lượng áp dụng kỹ thuật LS để ước lượng đáp ứng kênh truyền hệ thống thông tin đa chặng sử dụng two- way AF Relay Hệ thống thông tin di động sử dụng relay phổ biến hoạt động hiệu quả, đặc biệt đem lại lợi ích việc mở rộng phạm vi thu phát tín hiệu vùng khó bắt tín hiệu (ví dụ hầm xuyên núi, vùng nông thôn hẻo lánh, ) Khi sử dụng relay với số anten nhiều 1, để giảm tỉ lệ lỗi bit giúp cho hệ thống hoạt động tốt hơn, phải sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa để loại bỏ can nhiễu từ sóng mang lân cận Có nhiều kỹ thuật tiền mã hóa khác nhau, phạm vi Đồ án tìm hiểu kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing, tức trước phát, tín hiệu nhân với ma trận biết trước, tính toán cho bên thu phục hồi lại tín hiệu ban đầu, thành phần can nhiễu từ tín hiệu khác bị triệt tiêu Trong hệ thống Viễn thông không dây cần phải thực việc ước lượng kênh để đánh giá khả phục vụ kênh tốt hay không Việc ước 38 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY lượng thực nhiều cách, từ đơn giản đến phức tạp Để ước lượng hệ thống thông tin đa chặng mô chương sau, chúng em chọn kỹ thuật ước lượng dùng thuật toán LS, thuật toán không phức tạp đủ để so sánh, đánh giá chất lượng kênh truyền thay đổi thông số kênh Chương tiến hành mô hệ thống thông tin đa chặng để ta thấy rõ tìm hiểu 39 Chương MÔ PHỎNG 3.1 Giới thiệu chương Chương trình bày kết mô phỏng: X Mức độ xác ước lượng LS hệ thống two-way relay X Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi số lượng bit pilot X Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi kiểu điều chế X Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi kênh truyền X Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi số relay X Ước lượng kênh truyền hệ thống Massive MIMO 3.2 Mức độ xác ước lượng LS hệ thống two-way relay Thiết lập điều kiện kênh truyền mô phỏng: Tại BS RS dùng 02 anten phát 02 anten thu Điều chế theo kiểu QPSK Thực kênh truyền biết CSI, so sánh với kênh truyền sử dụng ước lượng LS kênh truyền không dùng kỹ thuật ước lượng Thực trao đổi thông tin với 02 user Việc tính BER thực MS Sử dụng đáp ứng kênh theo mô hình kênh truyền Rayleigh fading, có xét đến tác động AWGN 40 MÔ PHỎNG 10 −1 Bit Error rate(BER) 10 −2 10 −3 10 −10 No channel estimation LS channel estimation Perfect channel estimation −5 10 SNR(dB) 15 20 25 30 Hình 3.1: Ước lượng LS cho kênh truyền MIMO dùng two-way relay Nhận xét: X Khi không ước lượng, kênh truyền gần sử dụng BER cao X BER kênh truyền sử dụng ước lượng LS cao BER kênh truyền biết CSI thấp so với BER kênh truyền không sử dụng phương pháp ước lượng 41 MÔ PHỎNG 3.3 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi số lượng pilot Thiết lập điều kiện kênh truyền mô phỏng: Điều chế theo kiểu QPSK ước lượng kênh theo phương pháp LS Số pilot thay đổi theo mức 8, 16, 32, 64, 128 mẫu Thực mô cho mô hình SISO MIMO (Tại BS RS dùng 04 anten phát 04 anten thu.) Thay doi so mau pilot Thay doi so mau pilot 10 10 mau mau −1 −1 10 16 mau Bit Error rate(BER) Bit Error rate(BER) 10 −2 128 mau −2 10 10 128 mau mau pilot 16 mau pilot 32 mau pilot 64 mau pilot 128 mau pilot −3 10 −3 10 15 20 25 SNR(dB) Hình 3.2: Thay đổi số bit pilot - SISO 10 −10 mau pilot 16 mau pilot 32 mau pilot 64 mau pilot 128 mau pilot −5 10 SNR(dB) 15 20 25 30 Hình 3.3: Thay đổi số bit pilot - MIMO Nhận xét: X Số lượng pilot chèn vào thông tin tăng chất lượng tín hiệu thu tốt hệ thống tính toán ước lượng xác Tuy nhiên, số lượng pilot lớn làm giảm hiệu suất sử dụng kênh truyền (không có lợi băng thông tốc độ truyền liệu) X Sự chênh lệch BER đường truyền tăng số lượng bit pilot trường hợp SISO không lớn trường hợp kênh MIMO 42 MÔ PHỎNG 3.4 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi kiểu điều chế Thiết lập điều kiện kênh truyền mô phỏng: Điều chế BPSK, QPSK MQAM (M= 8, 16, 64) Ước lượng kênh theo phương pháp LS, dùng 64 mẫu pilot Uoc luong LS thay doi kieu dieu che Uoc luong LS thay doi kieu dieu che 10 10 64QAM 64QAM 16QAM −1 10 16QAM Bit Error rate(BER) Bit Error rate(BER) 8QAM QPSK 8QAM −1 10 QPSK −2 10 BPSK −3 10 −10 Dieu che 64QAM Dieu che 16QAM Dieu che 8QAM Dieu che QPSK Dieu che BPSK −5 −2 10 15 20 25 10 −10 −5 SNR(dB) Hình 3.4: Thay đổi kiểu điều chế - SISO BPSK Dieu che 64QAM Dieu che 16QAM Dieu che 8QAM Dieu che QPSK Dieu che BPSK 10 15 20 25 SNR(dB) Hình 3.5: Thay đổi kiểu điều chế - MIMO Nhận xét: X Khi số mức điều chế tăng BER cao tăng số mức điều chế điểm điều chế gần dễ dẫn đến giải điều chế sai bị nhiễu tác động Đây điều phải chấp nhận muốn tăng tốc độ truyền liệu X Sự chênh lệch kết BER theo SNR mức điều chế nhỏ 3.5 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi kênh truyền Thiết lập điều kiện kênh truyền mô phỏng: Điều chế QPSK 43 MÔ PHỎNG Ước lượng kênh theo phương pháp LS, dùng 64 mẫu pilot Thay doi kenh truyen Thay doi kenh truyen 10 10 K−>inf Rayleigh, Rician (K=0) K=100 −1 10 K=10 −1 10 −2 Rician (K=1) K=1 Rician (K=10) −3 10 Bit Error rate(BER) Bit Error rate(BER) 10 AWGN −2 10 Rayleigh, Rician (K=0) −4 10 −5 10 −6 10 −10 Rician (K=100) Rayleigh fading Rician fading, K=0 Rician fading, K=1 Rician fading, K=10 Rician fading, K=100 Rician fading, K−>inf AWGN channel −5 −3 10 Rician (K−>inf), AWGN −4 10 SNR(dB) 15 20 25 30 Hình 3.6: Thay đổi kênh truyền - SISO 10 −10 Rician fading, K−>inf Rician fading, K=100 Rician fading, K=10 Rician fading, K=1 Rician fading, K=0 Rayleigh fading AWGN channel −5 10 SNR(dB) 15 20 25 30 Hình 3.7: Thay đổi kênh truyền - MIMO Nhận xét: Đối với hệ thống SISO: X Kênh AWGN có BER tốt xét đến tác động nhiễu nhiệt bỏ qua ảnh hưởng pha đinh Kênh Rayleigh fading xét đến tác động nhiễu nhiệt lần tác động pha đinh đường trực tiếp (LoS), trường hợp có BER cao X Kênh Rician fading có BER nằm hai đường trên, phụ thuộc vào tham số K kênh truyền K xác định dựa vào tỉ số công suất tín hiệu đường truyền trực tiếp so với công suất đường phản xạ Dễ dàng nhận thấy: - Trường hợp kênh Rician fading có K= : kênh Rician fading trở thành kênh Rayleigh fading - Trường hợp kênh Rician fading có K → ∞ : kênh Rician fading trùng với kênh AWGN Đối với hệ thống MIMO: - Trường hợp kênh Rician fading có K= : kênh Rician fading trở thành kênh Rayleigh fading - Trường hợp kênh Rician fading có K → ∞ : kênh Rician fading trùng với kênh Nakagami 44 MÔ PHỎNG 3.6 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay thay đổi số relay Thiết lập điều kiện kênh truyền mô phỏng: Điều chế QPSK Ước lượng kênh theo phương pháp LS, dùng 64 mẫu pilot Số relay thay đổi từ đến trạm Thay doi so tram chuyen tiep 10 relay relays −1 10 Bit Error rate(BER) relays relays relays −2 10 −3 10 −10 relay relays relays relays relays −5 10 15 20 25 SNR(dB) Hình 3.8: BER hệ thống thay đổi số trạm relay Nhận xét: X Số trạm chuyển tiếp tăng chất lượng tín hiệu thu MS tốt Kết sau trạm chuyển tiếp tín hiệu khuếch đại thêm phần công suất suy hao đường truyền bù lại trước 45 MÔ PHỎNG tiếp tục phát chặng khác X Trong trường hợp này, BER hệ thống cải thiện tăng số trạm, không thật đáng kể 3.7 Ước lượng kênh truyền hệ thống Massive MIMO Thiết lập điều kiện kênh truyền mô phỏng: Điều chế QPSK Ước lượng kênh theo phương pháp LS, dùng 128 mẫu pilot Số anten BS = RS = MS, số anten BS thay đổi để khảo sát Khảo sát MSE thay đổi số anten Massive MIMO 10 10 10 Mean Square Error (MSE) 3.7.1 −1 10 −2 10 −3 10 −4 10 H12 H22 −5 10 10 20 30 40 50 60 70 So anten Hình 3.9: MSE hệ thống số anten tăng từ đến 70 46 MÔ PHỎNG Nhận xét: X Khi số lượng anten BS tăng MSE lớn tham số ước lượng tăng lên nhiều số lượng pilot không đổi X Hệ thống khảo sát khả dụng BS tăng đến khoảng 60 anten 3.7.2 Khảo sát BER thay đổi số anten Massive MIMO Bit Error rate(BER) Bit Error rate(BER) 10 −1 10 −2 10 −10 Massive MIMO 10 100 anten 70 anten 40 anten 20 anten anten anten Perfect CE −5 −1 10 No CE LS CE Perfect CE −2 10 SNR 15 20 25 30 Hình 3.10: BER SNR = -10:30dB 10 10 20 30 40 50 60 70 So anten Hình 3.11: BER SNR = 25dB Nhận xét: X Khi số lượng anten BS tăng BER lớn Điều nhiễu xuyên kênh tham số ước lượng tăng lên nhiều số lượng pilot không đổi X Hệ thống khảo sát khả dụng BS tăng đến khoảng 60 anten 3.8 Kết luận chương Chương trình bày số kết mô hệ thống truyền tin đa chặng rút so sánh, nhận xét đánh giá số kênh truyền điều kiện chất lượng đường truyền khác Ước lượng LS cho kết gần với kênh truyền có ước lượng hoàn hảo 47 MÔ PHỎNG (perfect estimation) Khi sử dụng ước lượng LS với số mẫu pilot thay đổi, BER tốt số mẫu pilot lớn Trong phần mô BER tốt số mẫu pilot 128 Với kiểu điều chế điểm BPSK, BER thấp so với kiểu điều chế nhiều điểm khác Có nhiều loại kênh truyền sử dụng mô phỏng, kênh AWGN cho BER thấp Đây ứng với trường hợp sử dụng cáp đồng để truyền dẫn tín hiệu (môi trường hữu tuyến) Với luồng tín hiệu truyền đi, BER cải thiện số trạm chuyển tiếp nhiều Trong mô phỏng, BER tốt tín hiệu chuyển tiếp qua 05 trạm Trong hệ thống 5G sử dụng Massive MIMO, số lượng anten BS tăng làm giảm chất lượng đường truyền tăng số lượng user lên nhiều lần giới hạn cho phép (khoảng 60) 48 Kết luận hướng phát triển đề tài Trong đồ án này, em hoàn thành số công việc sau : Tìm hiểu số vấn đề hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin đa chặng phương pháp ước lượng kênh truyền Có nhìn tổng quan hệ thống Viễn thông hiểu rõ số kỹ thuật nâng cao chất lượng kênh truyền hệ thống thông tin di động Xây dựng mô hình kênh pha đinh đa đường, thực mô phần mềm MATLAB số trường hợp kênh thông tin đa chặng rút so sánh, nhận xét, từ đánh giá mức độ khả thi kỹ thuật truyền tin đa chặng áp dụng vào thực tế Tuy việc thực vài thiếu sót nội dung nghiên cứu chưa thật đa dạng thuật toán ước lượng kết mô phần giúp em có nhìn trực quan hệ thống mạng không dây nay, khó khăn số hướng giải để bước nâng cao chất lượng dịch vụ Từ khắc sâu kiến thức biết cách vận dụng điều học sở lý thuyết vào thực hành, mô Đây đề tài mở rộng nghiên cứu nhiều hướng tương lai, chẳng hạn mô hệ thống với thuật toán khác có độ xác cao hơn, tính toán dung lượng kênh truyền, ) Các hướng nghiên cứu sâu vào mô thực tế giúp việc đánh giá xác hệ thống thật, từ cải thiện kỹ thuật truyền tin hay rộng góp phần nâng cao chất lượng hệ thống Viễn thông Em hi vọng đề tài thú vị bạn sinh viên khóa sau tiếp cận phát triển 49 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Lê Hùng, Thông tin di động, Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng (2012) [2] Nguyễn Bình Nam, Trà Trung Anh, Đồ án Nghiên cứu hệ thống thông tin đa chặng Two- way relay, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng (2012) [3] Trương Ngọc Phú, Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng thông tin vô tuyến băng rộng, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật (2013) [4] Nguyễn Văn Tuấn, Thông tin vi ba- vệ tinh, Nhà xuất Giáo dục (2011) [5] Đỗ Trọng Tuấn, Phạm Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng, Vũ Thị Minh Tú, Vũ Đức Thọ, Nguyễn Văn Đức, Giáo trình thông tin di động (Mobile Communications), NXB Khoa học Kỹ thuật(2007) [6] Andrea Goldsmith, Wireless Communication, Cambridge University (2005) [7] Florian Roemer, Martin Haardt, Tensor-Based Channel Estimation and Iterative Refinements for Two-Way Relaying With Multiple Antennas and Spatial Reuse, IEEE Transactions on signal processing, vol 58, No 11 (11/2010) [8] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung-Gu Kang, MIMO OFDM Wireless Communications with MATLAB, IEEE Press (2010) [9] Erik G Larsson, Ove Edfors, Fredrik Tufvesson, Thomas L Marzetta, Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine (2/2014) 50 [...]... ước lượng X Ước lượng hệ thống thông tin đa chặng sử dụng two- way AF Relay dựa vào kỹ thuật ước lượng LS 2.2 Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp 2.2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng Hệ thống thông tin đơn chặng Mạng vô tuyến di động như GSM, CDMA hoạt động theo cấu trúc điểm đa điểm, trong đó bao gồm trạm gốc (BS) và trạm di động (MS) 24 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG... ước lượng trên chỉ dùng hàm tương quan giữa các sóng mang con trong một mốc thời gian để ước lượng Việc ước lượng sẽ chính xác hơn nếu ta sử dụng thông tin ở cả hai miền thời gian và tần số, đó là kỹ thuật ước lượng 2D Cách tiếp cận để xây dựng bộ ước lượng 2D đơn giản nhất là dùng hai bộ ước lượng 1D, một bộ ước lượng kênh trong miền thời gian, một bộ ước lượng 34 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG... 16QAM 2.4.1 Ước lượng 1D Ước lượng 1D là kỹ thuật dùng các thông tin một chiều, thời gian hoặc tần số để ước lượng Trong miền tần số gồm các kỹ thuật ước lượng: X Ước lượng bình phương tối thiểu (LS estimator) 32 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY X Thuật toán nội xung đáp ứng xung hữu hạn FIR X Ước lượng tối thiểu sai lỗi trung bình bình phương (MMSE estimator) X Ước lượng Gaus-Markov... sU zU 2.4 (2.8) Các kỹ thuật ước lượng Trong hệ thống truyền thông không dây sử dụng kỹ thuật thông tin đa chặng, chuỗi bit thông tin được điều chế thành các ký tự PSK/QAM, truyền qua kênh truyền không dây Tín hiệu nhận được thường bị méo (lỗi) do các đặc tính của kênh truyền Do đó các kỹ thuật ước lượng được sử dụng để xác định đáp ứng kênh, nhằm khôi phục lại chuỗi bit truyền đi một cách chính xác... một hệ thống thông tin đơn chặng Hệ thống thông tin đa chặng Mạng chuyển tiếp đa chặng là sự kết hợp của các liên kết ngắn để có thể phủ sóng một khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc và máy thu Thiết bị chuyển tiếp có thể được đặt trong trạm chuyển tiếp (relay) hoặc cũng có thể đặt trong chính thiết bị di động Hình 2.2: Mô hình một hệ thống thông tin đa chặng. .. QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ trình bày các vấn đề: X Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động X Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động X Mô hình kênh pha đinh đa đường 1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động Sự gia tăng của các thiết bị di động thông minh thúc đẩy sự tăng trưởng của các dịch vụ đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin. .. miền thời gian HP t là đáp ứng tần số của kênh truyền trong miền thời gian tại vị trí pilot 2.5 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng sử dụng AF two-way Relay 2.5.1 Mô tả hệ thống Hình 2.7: Mô hình hệ thống Hai thiết bị giao tiếp đầu cuối với số lượng anten tương ứng là M1 , M2 giao tiếp với với trạm relay có MR anten Giả sử không có đường truyền trực tiếp giữa 2 thiết bị đầu cuối... trình truyền (mã hóa, phân tập, ) nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ Tất cả những khái niệm trong chương này là nền tảng để xây dựng các mô hình mô phỏng trong chương sau 23 Chương 2 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY 2.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ trình bày các vấn đề: X Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp X Kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing X Các kỹ thuật ước. .. đa chặng Trong hệ thống trên, tín hiệu từ trạm gốc BS thay vì đi trực tiếp đến nơi 25 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY thu (đơn chặng) thì có thể được chuyển tiếp qua một thiết bị trung gian Giả sử như giữa nơi phát và nơi thu là một relay thì tín hiệu sẽ đi qua hai chặng: chặng thứ nhất là từ nơi phát đến relay và chặng thứ hai từ relay đến máy thu Hệ thống truyền thông tin như... RELAY trong miền tần số Trong đó việc ước lượng trong miền thời gian được thực hiện trước Sau đây là thuật toán ước lượng đơn giản: Ht,M M SE ( = RHt RHP t RHP t RHP t + β I SN R )−1 HLS,t (2.18) Trong đó: HLS,t : Kết quả ước lượng LS trong miền thời gian RHP t RHP t : Ma trận tự tương quan của kênh truyền RHt RHP t : Ma trận tương quan chéo của kênh truyền Ht là đáp ứng tần số của kênh truyền trong