ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN MẠNH ĐỨC ỨNG DỤNG MÃ NON-BINARY LDPC VÀO HỆ THỐNG MIMO SỬ DỤNG MÃ HÓA STF Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số : 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN TS. ĐẶNG THÀNH TÍN Cán bộ chấm nhận xét 1: . (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: . (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. tháng…… năm…… Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Độc lập - Tự do - Hạnh Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng …… năm ……… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Đức…………………………Phái: Nam…………. Ngày, tháng, năm, sinh: 04/11/1986……………………….Nơi sinh: Hưng Yên…… Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử…………………………. I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ NON-BINARY LDPC VÀO HỆ THỐNG MIMO SỬ DỤNG MÃ HÓA STF II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu về hệ thống kênh truyền thông tin vô tuyến, bộ mã Non-binary LDPC, hệ thống MIMO, các loại mã hóa ST,SF, STF. Đề xuất mô hình hệ thống thông tin có sự kết hợp của bộ mã Non-binary LDPC vào hệ thống MIMO – STF. - Đánh giá chất lượng của mô hình này trong các trường hợp khác nhau để chỉ ra được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi có sử dụng bộ mã Non-binary LDPC được cải thiện đáng kể so với khi không dùng bộ mã, chứng minh được tính tối ưu của bộ mã khi kết hợp với mã hóa STF trong hệ thống MIMO. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012 V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN TS. ĐẶNG THÀNH TÍN Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) LÔØI CAÛM ÔN Em xin gôûi ñeán PGS. Phaïm Hoàng Lieân lôøi caûm ôn chaân thaønh vôùi söï traân troïng vaø loøng bieát ôn saâu saéc veà söï höôùng daãn ñaày chu ñaùo vaø nhieät tình. Coâ ñaõ daãn daét, taïo cho em caùch tö duy vaø laøm vieäc moät caùch khoa hoïc, höôùng em ñeán caùc ñeà taøi khoa hoïc môùi meûõ, tieáp caän vôùi caùc coâng ngheä hieän ñaïi. Em xin chaân thaønh caûm ôn TS. Ñaëng Thaønh Tín ñaõ höôùng daãn vaø giuùp ñôõ em trong suoát quaù trình thöïc hieän luaän vaên. Em xin caûm ônø caùc thaày coâ ngaønh Kyõ Thuaät Ñieän Töû ñaõ heát loøng daïy doã vaø truyeàn ñaït cho em nhöõng kieán thöùc quyù baùu. Con xin gôûi ñeán cha meï loøng kính troïng vaø bieát ôn saâu saéc nhaát. Cha meï ñaõ nuoâi naáng, daïy doã con neân ngöôøi vaø laø choã döïa tinh thaàn vöõng chaéc cho con trong cuoäc ñôøi. Toâi xin caûm ôn caùc baïn ñaõ cuøng hoïc taäp, giuùp ñôõ, ñoäng vieân vaø cuøng toâi böôùc treân con ñöôøng nghieân cöùu naøy. Hoà Chí Minh, thaùng 11 naêm 2012 Hoïc vieân Nguyeãn Maïnh Ñöùc LỜI CAM ĐOAN Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, Springer, từ các Ebook về hệ thống MIMO, các ebook về mã không gian thời gian, mã LDPC ứng dụng trong truyền thông không dây, các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo. Những kết quả nêu ra trong đồ án là thành quả lao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn PGS. Phạm Hồng Liên và TS. Đặng Thành Tín, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè lớp cao học điện tử 2011. Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép lại bất kì một công trình nào đã có từ trước. TÓM TẮT LUẬN VĂN Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) đã được Gallager đề xuất đầu tiên vào năm 1963[1]. Sau đó nó được đề xuất lại vào năm 1996 bởi Makay và Neal[2]. Davey và Makay khi đó cũng đã mở rộng việc phát triển bộ mã thông qua trường Galois, và cũng chứng minh được rằng việc hình thành bộ mã thông qua một trường không nhị phân sẽ giúp tăng đáng kể hiệu suất của bộ mã. Mặt khác, một vấn đề đáng quan tâm trong các hệ thống thông tin di động đó là hiện tượng fading làm cho chất lượng tín hiệu xấu đi. Một trong các phương pháp để khắc phục vấn đề này là sử dụng các kỹ thuật phân tập. Cùng với kỹ thuật phân tập không gian bằng cách sử dụng nhiều anten, phân tập tần số và phân tập thời gian cũng giúp ích rất nhiều trong việc cải thiện chất lượng hệ thống, tùy vào các điều kiện kênh truyền. Các phương pháp sử dụng các kỹ thuật phân tập tương ứng có thể được gọi là mã hóa không-thời gian (ST), mã hóa không gian-tần số (SF) và mã hóa không gian-thời gian-tần số (STF). Trong luận án này, một hệ thống kết hợp bộ mã NB-LDPC với hệ thống MIMO sử dụng mã hóa STF được khảo sát. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trong các trường hợp khi có sử dụng bộ mã NB-LDPC và khi không sử dụng bộ mã NB- LDPC để dễ dàng so sánh và đưa ra kết luận. Luận văn đã sử dụng bộ mã NB- LDPC qua các trường GF(8) và GF(16), mô hình kênh truyền là COST207, các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK để tiến hành mô phỏng. Luận văn tiến hành mô phỏng trên các hệ thống SIMO, MISO, MIMO với số lượng các anten thu phát khác nhau. Thông qua các kết quả mô phỏng đã chứng mình được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi có sử dụng bộ mã NB-LDPC được cải thiện đáng kể so với khi không sử dụng bộ mã NB-LDPC. ABSTRACT Low Density Parity Check codes (LDPC) were first discovered by Gallager in 1963[]. The codes were re-discovered by Makay and Neal in 1996. Davey and Makay then extended the codes to arbitrary Galois fields and shown that by defining the code over non-binary alphabets a performance increase may be achieved. Otherwise, an another problem in the mobile communication system is the fading effects which makes the signal quality was deteriorated. One of the methods to overcome this problem is to use the diversity technical. Along with spatial diversity due to multiple antennas, frequency diversity and time diversity may also be available to the system, depending on the channel conditions. Schemes that utilise this diversity are called space-time (ST) codes, space-frequency (SF) codes and space-time-frequency (STF) codes. In this dessertation, a system combining NB-LDPC codes with a MIMO system using STF codes is proposed. In the simulation, we performed simulation in two cases, when using NB-LDPC codes and when not using NB-LDPC codes. Comparing simulation results and drawing conclusions. The thesis used irregular LDPC codes over GF(8) and GF(16), COST207 chanel model to simulate. A lot of method modulations were used to simulate as BPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK. The simulation results concentrated on SIMO, MISO and MIMO systems with the different number of antennas. By the simulation results, we have demonstrated that the ability of controling error of system which used NB-LDPC codes was improved more than the system which not used NB-LDPC codes. MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT. 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU . 2 DANH SÁCH HÌNH VẼ . 3 CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ .1 Nghiên cứu tổng quan .2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .1 Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.4 Bố cục luận văn . 9 CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN .1 Các cơ chế lan truyền của tín hiệu .2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền .1 Hiệu ứng đa đường (Multipath).2 Hiệu ứng Doppler .3 Suy hao trên đường truyền .4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) .3 Các mô hình thống kê của kênh truyền fading . 15 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ BỘ MÃ NB – LDPC .1 Lý thuyết trường hữu hạn Galois .1 Cách biểu diễn phần tử trong trường hữu hạn.2 Tính toán trên trường hữu hạn.2 Tổng quan về bộ mã NB-LDPC.1 Giải thuật tổng tích cho bộ mã LDPC .2 Giải thuật Tổng – Tích cho giải mã NB-LDPC [3] . 27 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO .1 Dung lượng hệ thống .1 Dung lượng kênh SISO .2 Dung lượng kênh MISO và SIMO .3 Dung lượng hệ thống MIMO: .2 Các kĩ thuật phân tập .1 Phân tập thời gian .2 Phân tập không gian.3 Phân tập tần số .1 Alamouti 2 anten phát 1 anten nhận .2 Sơ đồ Alamouti mở rộng.4 Mã không gian – Thời gian – Tần số (STF) . 45 CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH MIMO-STF KẾT HỢP MÃ HÓA NB-LDPC VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng .2 Một số kết quả mô phỏng .1 Ảnh hưởng số lần lặp giải mã .2 Hiệu quả bộ mã NB_LDPC với các kiểu điều chế .3 Bộ mã áp dụng trên các hệ thống SIMO, MISO, MIMO .4 Mô phỏng hệ thống phân tập phát………………………………….5 Mô phỏng hệ thống phân tập thu…………………………………….6 Hệ thống phân tập theo số đường Fading .7 Hệ thống phân tập theo số khối OFDM . 74 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 77 TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC………………………………………….80 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử CBHD : PGS. Phạm Hồng Liên TS. Đặng Thành Tín DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ISI Inter Symbol Interference OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing LDPC Low Density Parity Check Code NB-LDPC Low Density Parity Check Code BPSK Binary Phasee Shift Keying QPSK Quadrature Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation MIMO Multi Input Multi Output SNR Signal Noise Rate SPA Sum Product Algorithm GF Galois Field SD Sphere Decoder AWGN Additive White Gaussian Noise ML Maximum Likelihood STBC Space–time block code STFC Space-Time-Frequency Coding SISO Single-Input Single-Output MISO Multi Input Single Output SIMO Single Input Multi Output MRC Maximal Ratio Combiner CSI Channel State Information BER Bit Error Rate - -1- HVTH: Nguyễn Mạnh Đức Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử CBHD : PGS. Phạm Hồng Liên TS. Đặng Thành Tín DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 5. 1 Thông số mô phỏng hiệu quả bộ mã với các kiểu điều chế . 2 So sánh BER bộ mã NB-LDPC với các kiểu điều chế khác nhau .
