Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN Người thực hiện : Lớp : Người hướng dẫn : Đà Nẵng - 2012 LỜI CAM ĐOAN Em tên là : Lớp : Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Đề tài tốt nghiệp của em là “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Nội dung đồ án được tham khảo rút ra từ các tài liệu tham khảo đã liệt kê ở cuối đồ án. Em xin cam đoan nội dung này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012 Sinh viên thực hiện Lời mở đầu Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO – OFDM, anten thông minh giúp nâng cao hơn nữa chất lượng hệ thống. Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian. Trong đó phân tập không gian được sử dụng phổ biển. Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm 3 loại: phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp cả thu và phát. Cùng với kỹ thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được sử dụng để bên thu có thể xác định được thông tin truyền đi từ bên phát. Trong quá trình tìm hiểu, em đã chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Đây là giải pháp kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bit (BER). Nội dung đồ án gồm 4 chương, trong đó 3 chương lý thuyết và một chương thực hiện mô phỏng chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab. Chương 1 : Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM. Hệ thống 4G được xem là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ. Với việc sử dụng các công nghệ tiên tiến trong đó có công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM đã giúp cho hệ thống 4G đạt được những tính năng ưu việt trên. Nội dung chương 1 sẽ phân tích mô hình hệ thống OFDM cũng như các ưu điểm, nhược điểm của công nghệ này mang lại cho hệ thống 4G. Lời mở đầu Trang 2 Chương 2 : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM. Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn. Nội dung chương trình bày về đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu trắng AWGN. Bên cạnh đó còn trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu. Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, các kỹ thuật phân tập được sử dụng trong hệ thống 4G. Phân tập thu gồm các kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC giúp bên thu chọn lọc hoặc kết hợp các tín hiệu trên các anten thu nhằm tái tạo tín hiệu phát tốt nhất. Ngoài ra, chương này còn trình bày về các kỹ thuật phân tập phát mã hóa không gian-thời gian với mô hình Alamouti, nhờ nó mà chất lượng hệ thống được cải thiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone. Chương 4 : Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực hiện mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G thông qua việc truyền và nhận tín hiệu vô tuyến trên cơ sở sử dụng công nghệ OFDM kết hợp các kỹ thuật phân tập và ước lượng kênh truyền. Qua đó, đánh giá kết quả mô phỏng và đối chiếu với lý thuyết đã trình bày. Tuy nhiên, đây là một đề tài khá phức tạp, điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bày đồ án này của em không thể tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy em trong suốt thời gian qua và đặc biệt cảm ơn ThS. Dư Quang Bình đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012 Sinh viên thực hiện Các từ viết tắt Trang 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT A AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng AM Amplified Modulation Điều biên A/D Analog/ Digital Bộ chuyển đổi tương tự/ số B BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha 2 mức. C CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp D DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh. D/A Digital/ Analog Bộ chuyển đổi số/ tương tự E EGC Equal Gain Combining Kết hợp cân bằng độ lợi F FFT Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh. G GI Guard Interval Chuổi bảo vệ I ICI Inter-carrier interference Nhiễu liên sóng mang IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng IMD Inter Modulation Distortion Nhiễu liên điều chế M MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại O Các từ viết tắt Trang 4 OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia division mutiplex theo tần số trực giao. P P/S Parallel to Serial C/đ song song sang nối tiếp PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Q QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương. Modulaion QPSK Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK S S/P Serial to Parallel C/Đ nối tiếp sang song song SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. STBC Space time coding Mã hóa không gian thời gian SC Selection Combining Kết hợp lựa chọn Mục lục Trang 5 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. 3 MỤC LỤC ................................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM ........................................................................................................................ 8 1.1 Giới thiệu chương .......................................................................................... 8 1.2 Tổng quan hệ thống 4G.................................................................................. 8 1.3 Công nghệ OFDM ......................................................................................... 9 1.3.1 Tính trực giao trong OFDM ........................................................................ 10 1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM ..................................................................................... 13 1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM ............................................................................ 14 1.3.4 Chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial ............................................ 14 1.3.5 Điều chế sóng mang con .............................................................................. 15 1.3.6 Bộ IFFT và FFT ........................................................................................... 16 1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ .................................................................................... 18 1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D .............................................................................. 22 1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM .......................................................... 22 1.3.9.1 Ưu điểm ....................................................................................................... 22 1.3.9.2 Nhược điểm ................................................................................................. 22 1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam .................................................. 23 1.4 Kết luận chương .......................................................................................... 23 CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM ........................ 24 2.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 24 2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM ........................................ 24 2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn ....................... 25 2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading ...................................................................... 25 2.3.2 Hiệu ứng Doppler ........................................................................................ 28 2.3.3 Nhiễu trắng AWGN ..................................................................................... 29 2.3.4 Nhiễu ISI ..................................................................................................... 31 Mục lục Trang 6 2.3.5 Nhiễu ICI ..................................................................................................... 33 2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền .................................................................. 34 2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền ................................................................ 34 2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood ............................. 34 2.5 Kết luận chương .......................................................................................... 37 CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP .................................................... 38 3.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 38 3.2 Kỹ thuật phân tập thu .................................................................................. 38 3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu.................................................................. 38 3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu ............................................................................ 39 3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC......................................................................... 39 3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC ......................................................................... 40 3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC............................................................................. 41 3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC ............................................................................ 42 3.3 Kỹ thuật phân tập phát ................................................................................. 43 3.3.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập phát ................................................................ 43 3.3.2 Một số đặc điểm của kỹ thuật phân tập phát ............................................... 43 3.3.3 Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian ................... 44 3.3.3.1 Hệ thống mã hóa không gian- thời gian ...................................................... 44 3.3.3.2 Mô hình hệ thống Alamouti ........................................................................ 46 3.3.3.3 Mô hình hệ thống Alamouti mở rộng 2 anten phát và 2 anten thu .............. 52 3.3.3.4 Mô hình Alamouti mở rộng có 2 anten phát và M anten thu ...................... 55 3.4 Kết luận chương .......................................................................................... 58 CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G .. 59 4.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 59 4.2 Mô phỏng các thuật toán kỹ thuật phân tập thu anten ................................. 59 4.2.1 Thuật toán Threshold Combining ................................................................ 59 4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 59 4.2.1.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 60 4.2.2 Thuật toán Selection Combining ................................................................. 62 Mục lục Trang 7 4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 62 4.2.2.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 63 4.2.3 Thuật toán Equal Gain Combining .............................................................. 64 4.2.3.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 64 4.2.3.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 65 4.2.4 Thuật toán Maximal Ratio Combining ........................................................ 66 4.2.4.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 66 4.2.4.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 67 4.2.5 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống ...................................................... 68 4.3 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC ............... 70 4.3.1 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC với đáp ứng kênh truyền hoàn hảo ......................................................................................... 70 4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 70 4.3.1.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 71 4.3.2 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC có kết hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood) .......................... 72 4.3.2.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 72 4.3.2.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 73 4.3.3 Mô phỏng hệ thống STBC khi thay đổi bậc điều chế MQAM .................... 75 4.4 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống khi sử dụng phương pháp phân tập thu và phương pháp phân tập phát ........................................................................... 76 4.5 Kết luận chương .......................................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79 PHẦN PHỤ LỤC Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM Trang 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ tiên tiến nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nên móng cho một thế hệ mới, mà hiện nay gọi là thế hệ thứ 4 (4G). 4G được định nghĩa là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ. Để hiểu rõ hơn, chương này sẽ trình bày lý do thúc đẩy sự ra đời cũng như các tính năng đặc biệt của hệ thống 4G. Bên cạnh đó, nội dung của chương còn đi sâu phân tích về công nghệ OFDM sử dụng trong hệ thống. Đây là một công nghệ tiên tiến thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nó cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát. Nhờ các tính năng ưu việt này mà công nghệ OFDM trở thành một trong những công nghệ hàng đầu được sử dụng trong hệ thống 4G. 1.2 Tổng quan hệ thống 4G Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lượng cao hơn. Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế ( ITU) đã làm việc để hướng đến một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G. Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện tương tác, internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền cũng như tính di động toàn cầu cao hơn. Các tính năng này không có ở hệ thống 3G hiện nay. Ngoài ra, vấn đề về phổ tần cũng là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu 4G trên thế giới. Vì phổ tần là nguồn tài nguyên vô tuyến cơ bản nhưng giới hạn cho các công nghệ không dây. Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp 10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại. Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá cả rẻ hơn so với 3G vì nó đuợc xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất chi phí khi chuyển đổi thiết bị. Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM Trang 9 v Các tham số cơ bản của hệ thống 4G · Hệ thống 4G đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu lên đến 100 Mbps. · Mạng lõi hoàn toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là nó hoàn toàn sử dụng phương thức chuyển mạch gói. · Vận tốc di chuyển lớn nhất 200 km/ giờ. · Để đáp ứng các yêu cầu mới đưa ra cần các hệ thống băng rộng với độ rộng băng tần lớn hơn đáng kể so với hệ thống 3G. Băng tần cho hệ thống 4G sẽ là 2 GHz đến 8 GHz với độ rộng băng tần từ 5MHz đến 8 Mhz. Các tham số này đến thời điểm hoàn thiện hệ thống 4G có thể thay đổi, nhưng nó minh họa rõ sự khác biệt giữa hệ thống 3G và 4G. Tốc độ truyền số liệu, yêu cầu cho hệ thống 4G có thể đạt được nhờ việc sử dụng sơ đồ W- OFDM. Sơ đồ mạng nội vùng với ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Wi- Lan’s Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đây là sơ đồ cho phép truyền đồng thời các dòng số liệu tốc độ lớn được mã hóa ở các tần số cao. Điều này cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát. 1.3 Công nghệ OFDM Công nghệ OFDM là một trong những công nghệ chính được sử dụng trong hệ thống 4G. Nó được R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Công nghệ OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh. OFDM là một dạng của điều chế đa sóng mang làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N. Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn. Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ mạng IP, biến đổi và mã hóa dữ liệu trước khi điều chế. Một bộ IFFT ( Inverse Fast Fourier Transform) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự và được gửi đến bộ thu RF. Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này. Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM Trang 10 các sóng mang con khác. OFDM cung cấp liên kết và chất lượng thông tốt hơn các công nghệ truyền dẫn khác. 1.3.1 Tính trực giao trong công nghệ OFDM Đây là tính chất rất quan trọng của tín hiệu OFDM, cho thấy được sự tiết kiệm phổ tần khi sử dụng công nghệ OFDM. Hình vẽ dưới đây so sánh mức chiếm phổ của kỹ thu