- 9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN. - 11 1.1.2 Kênh vô tuyến. - 14 1.1.2.1 Suy hao đường dẫn. - 15 1.1.2.2 Hiệu ứng fading. - 23 1.2 Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. - 24 1.2.1 Mô hình hệ thống MIMO. - 25 1.2.2 Hệ thống OFDM. - 28 1.2.3 Hệ thống MIMO – OFDM. - 34 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ KÊNH TRONG HỆ THỐNG OFDM, OFDMA. - 40 2.1.2.2 Ước lượng phần nguyên. - 54 CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG MIMO, OFDM. - 57 3.1 Ƣớc lƣợng kênh trong hệ thống OFDM. - 57 3.1.1 Ước lượng 1D. - 60 3.1.2 Ước lượng 2D. - 64 3.1.3 Ước lượng thích nghi. - 66 3.2 Ƣớc lƣợng kênh trong hệ thống MIMO. - 68 3.2.1.1 Phương pháp ước lượng Least Squares. - 69 3.2.1.2 Phương pháp ước lượng MAP. - Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2013 Học viên Nguyễn Anh Quyền 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng cộng Gaussian BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều biến pha nhị phân CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh CFR Channel Frequency Response Đáp ứng tần số kênh CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh HLST Horizontal Layered Space Time Không gian Thời gian theo tầng ngang HLSTC Horizontal Layered Space Time Code Lập mã không gian thời gian theo tầng IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự LMMSE Linear Minimum Mean Square Error Bình phương lỗi tối thiểu tuyến tính LOS Line-Of-Sight Đường nhìn thằng LST Layered Space Time Không gian thời gian theo tầng LSTC Layered Space Time Code Mã hóa không gian thời gian theo tầng MAP Maximum a Posteriori Tối đa hóa hậu nghiệm MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào – đa đầu ra ML Maximum Likelihood Phương pháp chọn giá trị tối đa MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation Phương pháp ước lượng chọn chuỗi giá trị tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Bình phương lỗi tối thiểu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PSK Phase Shift Keying Điều biến pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biên vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều biến pha vuông góc OFDM Ỏrthogonal frequency-division multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu STC Space Time Code Mã hóa không gian thời gian STBC Space Time Block Code Mã hóa không gian thời gian kiểu khối STTC Space Time Trellis Code Mã hóa không gian thời gian thời gian kiểu dàn STS Space Time Spreading Phân bố không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị riêng TLST Threaded Layered Space Time Không gian thời gian phân tầng kiểu ren 5 TLSTC Threaded Layered Space Time Code Lập mã không gian thời gian phân tầng kiểu ren OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao VLST Vertical Layered Space Time Không gian thời gian phân tầng ngang VLSTC Vertical Layered Space Time Code Lập mã không gian thời gian phân tầng ngang ZF Zero Forcing Ép không LS Least square Bình phương tối thiểu MSE Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình 6 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng số liệu mô phỏng phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh Least Squares với các phƣơng pháp điều chế BPSK, QPSK và đồng bộ kênh MMSE, ZF. - 78 Bảng 2: Bảng dữ liệu mô phỏng hệ thống MIMO 2x2 sử dụng phƣơng pháp điều chế BPSK, ƣớc lƣợng kêng Least Square,đồng bộ kênh MMSE với các tỷ lệ pilot trên data khác nhau. - 82 7 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình kênh vô tuyến. - 11 Hình 1.2: Bốn mô hình kênh trong truyền thông (theo [1. - 12 Hình 1.3: Mô hình hình học để tính toán trong mô hình hai tia. - 17 Hình 1.4: Truyền dẫn đa đường. - 18 Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu. - 21 Hình 1.6: Hệ thống MIMO. - 25 Hình 1.7: Dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. - 28 Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống OFDM. - 29 Hình 1.9: Phổ tín hiệu OFDM và FDM. - 31 Hình 1.10: Mô hình OFDM khi chèn pilot. - 33 Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ thống MIMO – OFDM. - 34 Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM. - 37 Hình 2.2 Nhận biết khung truyền. - 37 Hình 2.3: Tương quan theo chuỗi PN. - 39 Hình 2.4 OFDM. - 45 Hình 2.5 OFDMA. - 45 Hình 2.6 Cấu trúc sóng mang con OFDMA. - 47 Hình 2.7 Kênh con phân tập tần số DL. - 48 Hình 2.8 Mô hình AMC. - 49 Hình 2.9 Cấu trúc tỉ lệ cho UL PUSC. - 49 Hình 2.10 Bảng tần sô thời gian của OFDMA. - 50 Hình 2.11 OFDM và OFDMA. - 51 Hình 2.12 Mô tả về FDD và TDD. - 53 Hình 3.1: Thực hiện ước lượng LS. - 58 Hình 3.2: Thực hiện thuật toán nội suy FIR. - 60 Hình 3.3: Thực hiện ước lượng LMMSE. - 63 Hình 3.4: Thực hiện ước lượng 2D đơn giản. - 65 Hình 4.1: Kiến trúc máy phát trong mô phỏng. - 76 Hình 4.2: Kiến trúc máy thu trong mô phỏng. - 76 Hình 4.3: Hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, BPSK modulator, mô hình kênh chọn lọc tần số. - 79 Hình 4.4: Ảnh hưởng của hiệu ứng chọn lọc tần số tới hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, BPSK modulator. - 79 Hình 4.5: Hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, QPSK modulator, mô hình kênh chọn lọc tần số. - .80 8 Hình 4.6: Ảnh hưởng của hiện tượng chọn lọc tần số lên hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, QPSK modulator. - 81 Hình 4.7: So sánh hoạt động của LS estimator với MMSE & ZF equalizer, QPSK & BPSK modulator trong hệ thống MIMO. - 81 Hình 4.8: Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 2x2 sử dụng đồng bộ kênh MMSE, ước lượng kênh LS, điều chế BPSK với tỷ số Pilot trên Data khác nhau. - 83 Hình 5.1: Chương trình truyền dữ liệu. - 84 Hình 5.2: Chương trình nhận dữ liệu. - 85 Hình 5.3: Tín hiệu phát. - 85 Hình 5.4: Chòm sao điều chế 16 mức. - 86 Hình 5.5: Phổ của tín hiệu khi chèn khoảng bảo vệ. - 86 Hình 5.6: Nội dung truyền. - 87 Hình 5.7: Nội dung nhận được. - Lý do chọn đề tài Trong hệ thống thông tin không dây tín hiệu truyền dẫn bị ảnh hưởng rất mạnh mẽ bởi kênh truyền. - Do đó yêu cầu cần thiết là phải ước lượng và cân bằng kênh để tách được tín hiệu truyền dẫn. - Chất lượng của ước lượng kênh và cân bằng kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ thống thông tin. - Mục đích chọn đề tài Nghiên cứu này chỉ ra được các kỹ thuật đồng bộ và ước lượng kênh trong hệ thống MIMO,OFDM, OFDMA để tận dụng được nguồn tài nguyên băng thông đang ngày càng hạn hẹp. - Phạm vi nghiên cứu Để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng, đối tượng nghiên cứu dựa trên nền tảng 10 kiến thức về lý thuyết về kỹ thuật đồng bộ, ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO, OFDM, OFDMA và các vấn đề có liên quan đến đề tài. - Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến. - Chương II: Các phương pháp đồng bộ kênh trong hệ thống OFDM, OFDMA. - Chương III: Các phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO, OFDM. - Chương IV: Phương pháp ước lượng kênh Least squared. - 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1. - Tổng quan 1.1.1 Tổng quan về kênh truyền Hình 1.1: Mô hình kênh vô tuyến Định nghĩa các đặc điểm của kênh vô tuyến là các biến của ảnh hưởng kênh truyền theo thời gian và tần số. - Mô hình kênh truyền vô tuyến thường được phân chia thành hai loại. - Large scale fading: Trong loại này, độ suy giảm trên đường truyền của tín hiệu được mô hình bằng một hàm của khoảng cách và bị che chắn bằng các đối tượng lớn như tòa nhà và đồi núi. - Small scale fading: chúng ta xem xét những nhiễu có tính tích cực và tiêu cực của đường dẫn đa tín hiệu giữa máy phát và máy thu. - Hình 1.2: Bốn mô hình kênh trong truyền thông (theo [1]) Mục đích của truyền thông vô tuyến là truyền dẫn tín hiệu xuyên qua kênh vô tuyến. - Ảnh hưởng của kênh truyền dẫn là ảnh hưởng của sự truyền dẫn Gói tin Bit Số/Tương tự Tín hiệu băng tần cơ sở Điều chế IF/RF IF/RF Giải Điều chế Tín hiệu băng tần cơ sở Tương tự/Số Kênh số Kênh điều chế Kênh truyền dẫn Kênh vô tuyến Anten Anten 13 lên sóng điện từ. - Hiện tượng chính của mô hình kênh truyền dẫn ảnh hưởng lên sự suy hao của tín hiệu phát và vì thế kênh truyền dẫn có các hiệu ứng nhân lên tín hiệu phát. - Kênh vô tuyến (radio channel): bao gồm kênh truyền dẫn và cả các anten thu và các anten phát. - Vì thế tín hiệu chỉ chịu tác động của sự suy hao. - Tuy nhiên sự suy hao trong kênh vô tuyến có thể khác so với sự suy hao trong kênh truyền dẫn do ảnh hưởng của các anten thu và phát. - Hệ thống có tuyến tính hay không phụ thuộc vào các tính chất truyền dẫn của thiết bị giữa giải điều chế và điều chế và các anten. - Thêm vào đó trong quá trình khuyếch đại tín hiệu thu, ta cần bổ sung các hiệu ứng cộng gây tác động xấu đến tín hiệu. - Tín hiệu trong mô hình kênh này bao gồm tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được điều chế vào sóng mang. - Nó liên kết từ tín hiệu số cơ sở ở phía phát đến tín hiệu số ở phía thu và miêu tả số bit lỗi trong quá trình truyền dẫn. - Trong mô hình kênh này không còn hiệu ứng nào ảnh hưởng xấu đến tín hiệu. - Tín hiệu ảnh hưởng bởi nhiễu được làm biến đổi thành các chuỗi bit, trong trường hợp tín hiệu bị làm ảnh hưởng qua nặng 14 bởi các hiệu ứng của kênh, chuỗi bit thu được sẽ sai lệch so với chuỗi bit thực được dự định vận chuyển. - Sau đó, tín hiệu tương tự này được truyền qua bộ điều chế, bộ này điều chế tín hiệu băng tần cơ sở này lên đỉnh của sóng mang. - Kênh vô tuyến: Trong kênh vô tuyến, ảnh hưởng của tín hiệu thu được chỉ do các hiệu ứng nhân, hệ số suy hao at, được cho bởi công thức cho trước. - Ở đây chúng ta sẽ phân biệt ra ba hiệu ứng khác nhau cùng dẫn đến sự suy hao của tín hiệu phát. - Hiệu ứng đầu tiên được gọi là suy hao đường dẫn (path loss). - Nó thay đổi trong cùng một khoảng thời gian, trong đó có thể suy hao đường dẫn là không thay đổi, điều này dẫn đến sự thay đổi lên xuống bất thường của biên độ tín hiệu tại điểm có cùng khoảng cách đến máy phát. - Suy hao đường dẫn: Suy hao đường dẫn là hiện tượng ảnh hưởng đến sóng điện từ truyền dẫn, nó là đại lượng đặc trưng cho suy hao về công suất mà tín hiệu phát trải qua, suy hao này phụ thuộc vào khoảng cách và tần số. - Nếu tín hiệu phát là st, và công suất tín hiệu phát trung bình là 2()P t s t. - Tín hiệu nhận được là yt và nó được cho bởi công thức. - )y t a t s t, công suất tín hiệu thu trung bình là 2()rP y t từ đó ta có: 22. - Anten: Nhiệm vụ của một anten là biến đổi tín hiệu điện trên sóng mang điện từ (nhiệm vụ phát) và biến đổi ngược trở lại từ sóng điện từ thành tín hiệu điện (nhiệm vụ anten thu). - Hệ số khuyếch đại của anten là đại lượng đặc trưng cho sự khuyếch đại tín hiệu. - Truyền dẫn trong không gian tự do Sự suy hao tín hiệu trải qua do truyền dẫn trong không gian tự do trên khoảng cách giữa hai anten giả thiết là tầm nhìn thẳng (LOS – line of sight) (không có màn chắn giữa hai anten), thông thường được gọi là suy hao không gian tự do, được tính một cách chính xác bằng hệ thức Maxwell
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt