Luận văn Nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của kênh truyền hồi tiếp không lý tưởng lên chất lượng của hệ thống điều chế thích ứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG ---------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN HỒI TIẾP KHÔNG LÝ TƯỞNG LÊN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH ỨNG GVHD: PGS TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN SVTH: NGUYỄN BẢO THÁI - Tp HCM, Tháng 1/2011 – iii Tóm tắt luận văn Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và đánh giá xác suất lỗi của hệ thống điều chế thích ứng với kênh truyền hồi tiếp không lý tưởng. Mô hình hệ thống điều chế thích ứng và mô hình hệ thống điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập được xây dựng và kênh hồi tiếp không lý tưởng được tạo ra. Chất lượng của hệ thống được đánh giá dựa trên kênh truyền hồi tiếp. Chất lượng của hệ thống điều chế thích ứng được đánh giá với các trường hợp xác suất lỗi khác nhau trên kênh hồi tiếp. Hệ thống điều chế thích ứng được nghiên cứu và kết hợp với hệ thống phân tập để tăng tối đa chất lượng kênh truyền cũng được đề cập tới. Phương pháp bù lỗi được đặt ra và cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc truyền dữ liệu, hình ảnh hay âm thanh. Sinh viên thực hiện Nguyễn Bảo Thái iv Mục lục Đề mục Trang Lời cảm ơn ..................................................................................................................... ii Tóm tắt luận văn ........................................................................................................... iii Mục lục ........................................................................................................................... iv Danh Sách Hình Vẽ ....................................................................................................... vi Danh Sách Bảng Biểu .................................................................................................... ix Danh mục từ viết tắt ....................................................................................................... x Chương 1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 1 1.1 Giới thiệu................................................................................................................ 2 1.2 Một số loại kênh truyền .......................................................................................... 4 1.2.1 Kênh truyền Rayleigh...................................................................................... 4 1.2.2 Kênh truyền Rician .......................................................................................... 5 1.2.3 Kênh truyền Nakagami .................................................................................... 7 Chương 2 Đặc tính của kênh truyền và mô hình kênh truyền ..................................... 9 2.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 10 2.2 Kênh truyền AWGN ............................................................................................. 11 2.3 Kênh truyền fading ............................................................................................... 16 2.3.1 Xác suất rớt ................................................................................................... 16 2.3.2 Xác suất lỗi trung bình ................................................................................... 16 2.3.3 Hàm sinh các momen .................................................................................... 17 2.4 Giải thuật mô phỏng và kết quả ............................................................................ 20 2.4.1 Giải thuật mô phỏng ...................................................................................... 21 2.4.2 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 26 2.4.3 Code mô phỏng ............................................................................................. 30 Chương 3 Điều chế thích ứng ....................................................................................... 32 3.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 33 3.2 Mô hình hệ thống .................................................................................................. 33 3.3 Các phương pháp điều chế thích ứng .................................................................... 34 3.3.1 Phương pháp thích ứng công suất và tốc độ liên tục ....................................... 35 3.3.2 Phương pháp thích ứng công suất liên tục, tốc độ rời rạc ............................... 38 3.3.3 Đảo kênh truyền với tốc độ cố định ............................................................... 42 3.3.4 Đảo kênh truyền với tốc độ rời rạc ................................................................. 46 v 3.3.5 Phương pháp thích ứng công suất rời rạc, tốc độ rời rạc ................................. 47 3.4 Khoảng thời gian fading trung bình ...................................................................... 52 3.5 Xác suất lỗi trung bình của phương pháp thích ứng công suất liên tục, tốc độ rời rạc................................................................................................................................... 53 3.5.1 Tính toán lý thuyết ......................................................................................... 53 3.5.2 Giải thuật mô phỏng và kết quả ..................................................................... 54 3.6 Ước lượng kênh truyền trễ và lỗi .......................................................................... 56 3.7 Điều chế thích ứng tổng quát ................................................................................ 59 3.7.1 Thích ứng với công suất và tốc độ liên tục ..................................................... 59 3.7.2 Thích ứng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình ................................................ 62 3.8 Code mô phỏng..................................................................................................... 67 Chương 4 Điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập .............................................. 71 4.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 72 4.2 Điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập .......................................................... 75 4.2.1 Mô hình tín hiệu và kênh truyền .................................................................... 75 4.2.2 Mô hình AMDC lợi về băng thông ................................................................ 75 4.2.3 Mô hình AMDC lợi về công suất ................................................................... 77 4.2.4 Mô hình AMDC lợi về băng thông và công suất ............................................ 78 4.3 Phương pháp AMDC option 2 .............................................................................. 81 Chương 5 Ảnh hưởng của kênh hồi tiếp không lý tưởng lên chất lượng của hệ thống điều chế thích ứng .............................................................................................. 84 5.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 85 5.2 Ước lượng lỗi trên kênh hồi tiếp ........................................................................... 86 5.3 Lỗi đường hồi tiếp trong hệ thống điều chế thích ứng ........................................... 88 5.4 Lỗi đường hồi tiếp trong hệ thống điều chế thích ứng kết hợp phân tập AMDC option 2 .......................................................................................................................... 93 5.4.1 Bù lỗi hồi tiếp ................................................................................................ 93 5.4.2 Giải thuật mô phỏng và kết quả ................................................................... 106 5.4.3 Code mô phỏng ........................................................................................... 114 Chương 6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài ................................................... 121 6.1 Kết luận .............................................................................................................. 121 6.2 Hướng phát triển của đề tài ................................................................................. 121 Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 122 vi Danh Sách Hình Vẽ Chương 1 Hình 1.1 Phân bố Rayleigh. ...................................................................................... 5 Hình 1.2 Phân bố Rician. ......................................................................................... 6 Hình 1.3 Phân bố Nakagami-m. ............................................................................... 8 Chương 2 Hình 2.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng vô tuyến. ................... 11 Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng cho kênh AWGN. ........................................................... 21 Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng cho kênh truyền fading. .................................................. 22 Hình 2.4 Phương pháp tạo kênh Rayleigh. ............................................................. 22 Hình 2.5 Phương pháp tạo kênh Rician. ................................................................. 25 Hình 2.6 Phương pháp tạo kênh Nakagami-m. ....................................................... 26 Hình 2.7 Kênh truyền AWGN với M=4. .................................................................. 27 Hình 2.8 Kênh truyền AWGN với M=8. .................................................................. 27 Hình 2.9 Kênh truyền Rayleigh cho tín hiệu MQAM với M=4, M=16 và M=64. .... 28 Hình 2.10 Kênh truyền Rician cho tín hiệu MQAM................................................. 29 Hình 2.11 Kênh truyền Nakagami cho tín hiệu MQAM. .......................................... 29 Chương 3 Hình 3.1 Mô hình hệ thống. .................................................................................... 34 Hình 3.2 Hiệu suất phổ trong kênh truyền log-normal. ........................................... 39 Hình 3.3 Hiệu suất phổ trong kênh truyền Rayleigh. .............................................. 39 Hình 3.4 Kênh Rayleigh. Mỗi giá trị SNR chỉ có tương ứng một giá trị thỏa (3.20). ............................................................................................................................. 43 Hình 3.5 Kênh log-normal. Mỗi giá trị SNR chỉ có tương ứng một giá trị thỏa (3.20). ..................................................................................................................... 44 Hình 3.6 Mỗi giá trị SNR chỉ có tương ứng một giá trị để cực đại hiệu suất phổ. ................................................................................................................................ 45 Hình 3.7 Hiệu suất phổ của các phương pháp thích ứng khác nhau, kênh truyền Rayleigh.......................................................................................................................... 45 Hình 3.8 Kiểu thích ứng công suất liên tục tốc độ rời rạc, kênh truyền log- normal. ........................................................................................................................... 47 Hình 3.9 Kiểu thích ứng công suất liên tục, tốc độ rời rạc, kênh truyền Rayleigh. .. 48 Hình 3.10 Kiểu thích ứng công suất và tốc độ rời rạc, kênh truyền log-normal. ..... 49 vii Hình 3.11 Kiểu thích ứng công suất và tốc độ rời rạc, kênh truyền Rayleigh. ......... 49 Hình 3.12 Hiệu suất phổ với các kiểu thích ứng khác nhau, kênh truyền log- normal. ........................................................................................................................... 51 Hình 3.13 Hiệu suất phổ với các kiểu thích ứng khác nhau, kênh truyền Rayleigh. . 51 Hình 3.14 Giải thuật mô phỏng .............................................................................. 55 Hình 3.15 Xác suất lỗi trong kênh truyền log-normal. ............................................ 56 Hình 3.16 Xác suất lỗi trong kênh truyền Rayleigh. ................................................ 56 Hình 3.17 Ảnh hưởng của ước lượng lỗi lên BER. .................................................. 58 Hình 3.18 Ảnh hưởng của ước lượng trễ lên BER. .................................................. 59 Hình 3.19 Các biên xác suất lỗi khác nhau cho tín hiệu MPSK. ............................. 62 Hình 3.20 Thích ứng công suất cho các biên xác suất lỗi khác nhau của tín hiệu MPSK. ............................................................................................................................ 64 Hình 3.21 Giá trị tối ưu của . ............................................................................... 66 Hình 3.22 Hiệu suất phổ của một số kiểu thích ứng khác nhau. .............................. 67 Chương 4 Hình 4.1 Mô hình AMDC lợi về băng thông. .......................................................... 77 Hình 4.2 Mô hình AMDC lợi về công suất. ............................................................. 79 Hình 4.3 Mô hình AMDC lợi về băng thông và công suất. ...................................... 80 Chương 5 Hình 5.1 Mô hình kênh truyền cho hệ thống điều chế thích ứng. ............................. 85 Hình 5.2 Mô hình kênh truyền cho hệ thống điều chế thích ứng kết hợp phân tập. .. 86 Hình 5.3 Giá trị của ngưỡng 2 và 3 theo ngưỡng 1. ................................................ 90 Hình 5.4 Giá trị có thể đạt được của xác suất lỗi.................................................... 91 Hình 5.5 Hiệu suất phổ của hệ thống điều chế thích ứng. ....................................... 91 Hình 5.6 Giải thuật mô phỏng của hệ thống điều chế thích ứng trong trường hợp có lỗi trên kênh hồi tiếp. ................................................................................................. 92 Hình 5.7 Giải thuật bù lỗi cho phương pháp AMDC option 2. ................................ 95 Hình 5.8 Cách tính cận cho trường hợp . ....................................................... 99 Hình 5.9 Cách tính cận cho trường hợp . ....................................................... 99 Hình 5.10 Cách tính cận cho trường hợp . .............................................. 98 Hình 5.11 Giải thuật mô phỏng cho hệ thống điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập. ....................................................................................................................... 108 Hình 5.12 Số đường kết hợp cho hệ thống điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập. ............................................................................................................................... 109 Hình 5.13 Hiệu suất phổ cho hệ thống điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập. ............................................................................................................................... 110 viii Hình 5.14 Xác suất lỗi cho hệ thống điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập.. 111 Hình 5.15 Xác suất lỗi lý thuyết của hệ thống điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập. ....................................................................................................................... 111 Hình 5.16 Hình ảnh trước khi truyền. ................................................................... 112 Hình 5.17 Hình ảnh thu được khi kênh hồi tiếp lý tưởng. ...................................... 112 Hình 5.18 Hình ảnh thu được khi không bù lỗi hồi tiếp......................................... 113 Hình 5.19 Hình ảnh thu được khi có bù lỗi hồi tiếp. ............................................. 113 ix Danh Sách Bảng Biểu Chương 3 Bảng 3.1 Tính toán thích ứng công suất và tốc độ cho 5 vùng. .......................... 40 Bảng 3.2 Thời gian fading trung bình cho từng vùng, kênh truyền Rayleigh. .. 52 Chương 5 Bảng 5.1 Xác suất chuyển tiếp cho kênh truyền Rayleigh với các giá trị BER trung bình khác nhau. .................................................................................................. 88 . x Danh mục từ viết tắt BPSK Binary Phase Shift Keying QPSK Quadrature Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation MPAM Pulse-Amplitude Modulation MPSK Multiple Phase Shift Keying MQAM Multiple Quadrature Amplitude Modulation BER Bit Error Ratio CSI Channel State Information LOS Line-Of-Sight AWGN Additive White Gaussian Noise ARMA Autoregression and Moving Average SNR Signal-to-Noise Ratio MGF Moment-Generating Function GSM Global System for Mobile Communications EGPRS Enhanced General Packet Radio Service CDMA Code Division Multiple Access WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access SC Selection Combining MRC Maximal Ratio Combining EGC Equal Gain Combining SSC Switch-And-Stay Combining GSC Generalized Selection Combining AT-GSC Absolute Threshold Generalized Selection Combining NT-GSC Normalized Threshold Generalized Selection Combining MS-GSC Minimum Selection Generalized Selection Combining AMDC Adaptive Modulation and Diversity Combining IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers MEDS Method of Exact Doppler Spread GVHD: HOÀNG ĐÌNH CHIẾN 1 Chương 1 Giới thiệu chung Nội dung 1.1 Giới thiệu 1.2 Một số loại kênh truyền 1.2.1 Kênh truyền Rayleigh 1.2.2 Kênh truyền Rician 1.2.3 Kênh truyền Nakagami Chương 1 Giới thiệu chung GVHD: HOÀNG ĐÌNH CHIẾN 2 1.1 Giới thiệu Điều chế thích ứng có được những ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế do mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao. Có thể thấy ở một một số chuẩn vô tuyến như IEEE 802.11a, mã hóa và điều chế biến đổi tốc độ được dùng với kiểu điều chế thay đổi từ BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM và làm cho tốc độ dữ liệu cực đại là 54Mbps trên mỗi kênh truyền. Cũng có thể thấy điều chế MQAM được dùng trong mạng Ad Hoc. Mạng không dây Ad Hoc là một tập hợp các điểm kết nối di động không dây tự cấu hình thành một mạng không dây mà không cần sự trợ giúp của một cơ sơ hạ tầng thiết lập sẵn. Ngoài ra ta cũng có thể thấy ứng dụng của hệ thống điều chế thích ứng với tín hiệu MQAM trong WiMAX. Điều chế thích ứng yêu cầu bộ phát phải biết được trạng thái của kênh truyền và điều này yêu cầu bộ thu ước lượng kênh truyền sau đó gửi thông tin này cho bên phát để lựa chọn kiểu điều chế thích hợp. Điều chế thích ứng là một giải pháp hiệu quả cho truyền dẫn tin cậy và mang lại hiệu quả về băng thông. Hầu hết những nghiên cứu về điều chế thích ứng trước đây đều giả sử kênh truyền hồi tiếp không có lỗi để dễ phân tích. Tuy nhiên trong hoàn cảnh thực tế, điều giả sử lí tưởng này không hợp lí, ví dụ phương pháp kiểm soát lỗi đủ mạnh không thể thực hiện trên kênh truyên hồi tiếp vì kênh hồi tiếp có hạn chế về băng thông và tốc độ. Khi lỗi hồi tiếp xuất hiện, máy phát sẽ dùng kiểu điều chế khác so với kiểu điều chế mà máy thu đã chọn. Trong trường hợp này cho dù máy thu có thể biết được kiểu điều chế sẽ thu nhờ phần đầu của đoạn dữ liệu được truyền và cấu hình lại bộ thu cho tương ứng, xác suất lỗi tức thời của hệ thống có thể trở nên không chấp nhận được. Gần đây đã có một số nghiên cứu về ảnh hưởng của kênh hồi tiếp không lí tưởng lên chất lượng của hệ thống và một số phương pháp phát hiện lỗi hồi tiếp được đưa ra nhằm làm giảm sự suy giảm chất lượng và hạn chế vùng gián đoạn do lỗi đường hồi tiếp. Trong luận văn này, phương pháp được dùng là sử dụng phân tập thu thích ứng để bù cho sự suy giảm chất lượng hệ thống do kênh truyền hồi tiếp không lí tưởn