Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- VŨ THỊ PHƯƠNG MÃ GIAO HOÁN CHO TRAO ĐỔI TỐI ƯU TRONG HỆ MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ THỊ PHƯƠNG MÃ GIAO HOÁN CHO TRAO ĐỔI TỐI ƯU TRONG HỆ MIMO Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ Hà Nội – 2012 iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn ....................................................................................................................... i Lời cam đoan ..................................................................................................................ii Mục lục ......................................................................................................................... iii Các ký hiệu .................................................................................................................... vi Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ........................................................................vii Danh mục các bảng ................................................................................................... viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ...................................................................................... ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ xi Chương I: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Khái niệm .................................................................................................................. 1 1.2 Mô hình kênh vô tuyến .............................................................................................. 1 1.3 Kênh tạp âm AWGN ................................................................................................. 2 1.4 Kênh truyền Fading ................................................................................................... 5 1.4.1Kênh Fading phẳng............................................................................................. 5 1.4.2Kênh Fading chọn lọc tần số .............................................................................. 6 1.4.3Kênh Fading nhanh............................................................................................. 7 1.4.4Kênh Fading chậm .............................................................................................. 7 1.5 Mô hình kênh Fading................................................................................................. 7 1.5.1Kênh theo phân bố Rayleigh .............................................................................. 7 1.5.2Kênh theo phân bố Ricean .................................................................................. 9 1.6 Kênh vô tuyến MIMO ............................................................................................. 10 1.6.1 Khái niệm ........................................................................................................ 10 1.6.2Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO ................................................. 12 1.6.2.1Ưu điểm ................................................................................................ 12 1.6.2.2 Nhược điểm ......................................................................................... 12 1.6.3 Hệ thống MIMO .............................................................................................. 12 1.6.4 Các hệ thống không dây cơ bản ...................................................................... 13 1.6.4.1Hệ thống SISO ..................................................................................... 13 1.6.4.2Hệ thống SIMO ................................................................................... 13 1.6.4.3Hệ thống MISO ................................................................................... 13 iv 1.6.4.4 Hệ thống MIMO .................................................................................. 13 1.7 Kết luận.................................................................................................................... 14 Chương II: SỰ TRAO ĐỔI GIỮA TỐC ĐỘ VÀ ĐỘ TIN CẬY 2.1 Độ lợi phân tập và hợp kênh.................................................................................... 15 2.1.1 Độ lợi phân tập .............................................................................................. 16 2.1.2 Độ lợi hợp kênh ............................................................................................. 16 2.2 Trao đổi giữa phân tập và nhân kênh ....................................................................... 17 2.2.1 Lập công thức ................................................................................................. 19 2.2.2 Kênh Rayleigh vô hướng ................................................................................ 19 2.2.2.1 PAM ................................................................................................... 19 2.2.2.2 QAM ................................................................................................... 20 2.2.2.3Trao đổi tối ưu ..................................................................................... 22 2.2.3Kênh Rayleigh song song ................................................................................ 23 2.2.3.1Trao đổi tối ưu ..................................................................................... 23 2.2.3.2 Trao đổi với mã lặp lại ....................................................................... 24 2.2.4 Kênh Rayleigh MISO 2x1 .............................................................................. 25 2.2.4.1Trao đổi tối ưu ..................................................................................... 25 2.2.4.2 Trao đổi tối ưu với sơ đồ Alamouti .................................................... 26 2.2.4.3 Trao đổi với sơ đồ mã lặp lại ............................................................... 27 2.2.5 Kênh Rayleigh MIMO 2x2.............................................................................. 28 2.2.5.1 Trao đổi với sơ đồ mã lặp lại ............................................................... 28 2.2.5.2 Trao đổi với sơ đồ mã Alamouti .......................................................... 30 2.2.5.3 Trao đổi với sơ đồ V-BLAST (nulling) ............................................... 32 2.2.5.4 Trao đổi với sơ đồ V-BLAST (ML) ..................................................... 33 2.2.5.5 Trao đổi tối ưu ...................................................................................... 34 2.2.6 Kênh Rayleigh i.i.d MIMO ntxnr ...................................................................... 35 2.2.6.1 Trao đổi tối ưu ...................................................................................... 36 2.2.6.2 Giải thích hình học ............................................................................... 38 2.3 Kết luận chương .................................................................................................... 40 Chương III: MÃ GIAO HOÁN CHO TRAO ĐỔI TỐI ƯU 3.1 Thiết kế mã vạn năng cho trao đổi phân tập – hợp kênh tối ưu. .............................. 41 3.1.1 QAM là xấp xỉ vạn năng cho kênh vô hướng ................................................. 41 v 3.1.2 Thiết kế mã vạn năng cho kênh song song. ..................................................... 42 3.1.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế mã vạn năng ........................................................ 43 3.1.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế mã vạn năng tại SNR cao ................................... 45 3.1.2.3 Tính chất của mã vạn năng xấp xỉ...................................................... 46 3.1.3 Thiết kế mã vạn năng cho kênh MISO ........................................................... 48 3.1.3.1 Kênh MISO được xem như là một kênh truyền song song ....................... 49 3.1.3.2 Tính vạn năng của chuyển đổi thành kênh truyền song song ...................... 50 3.1.3.3 Tiêu chuẩn thiết kế mã vạn năng cho MISO ..................................... 51 3.1.4 Thiết kế mã vạn năng cho kênh MIMO ......................................................... 52 3.1.4.1 Kênh MIMO được xem như là một kênh truyền song song với kiến trúc D-BLAST ......................................................................................................... 53 3.1.4.2 Tính vạn năng của D-BLAST ............................................................ 54 3.1.4.3 Tiêu chuẩn thiết kế mã vạn năng ........................................................ 56 3.1.4.4 Tính chất của mã xấp xỉ vạn năng ...................................................... 57 3.2 Kết luận.................................................................................................................... 58 Chương IV: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Kịch bản mô phỏng, tiêu chuẩn đánh giá ................................................................ 59 4.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 59 4.2.1 Sơ đồ mô phỏng của tín hiệu QPSK truyền trên các kênh song song ........... 59 4.2.2 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK truyền trên hai kênh con song song .......................................................................................................................... 60 4.2.3 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK truyền trên 3 kênh con song song .......................................................................................................................... 60 4.2.4 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK truyền trên 4 kênh con song song ................................................................................................................................. 61 4.2.5 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK truyền tương ứng trên 2,3,4 kênh con song song .......................................................................................................... 62 4.3 Nhận xét kết quả mô phỏng ..................................................................................... 62 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 64 PHỤ LỤC. MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.................................... 65 vi CÁC KÝ HIỆU L Số nhánh phân tập l Chỉ số của nhánh phân tập vô hướng nt Số anten truyền nr Số anten nhận nmin Giá trị cực tiểu của số anten truyền và anten nhận. h[m] Kênh vô hướng, giá trị phức tại thời gian m h* Liên hơp phức của giá trị kênh vô hướng phức h r Hệ số hợp kênh x[m] Đầu vào kênh, giá trị phức, tại thời gian m y[m] Đầu ra kênh, giá trị phức, tại thời gian m N(µ, ) CN(µ, N 0, Giá trị ngẫu nhiên Gauss thực, với trung bình là µ và vairian là ) Giá trị ngẫu nhiên phức Gauss đối xứng, phần thực và phần ảo là i.i.d /2 N0 Mật độ phổ công suất của ồn Gauss {w[m]} Ồn nhiễu Gauss, i.i.d, N 0, Pe Xác suất lỗi Pout Xác suất dừng của kênh fading vô hướng , tại thời gian m. Xác suất dừng của kênh fading MIMO vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng Gauss cộng BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit BLAST Bell Labs Layered Space – Time Phân lớp không gian – thời gian do phòng thí nghiệm Bell đề xuất D-BLAST Diagonal-BLAST BLAST phân lớp chéo ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu MIMO Multi – input Multi – output Đa đầu vào, đa đầu ra MISO Multi – input Single – output Đa đầu vào, một đầu ra ML Maximum Likelihood Gần giống cực đại MMSE Minimum Mean – squares error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất LOS Light of sight Đường truyền thẳng. SIMO Single – input Multi – output Một đầu vào, đa đầu ra SISO Single – input Single – output Một đầu vào một đầu ra SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu. RMS Root Mean Squared (Trải trễ) Căn trung bình bình phương viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tổng hợp hiệu suất của 4 sơ đồ cho kênh MIMO 2x2 ............................. 34 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mô hình đáp ứng xung của kênh đa đường ................................................. 2 Hình 1.2: Ví dụ về tạp âm Gauss với giá trị trung bình 0 và phương sai  2  1 ........ 3 Hình 1.3: Hàm mật độ xác xuất Gauss với  2  1 ....................................... 4 Hình 1.4: Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng ............4 Hình 1.5: Kênh fading phẳng ..................................................................................... 6 Hình 1.6: Kênh fading chọn lọc tần số ....................................................................... 6 Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh .............................................. 8 Hình 1.8 : Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean .............................................. 10 Hình 1.11: Các cấu hình hệ thống vô tuyến ............................................................. 11 Hình 1.12: Sơ đồ khối của hệ thống MIMO ............................................................. 13 Hình 2.1: Sơ đồ PAM 4 điểm ................................................................................... 20 Hình 2.2: Sơ đồ 4-QAM ........................................................................................... 20 Hình 2.3: Sơ đồ trao đổi của 1 anten trên kênh Rayleigh fading chậm.................... 21 Hình 2.4: Tăng SNR lên 6dB tương đương với việc giảm ¼ xác xuất lỗi ở cả PAM và QAM .............................................................................................................. 21 Hình 2.5: Tăng 6dB SNR cho phép truyền với tốc độ 1bit/s/Hz với PAM và 2 bit/s/Hz với QAM ............................................................................................ 22 Hình 2.6: Mô hình kênh Rayleigh song song ........................................................... 23 Hình 2.7: Sơ đồ trao đổi tối ưu trên kênh Rayleigh song song ................................ 24 Hình 2.8: Sơ đồ trao đổi giữa phân tập – hợp kênh của kênh fading Rayleigh song song ............................................................................................................ 25 Hình 2.9: Mô hình kênh MISO 2x1.......................................................................... 25 Hình 2.10: Sơ đồ Alamouti....................................................................................... 26 Hình 2.11: Sơ đồ Alamouti và sơ đồ lặp lại ............................................................. 27 Hình 2.11: Sơ đồ Alamouti và sơ đồ lặp lại trên kênh MISO 2x1 ........................... 28 Hình 2.13: Mô hình kênh MIMO 2x2 ...................................................................... 28 Hình 2.14: Trao đổi phân tập – hợp kênh với trường hợp (a): Trao đổi tối ưu; (b): so sánh giữa sơ đồ lặp lại và sơ đồ Alamouti.......................................................... 29 Hình 2.15: (a): Trong kênh 1x2, không gian tín hiệu 1 chiều, được diễn tả là h; (b): Trong kênh 2x2 không gian tín hiệu là 2 chiều diễn tả là h1 và h2. .................... 32 x Hình 2.16: Trao đổi phân tâp – hợp kênh của kênh fading Rayleigh MIMO 2x2 với 4 loại sơ đồ khác nhau .................................................................................. 35 Hình 1.17: Mô hình kênh Rayleigh i.i.d MIMO ntxnr .............................................. 36 Hình 2.18: Trao đổi tối ưu phân tập – hợp kênh, d*(r) cho kênh fading Rayleigh i.i.d ...................................................................................................................... 37 Hình 2.19: Cộng thêm 1 anten truyền và 1 anten nhận làm tăng độ lợi hợp kênh không gian lên 1 ở mỗi mức phân tập ........................................................................... 37 Hình 2.20: Mô tả hình học của kênh 1x1 ................................................................. 38 Hình 2.21: Mô tả hình học của kênh 1x2 ................................................................. 39 Hình 3.1: Mô tả hình học cho kênh n xn ................................................................ 41 Hình 3.2: Một mã lặp lại cho 2 kênh song song với tốc độ R=2bits/s/Hz trên một kênh con.............................................................................................................. 44 Hình 3.3: Một mã giao hoán cho 2 kênh song song với tốc độ R=2bits/s/Hz trên một kênh con.............................................................................................................. 45 Hình 3.4: Một mã giao hoán cho một kênh song song với 3 kênh con .................. 47 Hình 3.5: Xác suất lỗi của QAM không mã hóa với kĩ thuật Alamouti và mã hoán vị trên một anten tại một thời điểm cho kênh truyền MISO Rayleigh với 2 anten phát: mã hoán vị tồi hơn 1,5dB so với kĩ thuật Alamouti. ................................. 50 Hình 3.6. Mô hình kênh MIMO và các bộ mã hóa .................................................. 52 Hình 3.7 Mô hình biến đổi song song của kênh MIMO với kiến trúc D-BLAST ... 53 Hình 3.8 Sơ đồ làm việc của D-BLAST với 2 anten truyền ................................... 54 Hình 3.9: Hiệu năng trao đổi cho kiến trúc D-BLAST với bộ thu ML và bộ thu MMSE-SIC ......................................................................................... 56 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng........................................................................................ 60 Hình 4.2: Tốc độ lỗi bit với chế độ không mã, mã giao hoán và mã lặp lại với n=2. ............................................................................................................... 60 Hình 4.3: Tốc độ lỗi bit với chế độ mã giao hoán và mã lặp lại với n=3 ................. 61 Hình 4.4: Tốc độ lỗi bit với chế độ mã giao hoán và mã lặp lại với n=4 ................. 61 Hình 4.5: Tốc độ lỗi bit của mã giao hoán với n=2,3,4........................................... 62