BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -X—W - NGÔ VĂN TÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -X—W - NGÔ VĂN TÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC HÀ NỘI - 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ Khoa học nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Đức Các kết tham khảo từ nguồn tài liệu công trình nghiên cứu khoa học khác trích dẫn đầy đủ Nếu có sai phạm quyền, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường Hà Nội, tháng năm 2011 HỌC VIÊN Ngô Văn Túc Trang Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 11 CHƯƠNG : LÝ THUYẾT CƠ SỞ 13 1.1 Tình hình hệ thống thông tin di động tại: 13 1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation): 13 1.1.2 Thế hệ 2G (Second Generation): 13 1.1.3 Thế hệ 3G (Third Generation): .14 1.1.4 Công nghệ 4G: 16 1.2 Các vấn đề kênh vô tuyến: .19 1.2.1 Suy hao đường truyền: 19 1.2.2 Hiện tượng Multipath-Fading: 20 1.2.3 Kênh truyền fading chọn lọc tần số kênh truyền fading phẳng: 22 1.2.4 Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm: 26 1.2.5 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean[17]: .28 1.3 Các phương thức ghép kênh[4]: .30 1.3.1 Ghép kênh theo tần số FDM: 31 1.3.2 Ghép kênh theo thời gian TDM: .31 1.3.3 Ghép kênh theo mã CDM: 32 1.3.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: 32 1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây: 33 1.4.1 Hệ thống SISO: .34 1.4.2 Hệ thống SIMO: 34 1.4.3 Hệ thống MISO: 35 1.4.4 Hệ thống MIMO: 35 1.5 Kết luận chương: 36 CHƯƠNG : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO 37 Trang Mục lục 2.1 OFDM: .37 2.1.1 Sự phát triển OFDM: 37 2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM: 40 2.1.2.1 Sóng mang trực giao: 40 2.1.2.2 Mô hình hệ thống OFDM: 41 2.2 Hệ thống MIMO: 52 2.2.1 Kênh MIMO: 52 2.2.2 Các kỹ thuật phân tập tín hiệu: 54 2.2.2.1 Phân tập tần số: 55 2.2.2.2 Phân tập thời gian: 55 2.2.2.3 Phân tập không gian: 57 2.2.2.4 Các độ lợi hệ thống MIMO[19]: .58 2.2.3.Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO: 59 2.2.4 Mã hóa không gian - Thời gian STC: .63 2.2.4.1 Mã hóa không gian - Thời gian khối STB: 64 2.2.4.2 Mã hóa không gian - Thời gian lưới STTC: 66 2.2.4.3 Mã hóa không gian - Thời gian lớp BLAST: .69 2.5 Kết luận chương: 69 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO .70 3.1 Hệ thống MIMO–OFDM: 71 3.1.1 Mô hình hệ thống MIMO–OFDM: 71 3.1.1.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti: .73 3.1.1.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST: 77 3.1.2 Dung lượng hệ thống MIMO–OFDM: .80 3.2 Hệ thống MIMO-OFDMA: 81 3.2.1 Công nghệ đa truy nhập OFDMA: 81 3.2.1.1 Khái niệm: 82 3.2.1.2 Đặc điểm: .82 Trang Mục lục 3.2.1.3 OFDMA nhảy tần: 84 3.2.2 Hệ thống OFDMA: 85 3.3 Ứng dụng MIMO-OFDMA thông tin di động tế bào: 86 3.3.1.Ứng dụng 4G LTE: .86 3.3.2 Hệ thống MCMC-CDMA: 91 3.4 Kết luận chương: 92 CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG MIMO-OFDMA BẰNG MATLAB 93 4.1 Hệ thống thu phát SC-FDMA: 94 4.2 Mô hệ thống SCFDMA 10 user trường hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe): 101 4.3 So sánh hệ thống SC-FDMA MCMC-CDMA: 103 4.4 Kết luận chương: 105 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .107 Trang Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng việt 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác hệ thứ ACF Auto Correclation Function Hàm tự tương quan ADC Analog-to-digital converter Chuyển đổi tương tự-số Hệ thống điện thoại di động AMPS Advance Mobile Phone System tiên tiến Kênh truyền có nhiễu trắng AWGN Addictive White Gaussian Noise cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ bit lỗi Bell-Laboratories Layered Space-Time BLAST Code BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc Đa truy nhập phân chia theo CDMA Code Division Multiplexing Access mã CP Cylic Prefix Tiền tố lặp Diagonal-Bell-Laboratories Layered D-BLAST Space-Time Code DAC Digital-to-analog converter Chuyển đổi số- tương tự IS-136-Digital Advance Mobile Phone D-AMPS System DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo FDMA Access tần số FEC Forward Error Correction Mã hóa sửa sai trước Thuật toán biến đổi Fourier FFT nhanh Fast Fourier Transform Trang Danh mục từ viết tắt Global System for Mobile GSM Communications ICI Inter Carrier Interference Nhiễu xuyên kênh Phép biến đổi Fourier rời rạc IDFT Inverse Discrete Fourier Transform ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform FFT ngược IP Internet Protocol ISI InterSymbol Interference LTE Long Term Evolution MAI Multi access Interfearence MC Multicarrier Communication MCMC- Multicode Multicarrier Code Division CDMA Mutiple Access MIMO Multiple Input Muliple Output Đa đầu vào đa đầu MISO Multiple Input single Output Đa đầu vào đầu MS Mobile Station Trạm di động Nhiễu xuyên ký tự Nhiễu đa truy cập Không nằm tầm nhìn NLOS OFDM OFDMA Non Light Of Sight thẳng Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập theo tần số trực Multiplexing Access giao Tỉ số công suất tương đối cực PAPR Peak- to-Average Power Ratio PDC Personal Digital Cellular QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Single Carrier Frequency Division SC-FDMA Multiple Access Trang đại Điều chế cầu phương Danh mục từ viết tắt SIMO Single Input Multiple Output Một đâu vào đa đầu SISO Single Input Single Output Một đầu vào đầu SNR Signal to noise Tỷ số tín hiệu nhiễu Mã khối không gian-thời STBC Space-Time Block Code gian Space-Time Maximum Likelihood STMLD Decoder STTC Space-Time Trellis Code TACS Total Access Communication System Đa truy nhập phân chia theo TDMA Time Division Multiplexing Access Vertical-Bell-Laboratories Layered V-BLAST Space-Time Wideband Code Division Multiple WCDMA Access Wide Sense Stationary Uncorrelated WSSUS Scatter Trang thời gian Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các tượng xảy trình truyền sóng 20 Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số biến đổi theo thời gian 21 Hình 1.3: Đáp ứng tần số kênh truyền 22 Hình 1.4: Tín hiệu tới phía thu theo L đường 23 Hình 1.5: Kênh truyền thay đổi theo thời gian 26 Hình 1.6: Hàm mật độ xác suất Rayleigh Ricean 30 Hình 1.7: Các phương thức ghép kênh .31 Hình 1.8: Các phương thức ghép kênh hệ thống thông tin di động .33 Hình 1.9: Phân loại hệ thống thông tin không dây 34 Hình 2.1: FDM truyền thống 37 Hình 2.2: Hệ thống thông tin đa sóng mang .38 Hình 2.3: Băng thông sử dụng hiệu OFDM 39 Hình 2.4: Ba tín hiệu sin trực giao 40 Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống OFDM 41 Hình 2.6: Bộ S/P P/S 42 Hình 2.7: Bộ Mapper Demapper 43 Hình 2.8: Bit Symbol 43 Hình 2.9: Giản đồ chòm 2-PSK 16-PSK .44 Hình 2.10: Sơ đồ điều chế giải điều chế DPSK 45 Hình 2.11: Giản đồ chòm QAM 46 Hình 2.12: Bộ IFFT FFT 46 Hình 2.13: Bộ Guard Interval Insertion Guard Interval Removal .47 Hình 2.14: Bộ A/D D/A .49 Hình 2.15: Bộ Up-Converter Down-Converter 50 Hình 2.16: Bộ Equalizer miền tần số 52 Hình 2.17: Mô hình trực quan hệ thống MIMO[2] .53 Hình 2.18: Mô hình kênh MIMO vô tuyến [2] 53 Trang Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hệ thống thu phát SC-FDMA So sánh hiệu suất hệ thống thuê bao thay đổi trạng thái So sánh hai hệ thống SC-FDMA với MCMC-CDMA Hình 4.2: Mô hệ thống thu phát SC-FDMA 4.1 Hệ thống thu phát SC-FDMA: Lựa chọn 1- Hệ thống thu phát SC-FDMA: Trang 94 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống SC-FDMA Trong phần mô này, thực với: - Dữ liệu đầu vào: 64 bit - Kiểu điều chế: 16QAM - Số khối: 16 - Số symbol/khối:1 - Kích thước FFT: 512 - Số user:1 Dữ liệu đầu vào gồm 64 bit chuyển từ nối tiếp sang song song, sau nhóm bit lại với đem điều chế 16QAM, ta có 16 kí tự (symbol) Thực FFT, đưa 16 symbol dạng số phức miền thời gian chuyển miền tần số Ánh xạ 16 symbol lên 512 sóng mang theo kiểu IFDMA Do số khối (blocksize) chọn 16 nên khối chứa tối đa 32 kí tự (tức 32 user) Vì chọn số user nên khối chứa kí tự Do đó, kí tự Trang 95 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab đặt cách 31 sóng mang con, sóng mang chèn zero vào (zero padding) Biến đổi IFFT 512 điểm để đưa tín hiệu lại miền thời gian Thực chèn khoảng bảo vệ CP chuyển từ song song sang nối tiếp để phát Bên thu thực ngược lại Kết mô sau: + Tín hiệu phát A liệu vào gồm 64 bit ngẫu nhiên: Hình 4.4: Tín hiệu phát A + 64 bit điều chế 16QAM, tức nhóm bit thành kí tự (symbol) Như vậy, từ 64 bit chuyển thành 16 symbol Chọn nút B ta thu giản đồ chòm sao: Trang 96 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.5: Tín hiệu B Chúng ta nhìn thấy symbol có số symbol bị trùng lấp + Đem 16 symbol điều chế FFT Chọn nút C, thu được: Hình 4.6: Tín hiệu C + Tiếp tục đem tín hiệu ánh xạ lên 512 sóng mang con, thực biến đổi IFFT 512 điểm, chuyển tín hiệu từ miền tần số miền thời gian Chọn D, kết thu được: Trang 97 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.7: Tín hiệu D + Tiếp tục chèn khoảng bảo vệ CP, kích thước CP 20 Chọn E, thu được: Hình 4.8: Tín hiệu E + Tín hiệu E phát tín hiệu lên kênh truyền môi trường nhiễu AWGN, tín hiệu phát anten tín hiệu F: Trang 98 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.9: Tín hiệu F + Tại phía thu, tín hiệu thu có dạng: Hình 4.10: Tín hiệu G + Sau loại bỏ khoảng bảo vệ CP, tín hiệu trả kích thước 512 Chọn H: Trang 99 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.11: Tín hiệu H + Biến đổi FFT 512 điểm đưa tín hiệu miền tần số, tín hiệu thu điểm I: Hình 4.12: Tín hiệu I + Giải ánh xạ biến đôi IFFT sóng mang con, thu 16 symbol K sau: Trang 100 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.13: Tín hiệu K + Thực giải điều chế 16QAM chuyển liệu từ song song sang nối tiếp, tín hiệu thu L gồm 64 bit có giá trị tín hiệu phát A: Hình 4.14: Tín hiệu thu L 4.2 Mô hệ thống SCFDMA 10 user trường hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe): Lựa chọn – So sánh hiệu suất hệ thống thuê bao thay đổi trạng thái: Trang 101 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.15: So sánh hiệu suất hệ thống thuê bao thay đổi trạng thái Hình 4.16: Kết mô Nhận xét: Trong trường hợp thuê bao trạng thái cố định (lý tưởng), hệ thống đạt chất lượng tốt (cùng tỷ lệ BER có SNR nhỏ nhất, tỷ lệ Trang 102 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab SNR có BER thấp Khi thuê bao di chuyển với tốc độ cao, chất lượng hệ thống giảm xuống 4.3 So sánh hệ thống SC-FDMA MCMC-CDMA: Lựa chọn – So sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA: Hình 4.17: So sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA Có lựa chọn kiểu điều chế: - 16QAM - 64QAM Thực mô hai hệ thống với thông số: - Số user=10 - Môi trường Rayleigh fading có nhiễu AWGN - M= 16; 64(số mức MCMC-CDMA kiểu điều chế SCFDMA) Kết quả: Trang 103 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab Hình 4.18: Kết so sánh SC-FDMA MCMC-CDMA với M=16 Hình 4.19: Kết so sánh SC-FDMA MCMC-CDMA với M=64 Nhận xét: Trang 104 Chương 4: Kết mô ứng dụng MIMO-OFDMA matlab - Đối với trường hợp điều chế 16QAM với thông số SNR=0:10, hệ thống MCMC-CDMA đạt hiệu suất tốt hệ thống SC-FDMA Nhưng từ SNR=10 trở đi, hệ thống SC-FDMA đạt hiệu suất tốt - Đối với trường hợp điều chế 64QAM với thông số SNR=0:16, hệ thống MCMC-CDMA đạt hiệu suất tốt hệ thống SC-FDMA Nhưng từ SNR=16 trở đi, hệ thống SC-FDMA đạt hiệu suất tốt 4.4 Kết luận chương: Chương xây dựng mô hình mô cho hệ thống uplink sử dụng SC-FDMA đưa số kết mô Đánh giá chất lượng hệ thống theo tốc độ di chuyển thuê bao So sánh, đánh giá chất lượng hệ thống SC-FDMA với hệ thống MCMC-CDMA Trang 105 Kết luận hướng phát triển đề tài KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Mạng thông tin di động 4G hứa hẹn mang đến mặt hoàn toàn cho hệ thống thông tin vô tuyến tương lai Nếu cách mạng không dây số năm 1990 khiến cho gần tất có hội tiếp cận với điện thoại di động, mạng 4G cung cấp dịch vụ gói đa phương tiện tốc độ cao khắp nơi Theo nhà nghiên cứu, kết hợp OFDMA MIMO tảng công nghệ then chốt hệ thống 4G tương lai Với nội dung nghiên cứu luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật MIMOOFDMA ứng dụng thông tin di động tế bào” sâu vào hướng nghiên cứu tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDMA Trong có phần mô cho việc truyền liệu hướng lên up link sử dụng SC-FDMA Tuy nhiên, điều kiện thời gian có hạn nên em dừng lại việc mô cho hướng lên up link mà chưa thực mô cho hướng xuống down link sử dụng OFDM Hướng phát triển đề tài: Nghiên cứu mô MIMO-OFDM cho hướng xuống down link, so sánh với MCMC-CDMA Thực với MIMO 2x2, từ mở rộng lên 4x4, 8x8 Trang 106 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Proefschrift, MIMO OFDM for Wireless LANs, Technische Universiteit Eindhoven, 2004 [2] Nguyễn Hùng Chính , Nghiên cứu tổng quan hệ thống MIMO nghiên cứu hệ thống MIMO – SVD, Luận văn cao hoc Trường Học Viện Kỹ thuật Quân sự, năm 2009 [3] Quoc Khuong Nguyen, Van Duc Nguyen, Quoc Trung Nguyen, Proposal of a Dynamic Channel Allocation Method for MIMO-OFDMA systems [4] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, năm 2006 [5] Nguyễn Văn Đức Vũ Văn Yêm, Thông tin vô tuyến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [6] Van Duc Nguyen and Minh Viet Pham and Anh Son Dang, Dynamic Sub-Channel Assignment for Cellular OFDMA Networks with Full Frequency-Reuse, Post, Telecommunication and Information Technology Journal, 12/ 2007 [7] Lê Đình Trường, Thuật toán đa truy nhập cho mạng thông tin di động sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA, Luận văn cao học Trường Học Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [8] http://www.wikipedia.org [9] http://www.tapchibcvt.vn [10] Quoc Khuong Nguyen, Van Duc Nguyen, Minh Hung Dao, Quoc Trung Nguyen, Proposal of a dynamic channel allocation method for MIMO-OFDMA system, 2010 [11] Haixia Zhang, Dongfeng Yuan,Matthias Patzold,YiWu and Van Duc Nguyen , A novel wideband space-time channel simulator based on the geometrical one-ring model with applications in MIMO-OFDM systems, 2007 [12] S.M Alamouti “A simple transmit diversity communications.” IEEE J.Select Areas Commun [13] http://www.mimo.ucla.edu Trang 107 technique for wireless Tài liệu tham khảo [14] Robert W Heath, Jr.:” Antenna Selection for Spatial Multiplexing Systems with Linear Receivers”- IEEE Communications Letters, Vol 5, No , April 2001 [15] Mincheol Park Performance Evaluation of Multiuser Detectors with V-BLAST to MIMO Channel, 2003 [16] Enrique Ulffe Whu, Stanford University, MIMO-OFDM Systems for High Data Rate Wireless Networks [17] Fdsaf Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, “Multicarrier Techniques for 4G Mobile“, Artech House, ISBN 1-58053-482-1, 2003 [18] Hoàng Đình Chiến, “Mạch Điện Tử Thông Tin”, Nhà Xuất Bản ĐH Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, năm 2004 [19] Ta-Sung Lee “MIMO Techniques for Wireless Communications” Department of Communication Engineering, National Chiao Tung University Trang 108 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -X—W - NGÔ VĂN TÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông. .. BLAST: .69 2.5 Kết luận chương: 69 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO .70 3.1 Hệ thống MIMO–OFDM: 71 3.1.1 Mô... điện thoại ứng dụng di động hóa Vài năm sau SMS trở thành ứng dụng truyền liệu di động vào thị trường đại chúng Đến mạng điện thoại di động đơn giản có khả truyền SMS yêu cầu thấp băng thông Có