Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

Người thực hiện :

Người hướng dẫn :

Đà Nẵng - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Đề tài tốt nghiệp của em là “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử

dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền” Nội dung đồ án được

tham khảo rút ra từ các tài liệu tham khảo đã liệt kê ở cuối đồ án Em xin cam đoan nội dung này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Lời mở đầu

Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO – OFDM, anten thông minh… giúp nâng cao hơn nữa chất lượng hệ thống Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông

Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần

số và phân tập không gian Trong đó phân tập không gian được sử dụng phổ biển Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm 3 loại: phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp cả thu và phát Cùng với kỹ thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được sử dụng để bên thu

có thể xác định được thông tin truyền đi từ bên phát

Trong quá trình tìm hiểu, em đã chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống

4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền” Đây là giải pháp

kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bit (BER)

Nội dung đồ án gồm 4 chương, trong đó 3 chương lý thuyết và một chương thực hiện mô phỏng chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Hệ thống 4G được xem là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm

rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ Với việc sử dụng các công nghệ tiên tiến trong đó có công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM đã giúp cho hệ thống 4G đạt được những tính năng ưu việt trên Nội dung chương 1 sẽ phân tích mô hình hệ thống OFDM cũng như các ưu điểm, nhược điểm… của công nghệ này mang lại cho hệ thống 4G

Lời mở đầu

Trang 2

Chương 2 : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM

Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn Nội dung chương trình bày về đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu trắng AWGN Bên cạnh đó còn trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu

Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập

Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, các kỹ thuật phân tập được

sử dụng trong hệ thống 4G Phân tập thu gồm các kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC giúp bên thu chọn lọc hoặc kết hợp các tín hiệu trên các anten thu nhằm tái tạo tín hiệu phát tốt nhất Ngoài ra, chương này còn trình bày về các kỹ thuật phân tập phát

mã hóa không gian-thời gian với mô hình Alamouti, nhờ nó mà chất lượng hệ thống được cải thiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone

Chương 4 : Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G

Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực hiện mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G thông qua việc truyền và nhận tín hiệu vô tuyến trên cơ sở sử dụng công nghệ OFDM kết hợp các kỹ thuật phân tập và ước lượng kênh truyền Qua đó, đánh giá kết quả mô phỏng và đối chiếu với lý thuyết đã trình bày

Tuy nhiên, đây là một đề tài khá phức tạp, điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bày đồ án này của em không thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy

em trong suốt thời gian qua và đặc biệt cảm ơn ThS Dư Quang Bình đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Các từ viết tắt

Trang 3

CÁC TỪ VIẾT TẮT

A

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng

B

BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi

C

D

E

F

G

GI Guard Interval Chuổi bảo vệ

I

M

O

Các từ viết tắt

Trang 4

P

P/S Parallel to Serial C/đ song song sang nối tiếp

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình

Q

Modulaion

S

S/P Serial to Parallel C/Đ nối tiếp sang song song

Mục lục

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 8

1.1 Giới thiệu chương 8

1.2 Tổng quan hệ thống 4G 8

1.3 Công nghệ OFDM 9

1.3.1 Tính trực giao trong OFDM 10

1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM 13

1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM 14

1.3.4 Chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial 14

1.3.5 Điều chế sóng mang con 15

1.3.6 Bộ IFFT và FFT 16

1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ 18

1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D 22

1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 22

1.3.9.1 Ưu điểm 22

1.3.9.2 Nhược điểm 22

1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 23

1.4 Kết luận chương 23

CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM 24

2.1 Giới thiệu chương 24

2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM 24

2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn 25

2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading 25

2.3.2 Hiệu ứng Doppler 28

2.3.3 Nhiễu trắng AWGN 29

2.3.4 Nhiễu ISI 31

Mục lục

Trang 6

2.3.5 Nhiễu ICI 33

2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền 34

2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền 34

2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood 34

2.5 Kết luận chương 37

CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 38

3.1 Giới thiệu chương 38

3.2 Kỹ thuật phân tập thu 38

3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu 38

3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu 39

3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC 39

3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC 40

3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC 41

3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC 42

3.3 Kỹ thuật phân tập phát 43

3.3.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập phát 43

3.3.2 Một số đặc điểm của kỹ thuật phân tập phát 43

3.3.3 Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian 44

3.3.3.1 Hệ thống mã hóa không gian- thời gian 44

3.3.3.2 Mô hình hệ thống Alamouti 46

3.3.3.3 Mô hình hệ thống Alamouti mở rộng 2 anten phát và 2 anten thu 52

3.3.3.4 Mô hình Alamouti mở rộng có 2 anten phát và M anten thu 55

3.4 Kết luận chương 58

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G 59

4.1 Giới thiệu chương 59

4.2 Mô phỏng các thuật toán kỹ thuật phân tập thu anten 59

4.2.1 Thuật toán Threshold Combining 59

4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán 59

4.2.1.2 Kết quả mô phỏng 60

4.2.2 Thuật toán Selection Combining 62

Mục lục

Trang 7

4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán 62

4.2.2.2 Kết quả mô phỏng 63

4.2.3 Thuật toán Equal Gain Combining 64

4.2.3.1 Lưu đồ thuật toán 64

4.2.3.2 Kết quả mô phỏng 65

4.2.4 Thuật toán Maximal Ratio Combining 66

4.2.4.1 Lưu đồ thuật toán 66

4.2.4.2 Kết quả mô phỏng 67

4.2.5 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống 68

4.3 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC 70

4.3.1 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC với đáp ứng kênh truyền hoàn hảo 70

4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán 70

4.3.1.2 Kết quả mô phỏng 71

4.3.2 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC có kết hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood) 72

4.3.2.1 Lưu đồ thuật toán 72

4.3.2.2 Kết quả mô phỏng 73

4.3.3 Mô phỏng hệ thống STBC khi thay đổi bậc điều chế MQAM 75

4.4 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống khi sử dụng phương pháp phân tập thu và phương pháp phân tập phát 76

4.5 Kết luận chương 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHẦN PHỤ LỤC

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 8

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM

Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ tiên tiến nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nên móng cho một thế hệ mới, mà hiện nay gọi là thế hệ thứ 4 (4G) 4G được định nghĩa là một nền tảng của

sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ

Để hiểu rõ hơn, chương này sẽ trình bày lý do thúc đẩy sự ra đời cũng như các tính năng đặc biệt của hệ thống 4G Bên cạnh đó, nội dung của chương còn đi sâu phân tích về công nghệ OFDM sử dụng trong hệ thống Đây là một công nghệ tiên tiến thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nó cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát Nhờ các tính năng ưu việt này mà công nghệ OFDM trở thành một trong những công nghệ hàng đầu được sử dụng trong hệ thống 4G

Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lượng cao hơn Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế ( ITU) đã làm việc để hướng đến một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ

tư 4G Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện tương tác, internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền cũng như tính di động toàn cầu cao hơn Các tính năng này không có ở hệ thống 3G hiện nay

Ngoài ra, vấn đề về phổ tần cũng là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu 4G trên thế giới Vì phổ tần là nguồn tài nguyên vô tuyến cơ bản nhưng giới hạn cho các công nghệ không dây Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp

10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại

Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá cả rẻ hơn so với 3G vì nó đuợc xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất chi phí khi chuyển đổi thiết bị