Luận văn Nghiên cứu kỹ thuật MIMO-OFDM ứng dụng trong hệ thống thông tin không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO LUẬN VĂN CAO HỌC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY CBHD: TS. TRẦN HOÀI TRUNG HVTH: PHẠM MINH TRIẾT LỚP : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ K16 HCM-12/2011 1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Ưu điểm: Chống được fading chọn lọc tần số, nhiễu liên ký tự (ISI)… Nhược điểm: PAPR lớn, rất nhạy với hiệu ứng Doppler, hiệu suất sử dụng đường truyền giảm. Kỹ thuật sử dụng đa anten phát đa anten thu (MIMO) Ưu điểm: Tăng dung lượng kênh truyền, tăng tốc độ dữ liệu, giảm được xác suất lỗi bit… Nhược điểm: Hạn chế ở hệ thống băng rộng, khi tốc độ dữ liệu tăng dẫn đến nhiễu liên ký tự cũng tăng. Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng lớn, tốc độ cao, hạn chế nhiễu, sử dụng băng thông hiệu quả… Mục tiêu của đề tài 2 Chương I: Tổng quan về hệ thống di động không dây. Chương II: Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao. Chương III: Hệ thống đa anten phát đa anten thu. Chương IV: Kết hợp kỹ thuật OFDM với hệ thống MIMO ứng dụng trong hệ thống thông tin không dây. Kết luận hướng phát triển đề tài. Nội dung của đề tài 3 Tổng quan về hệ thống không dây SISO MISO SIMO Chương I 4 Nối tiếp/ Song song Điều chế IFFT Song song/ nối tiếp Khoảng bảo vệ D/A Kênh c(t) Song song/ nối tiếp Giải điều chế FFT Nối tiếp/ song song Tách khoảng bảo vệ A/D Cân bằng + Dữ liệu vào Dữ liệu ra OFDM TRUYỀN OFDM NHẬN nd n X nx T nx ns ( )s t ( )n t ( )r tnr ~ T nx ~ nx ~ nXnX  nd  Hệ thống OFDM Chương II 5 C = log2 (1+M.N.SNR) bit/s/Hz Mã hóa Điều chế Điều chế Điều chế S/P MIMO nhận Hệ thống MIMO Chương III 6 Nguồn thông tin Mã khối KG-TG S/P Bộ thu STBC ( Space Time Block Codes): Khai thác độ lợi phân tập không gian và phân tập thời gian. Mã STBC được đưa ra dưới dạng ma trận. Mã khối không gian - thời gian Chương III 7 r~ r 1h 2h 1 Tx 2Tx             * 12 * 21 21 cc cc cc  21 nn Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu với các symbols phát và thu. 1c 4c * 3c * 2c 6c * 5c 5c * 6c 2c * 1c 3c * 4c 2r 3r 4r1r 5r 6r 1Tx 2Tx 1Rx 1T 2T 3T 4T 5T 6T Sơ đồ Alamouti Chương III 8 1Tx 2Tx 3Tx 1Rx 2Rx 3Rx Dữ liệu Dữ liệu Mã hóa V- BLAST Giải mã V- BLAST Phía phát: Sẽ sắp xếp các bit thành symbols và chia thành Nt luồng dữ liệu con, và được phát đồng thời trên Nt anten phát. Phía thu: Mỗi anten sẽ thu được từ Nt anten phát và được xử lý bằng giải thuật V_BLAST đó là Zero-Forcing hay MMSE. Mã hóa V-BLAST Chương III 9 rLoại trừ luồng 1 Bộ thu ZF 1 Giải mã luồng 1 Bộ thu ZF 2 Giải mã luồng 2 Loại trừ luồng 1, 2 Bộ thu ZF 3 Giải mã luồng 3 Loại trừ luồng 1, 2,3…Nt-1 Bộ thu ZF Nt Giải mã luồng Nt  1x  2x  3x  N tx . . . . . . . . . Bộ thu V_BLAST Zero-Forcing Chương III 10 rLoại trừ luồng 1 Bộ thu MMSE 1 Giải mã luồng 1 Bộ thu MMSE 2 Giải mã luồng 2 Loại trừ luồng 1, 2 Bộ thu MMSE 3 Giải mã luồng 3 Loại trừ luồng 1, 2,3…Nt-1 Bộ thu MMSE Nt Giải mã luồng Nt  1x  2x  3x  N tx . . . . . . . . . Bộ thu V_BLAST MMSE Chương III 11 Mã hóa STC Giải mã STC Điều chế Điều chế OFDM Truyền OFDM Truyền OFDM Truyền OFDM Nhận OFDM Nhận OFDM Nhận 1X T 2X T nX T 1R T 2R T nR T Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO- OFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát và NR anten thu. Hệ thống MIMO-OFDM Chương IV 12 Điều chế . . . 1(1)X 1(2)X 1( )X N (.)* IFFT IFFT CP1 *2F X  CP1 *1F X  . . . 2 (1)X 2 (2)X 2 ( )X N -(.)* IFFT IFFT CP 1 * 1F X  CP 1 2F X  + . . . 1(1)y 1(2)y 1( )y N S/P Tách CP FFT . . . 2 (1)y 2 (2)y 2 ( )y N FFT Bộ kết hợp Giải điều chế Bộ ước lượng 1 2[ , ]n n Tx 1 Tx 2 Máy phát Máy thu Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Chương IV 13 Điều chế Bộ truyền OFDM Bộ truyền OFDM Bộ truyền OFDM 1X 2X NX Tx1 Tx2 TxN . . . . . . Khối mã hóa STC trong trường hợp này chỉ là một bộ S/P chia luồng dữ liệu lớn thành NT luồng dữ liệu nhỏ, sau đó NT luồng này được đưa vào NT bộ phát OFDM. Khối mã hóa STC Hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST Chương IV 14 Giải mã ZF/MM SE Giải mã ZF/MM SE Giải mã ZF/MM SE Giải mã ZF/MM SE Nt x N Symbol Sóng mang phụ Giải điều chế Dữ liệu Khối giải mã STC Bộ thu OFDM Bộ thu OFDM Bộ thu OFDM RX 1 RX 2 RX N Hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST Chương IV 15 Kết quả mô phỏng Hệ thống MIMO Alamouti với hai anten truyền một anten nhận và hai anten truyền hai anten nhận. 16 Kết quả mô phỏng Hệ thống MIMO V_BLAST ZF và MIMO V_BLAST MMSE. 17 Kết quả mô phỏng Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti và MIMO-OFDM V_BLAST. 18 MIMO là một phương thức truyền dẫn dữ liệu mới cho phép tăng nhanh dung lượng của kênh truyền vô tuyến. OFDM để chuyển kênh truyền băng rộng fading chọn tần số thành nhiều kênh truyền fading phẳng băng hẹp và triệt nhiễu nhờ chèn thêm khoảng bảo vệ có chiều dài lớn hơn độ trễ của kênh truyền. Với việc kết hợp hệ thống MIMO với kỹ thuật OFDM và đặc biệt là hai mô hình Alamouti và mô hình V_BLAST cho phép tăng dung lượng và chất lượng của hệ thống một cách đáng kể. Kết luận 19 20