Đánh giá chất lượng mã khối không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM

Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về mã khối không gian-thời gian STB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: VŨ VĂN QUANG Giới tính: Nam,

Ngày, tháng, năm sinh: 29/07/1972 Nơi sinh: Hậu Giang

Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: F3 Đường Mậu Thân, Q.Ninh Kiều, TPCT

Điện thoại : 0913.135.333 Điện thoại cơ quan:

E-mail: quang_ct2007@yahoo.com Fax:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/1991 đến 09/1996

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cần Thơ

Ngành học: Điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 5/1996 tại trường Đại

học Cần Thơ

2 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2012

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên iii HVTH: Vũ Văn Quang

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

Từ 10/1996 đến

08/2001 Bưu Điện Tỉnh Cần Thơ Kỹ thuật tổng đài

Từ 2001 đến 2010 CH- ĐTDĐ T & Q Cần Thơ Kỹ thuật viên

Từ 2010 đến nay TT Đại học tại chức Cần Thơ Giảng viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận văn này là do bản thân tôi tự nghiên cứu và thực hiện theo

sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Hồng Liên

Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu từ các bài báo khoa học

trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về

mã khối không gian-thời gian (STBC) và ứng dụng trong truyền thông không dây,

các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo của luận văn

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Vũ Văn Quang

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên v HVTH: Vũ Văn Quang

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS-TS Phạm

Hồng Liên Tôi xin được phép gửi đến Cô lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện

nghiêm túc giúp tôi hoàn chỉnh luận văn này

Tôi xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử -Viễn Thông, quý

thầy cô công tác ở phòng Sau Đại Học trường Sư Phạm Kỹ Thuật-TP Hồ Chí Minh

đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học cao học

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn khóa trước, các bạn cùng khóa, các

bạn đồng nghiệp … đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên

cứu

Sau cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình-Những người đã làm tất cả để

cho tôi có được ngày hôm nay

TP Hồ Chí Minh , ngày tháng 10 năm 2012

Vũ Văn Quang

TÓM TẮT

OFDM đem lại những lợi ích như hiệu quả sử dụng phổ và thích hợp cho truyền

dẫn tốc độ cao trên kênh fading đa đường Hệ thống MIMO có thể tăng độ lợi phân

tập, hoặc độ lợi dung lượng trên các kênh truyền fading phẳng Đối với truyền dẫn

tốc độ cao, kênh MIMO chọn lọc tần số (fading không phẳng) có thể chuyển sang

một tập các kênh con fading phẳng bằng cách kết hợp giữa MIMO và kỹ thuật

OFDM, điều này có thể giảm độ phức tạp của bộ thu và có thể giải quyết được vấn

đề fading đa đường một cách hiệu quả

Hệ thống MIMO-OFDM hiện nay đã được chấp nhận như là một tiêu chuẩn

truyền dẫn tốc độ cao, mang lại hiệu quả và chất lượng dịch vụ tốt cho các hệ thống

vô tuyến băng rộng ở các thế hệ tương lai Hệ thống MIMO-OFDM với mã hóa

khối không gian-thời gian (STBC) có khả năng chống lại ảnh hưởng của các hiện

tượng như đa đường, fading chọn lọc tần số một cách hết sức hiệu quả Hơn thế, tỉ

số SER đạt được là nhỏ và độ phức tạp mã hóa thấp

Luận văn này tập trung nghiên cứu việc mã hóa, giải mã khối không gian-thời

gian (STBC), mã không gian-tần số (SFC), mã không gian-thời gian-tần số (STF),

mô hình hệ thống MIMO-OFDM Sau cùng việc mô phỏng các mô hình hệ thống

MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF sẽ được xây dựng và

phân tích chất lượng dưới môi trường truyền dẫn fading Rayleigh

Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC đã đạt

được hiệu quả BER tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM khi không sử dụng mã hóa

STBC Kết quả mô phỏng đã chứng mình được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống

khi sử dụng mã STF được cải thiện hơn so với mã STBC và SFC

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vii HVTH: Vũ Văn Quang

ABSTRACT

The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for

high-data-rate transmission over a multi-path fading channel MIMO systems may

be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a

capacity gain in flat fading channels For high-data-rate transmission, the

frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed

into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and

OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the

multi-path fading efficiently

MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official

standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next

generation broadband wireless communication systems MIMO-OFDM system with

space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects

and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is

low

The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes,

MIMO, and MIMO-OFDM system models Finally, simulation model of MIMO,

MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances

under Rayleigh fading channel is analyzed The simulation results show that the

MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system

without STBC in BER performance By the simulation results, we have

demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes

was improved more than the system which used STBC and SFC codes

MỤC LỤC

QUYếT ĐịNH GIAO Đề TÀI……… ……… i

LÝ LịCH KHOA HọC……… ………… ii

LờI CAM ĐOAN……… iii

CảM ƠN v

TÓM TắT LUẬN VĂN vi

ABSTRACT vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH xvi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xviii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nước đã công bố 1

1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

1.3 Mục đích của đề tài 4

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 6

2.1 Khái niệm kênh vô tuyến [3][10] 6

2.2 Fading suy giảm diện rộng [2][10] 6

2.3 Fading diện hẹp [2][10] 6

2.3.1 Hiện tượng đa đường (multipath) 7

2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler 7

2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 8

2.3.4 Phân loại Fading diện hẹp 8

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ix HVTH: Vũ Văn Quang

2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean 10

2.4.3 Mô hình fading chọn lọc tần số 10

2.5 Kết luận 11

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO OFDM 12

3.1 Giới thiệu 12

3.2 Mô hình hệ thống 13

3.3 Một số ưu khuyết điểm chính của kỹ thuật OFDM 18

3.3.1 Ưu điểm 18

3.3.2 Khuyết điểm 18

3.4 Kết luận 19

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG NHIỀU ANTEN MIMO 20

4.1 Giới thiệu 20

4.2 Các kỹ thuật Phân tập 20

4.3 Mô hình hệ thống MIMO 22

4.4 Dung lượng hệ thống 23

4.5 Kết luận 25

CHƯƠNG 5 MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 26

5.1 Giới thiệu [3] 26

5.2 Mã khối không gian thời gian (STBC) 26

5.2.1 Một số tiêu chuẩn về mã khối không gian-thời gian 27

5.2.2 Sơ đồ Alamouti 28

5.3 Giải mã STBC 29

5.4 Mã Khối không gian –thời gian trực giao (OSTBC) 32

5.4.1 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực 32

5.4.2 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34

5.5 Mã không gian-tần số SFC 35

5.5.1 Giới thiệu 35

5.5.2 Thiết kế mã SF tốc độ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] 36

5.6 MÃ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN-TẦN SỐ STFC [14],[16] 37

5.6.1 Giới thiệu 38

5.6.2 Thiết kế mã STF tốc độ 1 (STF-rate ) 38

5.7 Kết luận 39

CHƯƠNG 6 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG STBC-MIMO-OFDM 41

6.1 Mô hình hệ thống MIMO mã hóa STBC 41

6.1.1 Hệ thống hai Anten phát, một anten thu 41

6.1.2 Hệ thống hai Anten phát, hai anten thu 43

6.2 Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 44

6.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 44

6.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 47

6.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC 54

6.2.4 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STFC 55

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 58

7.1 Sơ đồ mô phỏng 54

7.2 Các kết quả mô phỏng dung lượng 54

7.3 Các kết quả mô phỏng hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO 57

7.4 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM 62

7.5 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC 68

7.6 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 74

7.7 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF 76

7.7.1 SF-rate 1 76

7.7.2 SF-rate N 81

7.8 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF 83

7.8.1 STF-rate1 91

7.8.2 STF-rate N 91

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xi HVTH: Vũ Văn Quang

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

8.1 Kết luận 103

8.2 Các kiến nghị 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng

BER Bit Error Rate Tỉ lệ bit lỗi

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp (Khoảng bảo vệ)

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Biến đổi ngược fourier rời rạc

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược fourier nhanh

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

LP Linear Precoded Tiền mã hóa tuyến tính

LOS Light Of sight Tầm nhìn thẳng

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra

MISO Multiple Input Single Output Nhiều ngõ vào một ngõ ra

ML Maximum Likelihood Tương đồng tối đa

MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất

MRC Maximum Ratio combination Kết hợp tỉ số cực đại

NLOS Non Light Of Sight Không có tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

P/S Parallel to Serial Chuyển đổi song song sang nối tiếp

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

QAM Quadrature Amplitute Điều chế biên độ vuông

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiii HVTH: Vũ Văn Quang

SER Symbol Error Rate Tốc độ lỗi ký tự

SFC Space Frequency Code Mã không- gian tần số

SIMO Single Input Multiple Output Một ngõ vào nhiều ngõ ra

SISO Single Input Single Output Một ngõ vào một ngõ ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

S/P Serial to Parallel Chuyển nối tiếp sang song song

STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian-thời gian

STFC Space-Time-Frequency Code Mã khối không gian-thời gian-tần số

STTC Space-Time Trellis Code Mã xoắn không gian-thời gian

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Mô hình kênh truyền đa đường[18] 7

Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler 7

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản 13

Hình 3.2: Khái niệm CP 15

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống MIMO [17] 23

Hình 4.2: Mô hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO 24

Hình 5.1: Ma trận mã STBC 27

Hình 5.2: Sơ đồ khối mã hóa ST Alamouti 28

Hình 5.3: Bộ thu cho sơ đồ Alamouti 29

Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] 36

Hình 5.5: Cơ chế truyền mã STF 38

Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N 38

Hình 6.1: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] 42

Hình 6.2: Sơ đồ mã STBC với hai anten phát và hai anten thu [19] 43

Hình 6.3: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 45

Hình 6.4: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 48

Hình 6.4: Mô hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu 53

Hình 7.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM 59

Hình 7.2: Mô phỏng dung lượng hệ thống 60

Hình 7.3: Mô phỏng dung lượng Ergodic 60

Hình 7.4: SER của các hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO 63

Hình 7.5: SER của các hệ thống SISO, MISO (thay đổi số anten phát) 64

Hình 7.6: SER của các hệ thống MISO, MIMO (thay đổi số anten thu) 64

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xv HVTH: Vũ Văn Quang

Hình 7.10: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi L 69

69

Hình 7.11: MIMO-OFDM – SER cung mức phân tập (không mã hóa) 69

Hình 7.12: SER của hệ thống MIMO-STBC tăng số anten phát 71

Hình 7.13: SER của hệ thống MIMO-STBC khi thay đổi số anten thu 72

Hình 7.14: SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G2 73

Hình 7.15 : SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G4 73

Hình 7.16a: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập phát 75

Hình 7.16b: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập thu 75

Hình 7.17: BER của hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC, 76

MIMO -OFDM-STBC 76

Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten phát 79

Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten thu 79

Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 –tăng đường phân tập 80

Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số anten thu 82

Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 – Phân tập tần số 83

Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 – cùng mức phân tập 83

Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập phát 85

Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thu 86

Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thời gian 86

Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập tần số 87

Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 –cùng mức phân tập 87

Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thu 89

Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thời gian 89

Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập tần số 90

Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER cùng mức phân tập 90

Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 91

Hình 7.34: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 92

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvii HVTH: Vũ Văn Quang

BẢNG TRANG Bảng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thiết kế toàn tốc [10] 33

Bảng 7.1: Các thông số mô phỏng hệ thống SIMO, MISO, MIMO 59

Bảng 7.2: So sánh dung lƣợng của các hệ thống MIMO 61

Bảng 7.4: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO 62

Bảng 7.5: So sánh BER giữa hệ thống anten SISO và MIMO 63

Bảng 7.6: So sánh hệ thống MIMO phân tập thu tại SER= 3 10 dB 65

Bảng 7.7: So sánh hệ thống MIMO cùng mức phân tập tại SER= 3 10 dB 66

Bảng 7.9: So sánh hệ thống MIMO-OFDM phân tập thu tại BER= 3 10 3dB 68

Bảng 7.10: So sánh hệ thống MIMO-OFDM cùng mức phân tập tại BER= 3 10 dB 70 Bảng 7.12: So hệ thống MIMO-STBC phân tập phát tại BER= 3 10 dB 71

Bảng 7.13: So sánh hệ thống MIMO-STBC phân tập thu tại BER= 3 10 dB 72

Bảng 7.14: So sánh hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G2) 74

tại BER= 3 10 dB 74

Bảng 7.15: So hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G4) 74

tại BER= 3 10 dB 74

Bảng 7.16: So hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER= 3 10 dB 76

Bảng 7.17: So sánh hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC và MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER= 3 10 dB 77

Bảng 7.18: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 78

Bảng 7.19: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 80

Bảng 7.20: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 80

Bảng 7.21: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N 81

Bảng 7.22: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 82