Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số cho hệ thống MIMO-OFDM

Luận văn nghiên cứu xây dựng mô hình kênh chọn lọc tần số cho hệ thống MIMO-OFDM. Bao gồm thuật toán ước lượng kênh và kết quả mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Trần Quốc Toản
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Tiến
• Trường học: Đại học (không được chỉ định rõ trong tài liệu)
• Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông
• Đề tài: Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số cho hệ thống MIMO-OFDM thông tin băng rộng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: (Không được chỉ định trong tài liệu)

Tóm tắt

I. Khái niệm về Mô hình Kênh Lựa chọn Tần số cho Hệ thống MIMO OFDM

Mô hình kênh lựa chọn tần số là một khái niệm cơ bản trong lĩnh vực viễn thông hiện đại, đặc biệt quan trọng cho hệ thống MIMO-OFDM. Kênh truyền vô tuyến trong môi trường đô thị thường gặp hiện tượng đa đường (multipath), nơi tín hiệu truyền đi theo nhiều con đường khác nhau trước khi đến anten thu. Mỗi con đường này có thể có độ suy hao khác nhau, dẫn đến hiện tượng lựa chọn tần số (frequency-selective fading).

Trong hệ thống MIMO-OFDM, kênh không phụ thuộc tần số sẽ gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền thông. Mô hình kênh được sử dụng để mô phỏng và phân tích các đặc tính này, giúp thiết kế hệ thống hiệu quả hơn. Việc hiểu rõ đặc tính kênh truyền là nền tảng để phát triển các kỹ thuật ước lượng kênh và cân bằng tín hiệu phù hợp.

1.1. Đặc tính của Kênh Truyền Đa đường

Kênh truyền đa đường xảy ra khi tín hiệu gặp phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ từ các vật chắn trong môi trường. Các tín hiệu phản xạ này sẽ tổng hợp lại tại anten thu với các độ trễ thời gian (delay) và pha (phase) khác nhau. Hiện tượng này gây ra giao thoa tạo tính (constructive interference) hoặc giao thoa triệt tiêu (destructive interference) tùy vào các điều kiện cụ thể.

1.2. Hiệu ứng Lựa chọn Tần số trong MIMO OFDM

Lựa chọn tần số xảy ra khi hàm truyền đạt (transfer function) của kênh thay đổi theo tần số. Trong hệ thống OFDM, mỗi tần số sóng mang con có thể trải qua suy hao khác nhau, dẫn đến hiệu suất khác nhau giữa các sóng mang con. Đây là lý do tại sao cần có thuật toán ước lượng kênh chính xác.

II. Mô hình Kênh OneRing và SCM cho Hệ thống MIMO OFDM

Có hai mô hình kênh chính được sử dụng để mô phỏng kênh truyền lựa chọn tần số cho hệ thống MIMO-OFDM: mô hình OneRing và mô hình SCM (3GPP Spatial Channel Model). Cả hai mô hình đều có khả năng mô phỏng các đặc tính quan trọng của kênh truyền vô tuyến trong điều kiện thực tế.

Mô hình OneRing được chia thành hai loại: không chọn lọc tần số và chọn lọc tần số. Phiên bản không chọn lọc tần số giả định rằng tất cả tần số đều có suy hao như nhau, trong khi phiên bản chọn lọc tần số cho phép các tần số khác nhau có suy hao khác nhau. Mô hình SCM cung cấp một cách tiếp cận chi tiết hơn, xét đến các góc đến (AOA) và góc phát (AOD) của các tín hiệu.

2.1. Mô hình OneRing Không Chọn lọc Tần số

Mô hình OneRing không chọn lọc tần số giả định kênh có đáp ứng xung không đổi với tần số. Mô hình này thích hợp cho các hệ thống băng hẹp (narrowband) nơi băng thông của tín hiệu nhỏ hơn nhiều so với băng thông kết hợp (coherence bandwidth) của kênh. Tuy nhiên, trong hệ thống MIMO-OFDM băng rộng, mô hình này không đủ để mô tả chính xác đặc tính kênh.

2.2. Mô hình OneRing Chọn lọc Tần số

Mô hình OneRing chọn lọc tần số cải thiện bằng cách cho phép đáp ứng xung thay đổi theo tần số. Mô hình này tính đến hiệu ứng Doppler và trễ đa đường, phù hợp hơn với hệ thống MIMO-OFDM trong các ứng dụng thực tế. Các thru số được tính toán dựa trên hàm tương quan giữa các phần tử anten.

III. Thuật Toán Ước Lượng và Cân Bằng Kênh

Để khôi phục tín hiệu gốc từ tín hiệu thu được, hệ thống cần phải ước lượng chính xác đặc tính kênh và áp dụng thuật toán cân bằng phù hợp. Có ba phương pháp ước lượng chính được sử dụng: phương pháp Linear, phương pháp ST (Space-Time), và phương pháp Wiener.

Phương pháp Linear là phương pháp đơn giản nhất, sử dụng dữ liệu tham khảo (pilot) để ước lượng kênh một cách trực tiếp. Phương pháp ST tận dụng cấu trúc không gian-thời gian của kênh để cải thiện hiệu suất. Phương pháp Wiener là phương pháp tối ưu từ góc độ lỗi bình phương trung bình, cung cấp hiệu suất tốt nhất nhưng có độ phức tạp tính toán cao hơn.

3.1. Phương pháp Ước Lượng Linear

Phương pháp Linear sử dụng tín hiệu pilot được sắp xếp trên miễn thời gian và tần số để ước lượng hàm truyền đạt kênh tại các vị trí pilot. Sau đó, nội suy được sử dụng để ước lượng kênh tại các vị trí không phải pilot. Phương pháp này đơn giản và có độ phức tạp thấp, nhưng hiệu suất bị giới hạn bởi sai số nội suy.

3.2. Phương pháp Ước Lượng Wiener

Phương pháp Wiener sử dụng thông tin thống kê của kênh để tính toán bộ lọc Wiener tối ưu. Phương pháp này đạt được sai số ước lượng nhỏ nhất về mặt lỗi bình phương trung bình. Tuy nhiên, cần phải có thông tin thống kê kênh chính xác và độ phức tạp tính toán cao hơn so với phương pháp Linear.

IV. Ứng Dụng và Hiệu Suất của Mô hình Kênh Trong Thực Tế

Mô hình kênh lựa chọn tần số có nhiều ứng dụng thực tế quan trọng trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Hệ thống 4G/LTE, 5G, và các hệ thống truyền thông vô tuyến băng rộng khác đều sử dụng hệ thống MIMO-OFDM kết hợp với mô hình kênh để đạt được hiệu suất truyền cao.

Việc so sánh giữa mô hình OneRing và mô hình SCM cho thấy rằng mô hình SCM cung cấp mô tả chính xác hơn về kênh truyền thực tế, đặc biệt trong các môi trường di động nhanh hoặc phức tạp. Tuy nhiên, mô hình OneRing vẫn có giá trị do độ phức tạp thấp hơn và dễ triển khai hơn. Hàm tương quan chéo không gian (SCCR) đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn cấu hình anten MIMO phù hợp.

4.1. Ứng Dụng trong Hệ Thống Viễn Thông Băng Rộng

Hệ thống MIMO-OFDM được sử dụng trong DVB-T2, LTE, 5G và các tiêu chuẩn viễn thông khác. Mô hình kênh lựa chọn tần số giúp thiết kế bộ giải mã, bộ ước lượng kênh, và bộ cân bằng tín hiệu hiệu quả hơn. Việc mô phỏng chính xác các đặc tính kênh từ giai đoạn thiết kế giúp giảm lỗi bit và **tăng thông lượng dữ liệu.

4.2. Yếu Tố Quyết Định Chọn Mô Hình Kênh

Lựa chọn mô hình kênh phù hợp phụ thuộc vào tốc độ di động, môi trường truyền, băng thông hệ thống, và yêu cầu hiệu suất. Mô hình SCM thích hợp cho mô phỏng chi tiết và phân tích hiệu suất cao, trong khi mô hình OneRing phù hợp cho nghiên cứu nhanh và thiết kế sơ bộ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CONG HOA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập — Tự đo — Ilạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Tip va tên tác giả luận văn: Trần Quốc Toản Đề tài luận văn: Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số chọ hệ thông, thông tin băng rộng MIMO-OITDIME Chuyển ngành: Kỹ thuật truyền thông, Mã số SV:CB120749 'Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luân văn xác nhận lắc giả đã sửa chữa, bỗ sung luận văn theo biên bản họp liội ding ngay 17/4/2015 với các nội dung sau Sửa lại tên chương 5, thay bằng kết luận chung Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS. PHAM VAN TLEN TRAN QUOC TOAN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS. VŨ VĂN YÊM MỤC LỤC MỤC LỤC i LOL CAM DOAN 0. cccccccccssccsssissuiteisteisienssseiaseeseesistisstimveeeeseeeentineseiasee TW DANH MUC TU VIET TAT.

Y DANH MỤC BẰNG BIỂU. Series VHE DANH MỤC HÌNH VE - - viii LOI NOI DAU. - - - - - 1 CHUONG 1: LY THUYET MO HINH KENH VO TUYE 1.1 Khải niệm về mô hình kênh truyền vô tuyển.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường, - - - 4 1.12 Một số khái niệm .3 Hiệu ứng Doppler. Độ ổn định về thời gian của kênh.5 Kênh không phụ thuộc thời gian.6 Kênh phụ thuộc thời gian.7 Kênh không phụ thuộc lần số 12 1.18 Kênh phụ thuộc tần số - - - 12 1.2 Quan hệ giữa tín hiệu phat, tin hiệu thu và mô hình kênh.3 Kết luận chương, - - - - 15 CHƯƠNG 2: HE THONG MIMO -OFDM.1 Giới triệu chương - - - - l6 3.2 Kỹ thuật MIMO.

cu neeeeiiiririririiiararisoasoe TỔ 321 Hệ thống SISƠ. Hệ thống 8IMO. Hệ thống MISO.4 Hệ thông MIMO 21 2.3 Kỹ thuật OFDM ose cessssessssesetissstesimstessiestietieststtnsimseinsieeene dl 2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang.2 Phương pháp diểu chế da sóng mang,. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM.

Hệ thông MIMO-OFDM „31 3.4 Kết luận chương, - - 39 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH KÊNH BĂNG RỘNG VÀ CHỘN LỌC TÂN SỐ CHO HE THONG MIMO-OFDM.2 Mô hình kênh OneRing. Mô hình kênh OneRing không chợn lọc tần số. Mô hình kênh OncRing chọn lọc tấn sỏ.3 Mô hình kênh SƠM. Tỉnh toán các tharu số 30 3.5 Ham tương quan 3.4 So sánh giữa hai mô hình kênh OneRing , SCM va phan vi ap dung 33 3.1 Y nghĩa của hảm tương quan chéo không gian SCCR trong việc lựa chọn đột hệ thống anten MIMO - - 33 ĐANH MỤC HÌNH VEL inh 1-1 a hop tin hiệu đa đường tại anten thu.4 Hinh 1-2: Tổng hợp tín hiệu đa đường ở các tân số sóng mang khác nhau.

5 Tình 1-8: Tín hiệu đa đường bị nhẫn xạ, khúc xụ về nhiều xạ do các vật chắn.ố Hình 1-4: Đáp ứng xung của kênh. nhe errre 7 Tỉnh 1-5: Hàm truyền đạt của kênh. - - 8 nh 1-6: Đáp ủng xung của kênh phụ thuộc thời giam.c LT Hình 1-7: Ham truyền đạt của kênh không phụ thuộc tần số. L2 Hinh 1-8: Ham truyền đạt của kênh phụ thuộc lần số 13 Hinh 1-9: Phân bé dữ liệu Data va Pilot trên khe thời gian và tấn số.

L3 1Iinh 1-10: Quan hệ giữa tin hiệu phát, kênh truyền và tin hiệu nhận. 14 Hình 2-1: Hệ thẳng SISO. - - - 17? Hình 2-2: Hệ thống SLMÓ. T Tinh 2-3: IIệ thống MISO.TÓ, Hình 2-4: Hệ thắng MIMO - - - 21 Hình 2-5: Hệ thống MIMO 2x2.

ni eeiierrireirieroou22 Tlinh 2-6: Ma héa STBC [6] - - 2 Hivh 2-7: Hệ thống điều chế đơn sóng mang phía phát llinh 2-8: 118 théng điểu chế đa sóng mang I*DM phia ph: linh 2-9: Sỏng mang con trục giao trong miễn thời gian. 28 Tỉnh 2-10: Phố tín hiệu sông mang trục giao trong rniển tí 29 Hình 2-11: Chèn khoảng bảo vệ ở cuối ký hiệu OFDM. 30 Tlinh 2 : Sơ để hệ thống MIMO-OFDM. Tình 2: 3: So dé didu ché GAM - - - 32 Hình 2-14: Chòm sao điều chế QAMA4.

Tlinh 2-15: Chom sao điều chế QAMI6 - - - - 34 Hình 2-16: Chòm sao điều chế QAM64 1linh 2-17: Sắp xếp các ký hiệu QAM trên lưới thời gian và tân. vi DANH MUC TU VIET TAT A ACF Temporal autocorrelation function ADC Analog Digital Converter AOA Angle of Arrival AOD Angle of Departure B BER Bit Error Rate BS ase Station c ocr Cross Correlation Function CRC Cyclic Redundancy Cheek D DFT Diserete Fourier Transform DSP Digital Signal Processing, DVB-T2 Thigital Video Broadcasting, E Frequency Division Multiplexing Fast Fourier Transform i Inverse Discrete Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform inter-Symbol Interference L Long ‘Term Livolution M 3.2 Kich bân mô phỏng.3 Tu nhược điểm của các mê hình kênh và phạm vi áp dụng mỏ phỏng .5 Kết luận chương,. „60 CHƯƠNG 4: TTUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG VÀ CÂN BẰNG KÊNH.1 Gis thigu churong oo.2 Khôi phục kênh truyền.1 Sắp xếp chuối đữ liệu tham khảo trên miễn thời gian và tần số. Bộ lạo đữ liệu tham khảo - - 64 4.

Khôi phục kênh dùng thuật toàn Linear.4 Khôi phục kênh dùng hẻm ST.5 Khôi phục kênh dùng thuật toán Wiener.6 Quy tắc sắp xép dữ liêu tham khảo cho hệ thông MIMO - 70 4.3 M6 phéng hé sé kênh truyền ước lượng bằng phương phap Wiener, SI va Linear 72 4.4 Kết hiện chương 82 KẾT LUẬN CHỮUNG. BB TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 in ĐANH MỤC HÌNH VEL inh 1-1 a hop tin hiệu đa đường tại anten thu.4 Hinh 1-2: Tổng hợp tín hiệu đa đường ở các tân số sóng mang khác nhau. 5 Tình 1-8: Tín hiệu đa đường bị nhẫn xạ, khúc xụ về nhiều xạ do các vật chắn.ố Hình 1-4: Đáp ứng xung của kênh. nhe errre 7 Tỉnh 1-5: Hàm truyền đạt của kênh.

- - 8 nh 1-6: Đáp ủng xung của kênh phụ thuộc thời giam.c LT Hình 1-7: Ham truyền đạt của kênh không phụ thuộc tần số. L2 Hinh 1-8: Ham truyền đạt của kênh phụ thuộc lần số 13 Hinh 1-9: Phân bé dữ liệu Data va Pilot trên khe thời gian và tấn số. L3 1Iinh 1-10: Quan hệ giữa tin hiệu phát, kênh truyền và tin hiệu nhận. 14 Hình 2-1: Hệ thẳng SISO.

- - - 17? Hình 2-2: Hệ thống SLMÓ. T Tinh 2-3: IIệ thống MISO.TÓ, Hình 2-4: Hệ thắng MIMO - - - 21 Hình 2-5: Hệ thống MIMO 2x2. ni eeiierrireirieroou22 Tlinh 2-6: Ma héa STBC [6] - - 2 Hivh 2-7: Hệ thống điều chế đơn sóng mang phía phát llinh 2-8: 118 théng điểu chế đa sóng mang I*DM phia ph: linh 2-9: Sỏng mang con trục giao trong miễn thời gian. 28 Tỉnh 2-10: Phố tín hiệu sông mang trục giao trong rniển tí 29 Hình 2-11: Chèn khoảng bảo vệ ở cuối ký hiệu OFDM.

30 Tlinh 2 : Sơ để hệ thống MIMO-OFDM. Tình 2: 3: So dé didu ché GAM - - - 32 Hình 2-14: Chòm sao điều chế QAMA4. Tlinh 2-15: Chom sao điều chế QAMI6 - - - - 34 Hình 2-16: Chòm sao điều chế QAM64 1linh 2-17: Sắp xếp các ký hiệu QAM trên lưới thời gian và tân. vi DANH MỤC BẰNG BIẾU Bang 2-1 Phan chữa hệ thông thu phat can ctr vao sé lugng anten thu va phat .16 Bang 2-2 Đảng ánh xạ đữ liêu mức QAM4.

- 33 Bang 2-3 Đăng ảnh xe dữ liệu mức QAMI6. các neo 34 Bang 2-4 táng ánh xạ dữ liệu mức QAM64 —.- Bang 3-1 Tu chon mối trường mô phông I.TE Extended Vehicular A case C, băng tin3 MHz, model Co.cc ssssessesssessssseeassassnsseeeisinesnseneed4 Bang 3-2: Giá trị công suất trễ của các tuyến dựa theo môi trường mô phỏng LTE Extended Vehicular case C, băng tân S MHz, model C 54 Bang 3-3 Các tham só cho mô hình kẽnh SCM áp dụng cho môi trưởng mô phỏng sttb-urban maero cel1. - - - 55 Bang 3-4: Bang góc lệch AoA va Aol) offset tuong ứng với rừng path, kênh SCM model.SS Bang 4-1 Bang tham số giá trị chuẩn LTE danh cho kênh PDSCII - 63 Bang 4-2: Bang giá trị đầu vào mô phông cho hệ thống MIMO-OFPM khi các mô hinh kênh khác nhau. nnerree 75 Bang 4-3: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thẳng MIMO-OEDM khi thay đổi khoảng cách đặt dũ liêu piloL - - 78 Bang 4-4: Bảng giả trị dầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi sử dụng các phương pháp cân bằng kênh khác rhau.2 Kich bân mô phỏng.3 Tu nhược điểm của các mê hình kênh và phạm vi áp dụng mỏ phỏng .5 Kết luận chương,.

„60 CHƯƠNG 4: TTUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG VÀ CÂN BẰNG KÊNH.1 Gis thigu churong oo.2 Khôi phục kênh truyền.1 Sắp xếp chuối đữ liệu tham khảo trên miễn thời gian và tần số. Bộ lạo đữ liệu tham khảo - - 64 4. Khôi phục kênh dùng thuật toàn Linear.4 Khôi phục kênh dùng hẻm ST.5 Khôi phục kênh dùng thuật toán Wiener.6 Quy tắc sắp xép dữ liêu tham khảo cho hệ thông MIMO - 70 4.3 M6 phéng hé sé kênh truyền ước lượng bằng phương phap Wiener, SI va Linear 72 4.4 Kết hiện chương 82 KẾT LUẬN CHỮUNG. BB TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 in DANH MỤC BẰNG BIẾU Bang 2-1 Phan chữa hệ thông thu phat can ctr vao sé lugng anten thu va phat .16 Bang 2-2 Đảng ánh xạ đữ liêu mức QAM4.

- 33 Bang 2-3 Đăng ảnh xe dữ liệu mức QAMI6. các neo 34 Bang 2-4 táng ánh xạ dữ liệu mức QAM64 —.- Bang 3-1 Tu chon mối trường mô phông I.TE Extended Vehicular A case C, băng tin3 MHz, model Co.cc ssssessesssessssseeassassnsseeeisinesnseneed4 Bang 3-2: Giá trị công suất trễ của các tuyến dựa theo môi trường mô phỏng LTE Extended Vehicular case C, băng tân S MHz, model C 54 Bang 3-3 Các tham só cho mô hình kẽnh SCM áp dụng cho môi trưởng mô phỏng sttb-urban maero cel1. - - - 55 Bang 3-4: Bang góc lệch AoA va Aol) offset tuong ứng với rừng path, kênh SCM model.SS Bang 4-1 Bang tham số giá trị chuẩn LTE danh cho kênh PDSCII - 63 Bang 4-2: Bang giá trị đầu vào mô phông cho hệ thống MIMO-OFPM khi các mô hinh kênh khác nhau. nnerree 75 Bang 4-3: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thẳng MIMO-OEDM khi thay đổi khoảng cách đặt dũ liêu piloL - - 78 Bang 4-4: Bảng giả trị dầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi sử dụng các phương pháp cân bằng kênh khác rhau.81 Hình 3-1: Mô hình bình học phân bổ điểm tán xạ cho kênh OneRing.

41 Hình 3-3: Vòng trên tán xạ cho mỗ hình kênh OneRing Ina chon tin sé. 4 Tình 3-3: Phân bố gác điểm tắn xa Irong 1uội. cụm tân xa - 44 Hình 3-4: Hàm CCE ở phia phát B.à eerrrrreeerooe 4Ó Tĩinh 3-5: làm CCT phía thu MS. neneiaerierereeooeof) Hình 3-6: Hàm CCF 3D phía BS và MS.

- - - 47 Hình 3-7: Mỏ hình hình học phân bổ các điểm tán xạ của kênh SCM. 48 Hình 3-8: Hàm CCF phía phát với À4, =0. - - - s2 Hình 3-9: Hàm CCF phía thu với Ad, =0 s2 Hình 3-10: Hàm CCE 3D phía phát và thu 53 Hinh 3-11: Ham CCF 3 hai phia thu va phat voi md hink kénh OneRing.