Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn này là do bản thân tôi tự nghiên cứu và thực hiện theo sự hƣớng dẫn của PGS. 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 tƣ 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 chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Vũ Văn Quang GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên iv HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM LỜI CẢM ƠN Đề tài này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của PGS-TS. Phạm Hồng Liên. Tôi xin đƣợc 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 trƣờng Sƣ 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 trƣớc, 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 ngƣời đã làm tất cả để cho tôi có đƣợc ngày hôm nay. TP Hồ Chí Minh , ngày tháng 10 năm 2012 Vũ Văn Quang GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên v HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM TÓM TẮT OFDM đem lại những lợi ích nhƣ hiệu quả sử dụng phổ và thích hợp cho truyền dẫn tốc độ cao trên kênh fading đa đƣờng.
Hệ thống MIMO có thể tăng độ lợi phân tập, hoặc độ lợi dung lƣợng 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 đƣợc vấn đề fading đa đƣờng một cách hiệu quả. Hệ thống MIMO-OFDM hiện nay đã đƣợc chấp nhận nhƣ là một tiêu chuẩn truyền dẫn tốc độ cao, mang lại hiệu quả và chất lƣợng dịch vụ tốt cho các hệ thống vô tuyến băng rộng ở các thế hệ tƣơng lai. Hệ thống MIMO-OFDM với mã hóa khối không gian-thời gian (STBC) có khả năng chống lại ảnh hƣởng của các hiện tƣợng nhƣ đa đƣờng, fading chọn lọc tần số một cách hết sức hiệu quả.
Hơn thế, tỉ số SER đạt đƣợc 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 đƣợc xây dựng và phân tích chất lƣợng dƣới môi trƣờng truyền dẫn fading Rayleigh. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC đã đạt đƣợc hiệu quả BER tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM khi không sử dụng mã hóa STBC.
Kết quả mô phỏng đã chứng mình đƣợc khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi sử dụng mã STF đƣợc cải thiện hơn so với mã STBC và SFC.TS Phạm Hồng Liên vi HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 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.TS Phạm Hồng Liên vii HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM MỤC LỤC QUYếT ĐịNH GIAO Đề TÀI……………………………………….…………… i LÝ LịCH KHOA HọC………………………………………………. ii LờI CAM ĐOAN………………………………………………………………… iii CảM ƠN. vii MỤC LỤC. viii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH .xvi DANH SÁCH CÁC BẢNG.
xviii CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố .2 Ý nghĩa khoa học của đề tài .3 Mục đích của đề tài .4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài .5 Phƣơng pháp nghiên cứu. 5 CHƢƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN .1 Khái niệm kênh vô tuyến [3][10] .2 Fading suy giảm diện rộng [2][10] .3 Fading diện hẹp [2][10].1 Hiện tƣợng đa đƣờng (multipath) .2 Hiệu ứng dịch Doppler .3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing).4 Phân loại Fading diện hẹp .TS Phạm Hồng Liên viii HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 2.4 Các mô hình kênh fading .1 Mô hình kênh fading Rayleigh .2 Mô hình kênh fading Ricean .3 Mô hình fading chọn lọc tần số .11 CHƢƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO OFDM .2 Mô hình hệ thống .3 Một số ƣu khuyết điểm chính của kỹ thuật OFDM.19 CHƢƠNG 4 HỆ THỐNG NHIỀU ANTEN MIMO .2 Các kỹ thuật Phân tập .3 Mô hình hệ thống MIMO .4 Dung lƣợng hệ thống.25 CHƢƠNG 5 MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM .2 Mã khối không gian thời gian (STBC) .1 Một số tiêu chuẩn về mã khối không gian-thời gian .4 Mã Khối không gian –thời gian trực giao (OSTBC) .1 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực .2 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức .5 Mã không gian-tần số SFC .TS Phạm Hồng Liên ix HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 5.2 Thiết kế mã SF tốc độ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] .6 MÃ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN-TẦN SỐ STFC [14],[16] .2 Thiết kế mã STF tốc độ 1 (STF-rate ) .39 CHƢƠNG 6 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG STBC-MIMO-OFDM .1 Mô hình hệ thống MIMO mã hóa STBC .1 Hệ thống hai Anten phát, một anten thu .2 Hệ thống hai Anten phát, hai anten thu .2 Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC .1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM .2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC .3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC.4 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STFC .55 CHƢƠNG 7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB .2 Các kết quả mô phỏng dung lƣợng .3 Các kết quả mô phỏng hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO .4 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM .5 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC .6 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC .7 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF .8 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF .TS Phạm Hồng Liên x HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 7.3 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa với mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và STFC-rate 1&2. 92 Chƣơng 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO .TS Phạm Hồng Liên xi HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM 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 Inverse Discrete Fourier Biến đổi ngƣợc fourier rời rạc IDFT Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngƣợc 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 Tƣơng đồng tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phƣơng trung bình nhỏ nhất MRC Maximum Ratio combination Kết hợp tỉ số cực đại NLOS Non Light Of Sight Không có tầm nhìn thẳng Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực OFDM Multiplexing 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 xii HVTH: Vũ Văn Quang Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông 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 GVHD: PGS.