Luận văn:Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập để nâng cao chất lượng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G/LTE)

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

111
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phân tập là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau. Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward error correction) cùng với kỹ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập để nâng cao chất lượng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G/LTE)

1 2 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Đ I H C ĐÀ N NG NGUY N VĂN THAO Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. NGUY N LÊ HÙNG NGHIÊN C U CÁC K THU T PHÂN T P Đ NÂNG CAO CH T LƯ NG H TH NG THÔNG TIN Ph n bi n 1: PGS.TS. TĂNG T N CHI N DI Đ NG TH H TH 4 (4G/LTE) Ph n bi n 2: TS. NGÔ VĂN S Chuyên ngành: K thu t Đi n t Mã s : 60.52.70 Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 21 tháng 7 năm 2012 Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Nguy n Lê Hùng *. Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng Đà N ng, Năm 2012 - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng
3 4 M Đ U ñó d n ñ n tín hi u nh n ñư c t i máy thu s y u hơn nhi u so v i tín hi u t i máy phát, làm gi m ñáng k ch t lư ng truy n thông. 1. TÍNH C P THI T C A Đ TÀI Trong h th ng thông tin di ñ ng, k thu t phân t p ñư c s H th ng thông tin di ñ ng th h th 3 (3G) ñư c tiêu chu n d ng ñ h n ch nh hư ng c a fading ña tia, tăng ñ tin c y c a vi c hoá b i IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), truy n tin mà không ph i gia tăng công su t phát hay băng thông. K b t ñ u ñư c phát tri n t i Nh t B n vào tháng 10 năm 2001. T ñó thu t phân t p cho phép b thu (receiver) thu ñư c nhi u b n sao c a ñ n nay 3G ñã phát tri n m t cách nhanh chóng và ñóng m t vai trò cùng m t tín hi u truy n. Các b n sao này ch a cùng m t lư ng quan tr ng trong vi c phát tri n các lo i d ch v ña phương ti n trong thông tin như nhau nhưng ít có s tương quan v fading. Tín hi u thu ñó ph i k ñ n d ch v Video. Tuy nhiên h th ng thông tin di ñ ng bao g m m t s k t h p h p lý c a các phiên b n tín hi u khác nhau 3G v n chưa ñáp ng ñư c nhu c u ngày càng cao c a ngư i s s ch u nh hư ng fading ít nghiêm tr ng hơn so v i t ng phiên b n d ng, các d ch v băng r ng ngày càng phát tri n nhanh chóng, ñ c riêng l . bi t là các d ch v yêu c u th i gian th c như IPTV, Video 2. M C ĐÍCH NGHIÊN C U Conference, vì v y h th ng thông tin di ñ ng th h th 4 (4G) ra Đ tài ti n hành tìm hi u nguyên lý ho t ñ ng và nghiên ñ i. c u các phương pháp phân t p ñ nâng cao ch t lư ng trong h th ng Do tính ch t c a môi trư ng vô tuy n, tín hi u RF (Radio thông tin di ñ ng th h th 4. Phân tích và so sánh, ñánh giá các Frequency) truy n qua kênh truy n vô tuy n s lan t a trong không phương pháp phân t p, s d ng ph n m m chuyên d ng ñ mô ph ng gian , va ch m vào các v t c n phân tán r i rác trên ñư ng truy n như các phương pháp phân t p. T ñó ñưa ra các nh n xét và ch n ra xe c , nhà c a, công viên, sông, núi, bi n … s gây ra các hi n tư ng phương pháp phân t p t i ưu ng v i t ng ñi u ki n c th . ph n x , tán x , nhi u x . Khi sóng va ch m vào các v t c n s t o ra vô s b n sao tín hi u, m t s b n sao này s t i ñư c máy thu. Do 3. Đ I TƯ NG NGHIÊN C U các b n sao này này ph n x , tán x , nhi u x trên các v t khác nhau - Tìm hi u v h th ng thông tin di ñ ng 4G và theo các ñư ng dài ng n khác nhau nên th i ñi m các b n sao này - Nghiên c u các phương pháp phân t p ñ nâng cao ch t t i máy thu cũng khác nhau (t c là ñ tr pha gi a các thành ph n lư ng h th ng thông tin di ñ ng 4G. này là khác nhau) và các b n sao s suy hao khác nhau (t c là biên ñ - Đánh giá, so sánh hi u qu gi a các phương pháp phân t p. gi a các thành ph n này là khác nhau). Tín hi u t i máy thu là t ng 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U c a t t c các b n sao này, tùy thu c vào biên ñ và pha c a các b n - Thu th p, phân tích các tài li u và thông tin liên quan ñ n sao mà tín hi u t i máy thu ñư c tăng cư ng hay b suy gi m, hi n ñ tài tư ng này g i là hi n tư ng fading ña ñư ng (multipath fading). Đi u
5 6 - Nghiên c u lý thuy t các k thu t phân t p, mô ph ng ki m CHƯƠNG 1 ch ng lý thuy t và ñưa ra nh n xét, so sánh các k thu t phân t p, tìm T NG QUAN V H TH NG THÔNG TIN DI Đ NG 4G ra k thu t phân t p t i ưu cho t ng ñi u ki n c th . (LTE VÀ LTE-ADVANCED) 5. Ý NGHĨA KHOA H C VÀ TH C TI N C A Đ TÀI 1.1. GI I THI U CHƯƠNG H th ng thông tin di ñ ng 4G (LTE/LTE Advance) ñang ñư c nghiên c u và tri n khai t i m t s nư c trên th gi i do tính ưu 1.2. CÁC GIAI ĐO N PHÁT TRI N C A CÔNG NGH VI N vi t c a nó. Trong th i ñ i mà các d ch v yêu c u ch t lư ng cao THÔNG DI Đ NG phát tri n nhanh chóng thì vi c nghiên c u các k thu t phân t p Công ngh di ñ ng th h th nh t (1G) ra ñ i vào kho ng nh m tăng ch t lư ng truy n tin trong h th ng thông tin di ñ ng 4G th i gian năm 1980 d a trên công ngh FDMA (ña truy c p phân mà không c n tăng công su t phát hay ñ r ng băng thông s góp chia theo t n s ); ti p ñ n công ngh di ñ ng th h th 2 (2G) ra ñ i ph n l n trong vi c gi i quy t các v n ñ v ch t lư ng d ch v . vào kho ng th i gian năm 1990 d a trên công ngh TDMA (ña truy c p phân chia theo th i gian); công ngh di ñ ng th h th 3 (3G) ra 6. K T C U C A LU N VĂN ñ i vào kho ng th i gian năm 2000 d a trên công ngh WCDMA (ña Lu n văn g m các ph n chính sau ñây: truy c p phân chia theo mã); công ngh di ñ ng th h th 4 (4G) ra Chương 1: T ng quan v h th ng thông tin di ñ ng 4G ñ i trong kho ng th i gian t năm 2009 ñ n nay, ñã qua giai ño n (LTE và LTE-Advanced) tri n khai th nghi m ban ñ u và hi n nay ñang tri n khai t i m t s Chương 2: K thu t OFDM và ñ c tính kênh truy n nư c, d a trên công ngh OFDM, SDMA- t c là công ngh LTE – Chương 3: Các k thu t phân tâp LTE ADVANCE. Chương 4: K t qu mô ph ng các k thu t phân t p 1.3. CÔNG NGH LTE 1.3.1. Gi i thi u LTE là th h th tư tương lai c a chu n UMTS do 3GPP phát tri n. 3GPP ñ t ra yêu c u cao cho LTE, bao g m gi m chi phí cho m i bit thông tin, cung c p d ch v t t hơn, s d ng linh ho t các băng t n hi n có và băng t n m i, ñơn gi n hóa ki n trúc m ng v i các giao ti p m và gi m ñáng k năng lư ng tiêu th thi t b ñ u cu i.
7 8 1.3.2. Các chu n c a công ngh LTE 1.3.3. Ki n trúc LTE T c ñ : T c ñ t i xu ng (Downlink - DL) cao nh t băng 1.3.3.1. M ng truy nh p vô tuy n thông 20MHz có th lên ñ n 100Mbps, t c ñ t i lên (Uplink - UL) M ng truy nh p vô tuy n c a LTE ñư c g i là E-UTRAN và có th lên ñ n 50Mbps m t trong nh ng ñ c ñi m chính c a nó là t t c các d ch v , bao Đ tr : Th i gian tr t i ña ñ i v i d ch v ngư i dùng ph i g m th i gian th c, s ñư c cung c p qua các kênh chuy n m ch gói. th p hơn 5ms M t tr m g c m i ph c t p hơn NodeB trong WCDMA, ñó Đ r ng băng thông linh ho t: có th ho t ñ ng v i băng là eNodeB (Enhanced NodeB). eNodeB th a hư ng các ch c năng thông 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz, th m chí nh hơn 5MHz c a RNC. eNodeB ch u trách nhi m qu n lý tài nguyên vô tuy n c a như 1,25MHz và 2,5MHz 1 ô, các quy t ñ nh chuy n giao, l p bi u cho c ñư ng lên và ñư ng Tính di ñ ng: T c ñ di chuy n t i ưu là 0-15km/gi , và v n xu ng trong các ô c a mình. eNodeB ñư c n i t i m ng lõi thông ho t ñ ng t t v i t c ñ di chuy n t 15-120km/gi , th m chí lên ñ n qua giao di n S1. S1 gi ng như giao di n Iu gi a m ng lõi và RNC 500km/gi tùy băng t n. trong WCDMA. Gi a các eNodeB có giao di n X2 gi ng như giao Ph t n s : ho t ñ ng theo ch ñ phân chia theo t n t ho c di n Iur trong WCDMA. ch ñ phân chia theo th i gian. Đ ph sóng t 5-100km (tín hi u 1.3.3.2. M ng lõi suy y u t km th 30), dung lư ng hơn 200 ngư i/cell (băng thông M ng lõi bao g m nhi u th c th ch c năng sau: 5MHz) - Th c th qu n lý di ñ ng MME Ch t lư ng d ch v : H tr tính năng ñ m b o ch t lư ng - C ng d ch v (Seving Gateway) d ch v QoS cho các thi t b . VoIP ñ m b o ch t lư ng âm thanh t t, - C ng m ng d li u gói (PDN Gateway) ñ tr m c t i thi u (th i gian ch g n như không có) thông qua các m ng chuy n m ch UMTS. 1.3.4. Cơ ch truy n d n Liên k t m ng: Kh năng liên k t v i các h th ng Đư ng xu ng và ñư ng lên trong LTE d a trên vi c s UTRAN/GERAN hi n có và các h th ng không thu c 3GPP cũng s d ng nhi u các công ngh ña truy nh p, c th : ña truy nh p phân ñư c ñ m b o. Th i gian tr trong vi c truy n t i gi a E-UTRAN và chia t n s tr c giao cho ñư ng xu ng (OFDMA) và ña truy nh p UTRAN/GERAN s nh hơn 300ms cho d ch v th i gian th c và phân chia t n s - ñơn sóng mang (SC-FDMA) cho ñư ng lên. không quá 500ms cho các d ch v còn l i 1.3.4.1. Truy n d n ñư ng xu ng Chi phí: Chi phí tri n khai và v n hành gi m 1.3.4.2. Truy n d n ñư ng lên
9 10 1.4. CÔNG NGH LTE-ADVANCED CHƯƠNG 2 1.4.1. Các yêu c u c a LTE-Advanced K THU T OFDM VÀ Đ C TÍNH KÊNH TRUY N 1.4.2. Các công ngh thành ph n ñ xu t cho LTE-Advanced 1.4.2.1. Truy n d n băng r ng hơn và chia s ph t n. 2.1. GI I THI U CHƯƠNG 1.4.2.2. Gi i pháp ña anten m r ng 2.2. K THU T OFDM 1.4.2.3. Truy n d n ña ñi m ph i h p 2.2.1. Khái ni m 1.4.2.4. Các b l p và các b chuy n ti p K thu t OFDM là m t d ng ñ c bi t c a k thu t ñi u ch 1.5. SO SÁNH LTE VÀ LTE-ADVANCED ña sóng mang, nó ho t ñ ng theo nguyên lý truy n dòng d li u t c B ng 1.2 So sánh các yêu c u c a LTE và LTE-Advanced ñ cao trên các sóng mang con t c ñ th p hơn. Các sóng mang con Công ngh LTE LTE-Advanced này ñư c phân b tr c giao v i nhau. T c ñ Downlink 150 Mbit/s 1 Gbit/s 2.2.2. Tính tr c giao trong h th ng OFDM T c ñ Uplink 75 Mbit/s 500 Mbit/s Tính tr c giao c a các sóng mang con th hi n ch : T i Băng thông Downlink 20 MHz 100 MHz m i ñ nh c a m i sóng mang con b t kỳ trong nhóm thì các sóng Băng thông Uplink 20 MHz 40 MHz mang con khác b ng không, vì v y các sóng mang này không gây Tính di ñ ng - Ho t ñ ng t i ưu v i t c - Tương t như nhi u l n nhau. ñ th p (< 15 km/hr) LTE 2.2.3. Mô hình h th ng OFDM - V n ho t ñ ng t t t c ñ ñ n 120 km/hr - V n duy trì ñư c ho t ñ ng t c ñ ñ n 350 km/hr Vùng ph sóng - Lên ñ n 5 Km - Tương t như yêu c u c a LTE Dung lư ng - Cell v i 200 ngư i dùng - G p 03 l n ho t ñ ng trong 5 MHz LTE 1.6. K T LU N CHƯƠNG Hình 2.3. Sơ ñ kh i h th ng OFDM
11 12 2.2.3.1. B chuy n ñ i n i ti p - song song và song song – n i ti p - H n ch nh hư ng c a fading l a ch n t n s và hi u ng B chuy n ñ i n i ti p – song song có nhi m v chuy n ñ i ña ñư ng b ng cách chia kênh truy n fading ch n l c t n s thành dòng d li u t c ñ cao thành N dòng d li u t c ñ th p hơn sao cho các kênh truy n con fading ph ng tương ng v i các t n s sóng hàm truy n trong kho ng băng thông ñó có th xem là ph ng. B ng mang OFDM khác nhau. cách s d ng b chuy n ñ i n i ti p - song song ta ñã chuy n kênh 2.2.4.2. Như c ñi m truy n fading ch n l c t n s thành kênh truy n fading ph ng. - Nh y v i hi u ng Doppler. 2.2.3.2. Đi u ch tín hi u OFDM - T s công su t ñ nh trên công su t trung bình PAPR (Peak Phương pháp ñi u ch ñư c s d ng tùy vào vi c dung hòa to Average Power Ratio) l n. gi a yêu c u t c ñ truy n d n và ch t lư ng truy n d n. - Làm suy gi m m t ph n hi u su t ñư ng truy n do s d ng M t s phương pháp ñi u ch thư ng dùng trong OFDM là: chu i b o v . * M-PSK (Phase Shift Keying) 2.3. Đ C TÍNH KÊNH TRUY N C A K THU T OFDM * M-QAM (Quarature Amplitude Modulation) 2.3.1. S suy hao 2.2.3.3. B IFFT và FFT Suy hao là s suy gi m công su t trung bình c a tín hi u khi Phép bi n ñ i IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) truy n t máy phát ñ n máy thu do s h p th tín hi u b i nư c, cho phép ta t o tín hi u OFDM d dàng b ng cách ñi u ch N lu ng không khí, và bi v t ch n, b ph n x t m t ñ t. tín hi u song song lên N t n s tr c giao m t cách chính xác và ñơn 2.3.2. Hi n tư ng fading ña ñư ng gi n. Phép bi n ñ i DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta 2.3.2.1. Gi i thi u gi i ñi u ch l y l i thông tin t tín hi u OFDM. Ngoài các nh hư ng do suy hao, can nhi u, tín hi u khi 2.2.3.4. Ti n t l p (Cyclic Prefix - CP) trong h th ng OFDM truy n qua kênh vô tuy n di ñ ng s b ph n x , nhi u x , tán x , … Đ h n ch nh hư ng nhi u xuyên ký t (ISI) ñ n tín hi u gây ra hi n tư ng fading ña ñư ng. OFDM, ta chèn thêm kho ng b o v cho m i ký t OFDM. Chi u dài 2.3.2.2. Fading Ricean c a kho ng b o v ñư c ch n sao cho nó ph i b ng ho c l n hơn giá Do nh hư ng c a hi n tư ng ña ñư ng, các thành ph n ña tr tr i tr c c ñ i nh m duy trì tính tr c giao gi a các sóng mang ñư ng ng u nhiên ñ n b thu v i nh ng góc khác nhau. Tuỳ theo ñ a nhánh và lo i b ñư c các nhi u xuyên ký t . hình kênh truy n mà gi a máy phát và máy thu có th t n t i ho c 2.2.4. Ưu ñi m và như c ñi m c a k thu t OFDM không t n t i ñư ng truy n th ng (light-of-sight). Trong trư ng h p 2.2.4.1. Ưu ñi m t n t i ñư ng truy n th ng, khi ñó ñư ng bao tín hi u truy n qua - Lo i b nhi u liên sóng mang (ICI) và nhi u xuyên ký t (ISI).
13 14 kênh truy n có phân b Ricean nên kênh truy n g i là kênh truy n trên các ñư ng khác nhau trong tr truy n ña ñư ng. PDP c a kênh fading Ricean. ñư c l y giá tr trung bình trong kho ng không gian theo các v trí 2.3.2.3. Fading Rayleigh khác nhau. N u kênh truy n không t n t i ñư ng truy n th ng, ñư ng 2.3.7. Kênh truy n block-fading trên n n OFDM bao tín hi u truy n qua kênh truy n có phân b Rayleigh nên kênh 2.3.7.1. Tín hi u phát và thu OFDM truy n ñư c g i là kênh truy n fading Rayleigh. Khi ñó tín hi u nh n M i ký t OFDM bao g m N sóng mang con mang thông tin ñư c t i máy thu ch là t ng h p c a các thành ph n ph n x , nhi u X k ,m (k = 0, 1, 2,..., N-1), trong ñó N là kích thư c c a hàm truy n x , và tán x . Fourier nhanh (FFT) và bi n ñ i ngư c Fourier nhanh (IFFT) ñư c 2.3.3. Nhi u Gaussian tr ng c ng s d ng trong truy n d n ña sóng mang con. Nhi u Gaussian tr ng c ng là lo i nhi u có m t ñ ph công Sau khi th c hi n bi n ñ i ngư c Fourier nhanh và chèn mã su t ñ ng ñ u trong c băng thông và biên ñ tuân theo phân b b o v , tín hi u phát c a ký t OFDM th m có d ng như sau: N −1 Gaussian. Trong h th ng OFDM, khi s sóng mang con là r t l n thì 1 x n, m = .∑ X k ,m .e j 2πkn / N (2.18) h u h t các thành ph n nhi u khác cũng có th ñư c coi là nhi u N k =0 Gaussian tr ng c ng tác ñ ng trên t ng kênh con vì xét trên t ng Trong ñó n = 0, 1, 2, ... , N-1 kênh con riêng l thì ñ c ñi m c a các lo i nhi u này th a mãn các T i bên thu, sau khi th c hi n lo i b CP và FFT, samples ñi u ki n c a nhi u Gaussian tr ng c ng. nh n ñư c trong mi n t n s có th ñư c xác ñ nh như sau: 2.3.4. Tr i tr N −1 − j 2πkn / N Tr i tr (Delay spread) là kho ng chênh l ch th i gian gi a Yk ,m = 1 N . ∑y n=0 n,m .e (2.19) tín hi u thu tr c ti p và tín hi u ph n x thu ñư c cu i cùng t i b thu do hi n tư ng fading ña ñư ng. 2.3.7.2. Kênh truy n block-fading 2.3.5. Hi u ng Doppler Vì kênh truy n b nh hư ng b i block-fading nên t i sóng Hi u ng Doppler gây ra do s chuy n ñ ng tương ñ i gi a mang con th k, m t nhánh c a anten thu thì v i b t c m t ký t máy phát và máy thu. B n ch t c a hi n tư ng này là t n s c a sóng OFDM nào ñ u cho thông s H như nhau. f mang thu ñư c s khác v i t n s sóng mang C ñư c truy n ñi m t Thông s kênh truy n H t i sóng mang con th k c a ký t m kho ng g i là t n s Doppler. là: 2.3.6. Power delay profile (PDP) L −1 1 PDP tiêu bi u cho công su t trung bình v i tr ña ñư ng. Nó H k ,m = N ∑ .h .e l =0 l − j 2.π . k .n / N (2.25) cung c p m t ch ñ nh c a vi c phân tán và phân b công su t phát
15 16 CHƯƠNG 3 Lúc ñó tín hi u thu ñư c trong mi n t n s Yk ,m sau khi lo i CÁC K THU T PHÂN T P b kho ng b o v và th c hi n phép bi n ñ i Fourier nhanh là: N −1 3.1. GI I THI U CHƯƠNG 1 Yk ,m = .∑ y n ,m .e − j .2.π .k .n / N = H k ,m . X k ,m + Z k ,m (2.26) 3.2. T NG QUAN V PHÂN T P N n=0 Trong thông tin di ñ ng k thu t phân t p có th phân ra làm trong ñó: 3 lo i: Phân t p th i gian, phân t p t n s , phân t p không gian N −1 1 3.2.1. Phân t p th i gian Z k ,m = .∑ z n ,m .e − j .2.π .k / N (2.27) N n=0 Trong k thu t phân t p th i gian, m t b n tin s ñư c truy n nhi u th i ñi m khác nhau, ví d như s d ng các khe th i gian 2.4. K T LU N CHƯƠNG khác nhau ho c mã hóa kênh khác nhau. 3.2.2. Phân t p t n s Trong k thu t phân t p t n s , tín hi u băng h p gi ng nhau s ñư c truy n trên các t n s sóng mang khác nhau. Các t n s c n ñư c phân chia ñ ñ m b o không b nhi u và b nh hư ng fading m t cách ñ c l p, không b tương quan nhau. 3.2.3. Phân t p không gian K thu t phân t p không gian là k thu t s d ng nhi u anten ho c nhi u chu i anten ñư c x p trong không gian t i phía phát ho c phía thu. K thu t này còn ñư c g i là k thu t phân t p anten. K thu t phân t p không gian ñư c chia thành hai lo i: k thu t phân t p phát và k thu t phân t p thu. 3.2.3.1 Phân t p phát Phân t p phát là k thu t s d ng hai hay nhi u anten phía phát ñ phát tín hi u, công su t phát ñư c chia cho các anten phát. 3.2.3.2 Phân t p thu Là k thu t s s ng nhi u anten khác nhau phía thu. Các anten thu s thu ñư c nhi u b n sao c a cùng m t tín hi u truy n.
17 18 Các b n sao này ch a cùng m t lư ng thông tin như nhau. Tín hi u pha các tín hi u t i các nhánh, tuy nhiên nó ch nhân v i tr ng s thu bao g m m t s k t h p h p lý c a các phiên b n tín hi u khác α i = e − j .θ i (a i = 1) nhau. 3.4. CÁC K THU T PHÂN T P PHÁT 3.3. CÁC K THU T PHÂN T P THU K T H P 3.4.1. Sơ ñ Alamouti hai anten phát v i m t anten thu 3.3.1. K thuât phân t p thu k t h p l a ch n (Selection Sơ ñ Alamouti làm vi c cho t t c các ki u chùm ký t x1, Combining - SC) x2 khác nhau. Tuy nhiên ñ ñơn gi n, ñây ch xét BPSK v i truy n Trong k thu t phân t p thu k t h p l a ch n, tín hi u t i ñ u 2 bit trong th i gian hai ký t . K thu t Alamouti th c hi n ba bư c ra c a b k t h p là tín hi u t i nhánh có t s tín hi u trên nhi u sau: (SNR) cao nh t. - Mã hóa và truy n d n. 3.3.2. K thu t phân t p thu k t h p theo ngư ng (Threshold - Sơ ñ k t h p t i máy thu. Combining - TC) - Quy t c quy t ñ nh kh năng c c ñ i. Nguyên lý c a k thu t này là quét tu n t t ng nhánh và 3.4.1.1 Mã hóa và truy n d n xu t ra tín hi u trên nhánh ñ u tiên có SNR l n hơn m c ngư ng γ T cho trư c. Trong kho ng th i gian cho trư c m t ký hi u, hai ký hi u ñư c truy n ñ ng th i t hai anten phát. Ký hi u tín hi u phát t 3.3.3. K thu t phân t p thu k t h p theo t s t i ña (Maximal anten m t là x1(k)=x1 và tín hi u phát t anten hai là x2(k)=x2. Trong Ratio Combining - MRC) th i gian ký hi u ti p theo, x1(k+1) = − x 2 ñư c phát ñi t anten m t * Trong k thu t phân t p thu k t h p theo t s t i ña, ñ u ra * và x2(k+1)= x1 ñư c phát ñi t anten hai. là t ng tr ng s c a t t c các nhánh. Do pha c a tín hi u s khác Gi thi t fading không ñ i trong th i gian hai ký t phát, có th vi t: nhau trên các nhánh, vì v y ñ k t h p chính xác các tín hi u ña y = Hx + η (3.14) ñư ng ñòi h i ph i ñ ng pha các tín hi u này. Vi c ñ ng pha ñư c T − j .θ i Trong ñó vector phía thu: y =  y1  y*  2 th c hi n b ng cách nhân m i nhánh v i giá tr α i = ai .e , ai là m t s th c b t kỳ, θ i là pha c a tín hi u trên nhánh  h1 h 2  trong ñó Đ l i kênh truy n: H= * * (3.15) th i. h 2 − h1  h1 (k) = h1 (k + 1) = h1 = β1e 1 và jθ 3.3.4. K thu t phân t p thu k t h p cùng ñ l i (Equal-gain V i Combining - EGC) h 2 (k) = h 2 (k + 1) = h 2 = β 2 e jθ1 K thu t phân t p thu k t h p cùng ñ l i ñơn gi n hơn k thu t phân t p thu k t h p theo t s t i ña. Nó cũng ñòi h i ñ ng
19 20 Tín hi u phát và nhi u Guass: d(~1 , x 1 ) ≤ d(~1 , x k ) x x (3.18) x = [ x1 x 2 ] và η =  η1 T η*  T d(~ 2 , x 2 ) ≤ d(~ 2 , x k ) x x (3.19)  2 Tính SNR t ng h p (n u coi công su t tín hi u phát chia ñ u 3.4.1.2 B k t h p (combiner) cho hai anten) Gi thi t r ng tr ng thái kênh truy n là hoàn h o. B k t h p 2 ∑βn E 2 H (β + β ) 2 2 2 E (β + β ) E b 2 2 s th c hi n nhân vector thu y v i ma tr n chuy n v Hermitian H γ= 1 2 b = 1 = 1 2 b (3.20) 2 ñ có: (β + β )σ 2 1 2 2 2 2 σ2 2 σ 2 ~ = H H y + H Hη =  h 1 h 2   y1  * Eb là năng lư ng c a tín hi u phát, σ = N /2 v i N0 là công su t 2 . *  + H η H x  * { o h 2  − h1   y 2   ~ η t p âm ñơn biên . 3.4.2 Sơ ñ h th ng Alamouti hai anten phát và hai anten thu  h1 * h 2   h1 h 2   x1  = * . .  + HHη *  SNR trong trư ng h p này ñư c tính như sau: − h 1  h * - h1  x 2  { ( ) h 2 2 ~ η 2 2 2 2 2 ∑ ∑β 2 ∑∑ 2 m =1 n =1 nm E s m =1 n =1 β nm E s γ= =  h1 2 + h 2 2 0  2 2 2 σ2 2 (3.31) = 2 .x + H η (3.16) H σ ∑ ∑ β nm 2 2 2 + h2  { m =1 n =1   0 h1  ~ η Ta th y r ng các tín hi u k t h p t hai anten nh n ñư c là phép c ng ñơn gi n c a t ng anten thu, nghĩa là sơ ñ k t h p này Khai tri n (3.16), ñư c x1 và x2 như sau: gi ng h t v i m t anten thu duy nh t. Vì v y ta có th m r ng h x1 = (β + β ).x1 + h η + h η % 2 1 2 2 * 1 1 * 2 2 th ng ra hai anten phát và M anten thu d dàng ñ c i thi n ch t lư ng h th ng mà không c n có nh ng tính toán ph c t p. x 2 = (β1 + β 2 ).x 2 − h1 η* + h * η1 % 2 2 * 2 2 (3.17) 3.5. K T LU N CHƯƠNG 3.4.1.3 Quy t c quy t ñ nh kh năng c c ñ i (ML) T hai tín hi u ñ u ra b k t h p, nh ng tín hi u k t h p này sau ñó ñư c g i ñ n b quy t ñ nh kh năng c c ñ i (ML) và s ch n x1 và x2 sao cho:
21 22 CHƯƠNG 4 K T QU MÔ PH NG CÁC K THU T PHÂN T P 4.1. GI I THI U CHƯƠNG Trong chương này chúng ta s s d ng Matlab ñ mô ph ng các k thu t phân t p, t ñó rút ra nh n xét v ưu như c ñi m c a t ng k thu t phân t p. C th chúng ta s mô ph ng các k thu t phân t p sau: - Các k thu t phân t p thu k t h p (MRC, EGC, SC, TC) - K thu t phân t p phát Alamouti (2Tx*1Rx) và Alamouti(2Tx*2Rx) - So sánh k thu t phân t p thu v i k thu t phân t p phát. 4.2. LƯU Đ THU T TOÁN VÀ K T QU MÔ PH NG CÁC Hình 4.10 K t qu mô ph ng các k thu t phân t p thu K THU T PHÂN T P THU Nh n xét: Theo k t qu mô ph ng, ta th y k thu t phân t p thu 4.2.1. Lưu ñ thu t toán t ng quan TC cho ch t lư ng tín hi u thu kém nh t, k thu t phân t p thu MRC 4.2.2. Lưu ñ thu t toán th c hi n k thu t MRC và các k t qu cho ch t lư ng tín hi u thu t t nh t (BER nh nh t). K thu t phân mô ph ng. t p thu EGC cho ch t lư ng tín hi u thu t t hơn k thu t phân t p thu 4.2.3. Lưu ñ thu t toán th c hi n k thu t SC và các k t qu mô SC. Ch t lư ng c a tín hi u thu trong k thu t phân t p thu EGC r t ph ng g n v i k thu t phân t p thu MRC. 4.2.4. Lưu ñ thu t toán th c hi n k thu t EGC và các k t qu 4.3. LƯU Đ THU T TOÁN VÀ K T QU MÔ PH NG CÁC mô ph ng K THU T PHÂN T P PHÁT 4.2.5. Lưu ñ thu t toán th c hi n k thu t TC và các k t qu mô 4.3.1. Lưu ñ thu t toán t ng quan ph ng 4.3.2. Lưu ñ thu t toán Alamouti (2Tx*1Rx) 4.2.6. K t qu mô ph ng so sánh các ki u phân t p thu 4.3.3. Lưu ñ thu t toán h th ng Alamouti (2Tx*2Rx) S anten thu là: N_rx=2. 4.3.4. K t qu mô ph ng k thu t phân t p phát Alamouti SNR= 2:1:20 (2Tx*1Rx) và Alamouti (2Tx*2Rx) Đi u ch QAM v i m c ñi u ch M_QAM = 64. - S gói tin truy n là 1000 S l n test: N_trial = 350. - S lư ng song mang con và kích thư c c a s ifft/fft là 256 K t qu mô ph ng như Hình 4.10.
23 24 - Chi u dài kho ng b o v ñư c ch n b ng 1/16 chi u dài 1 - S gói tin truy n là 1000 gói tin - S lư ng song mang con và kích thư c c a s ifft/fft là 256 - S pilot ñ ñ ng b là 4 - Chi u dài kho ng b o v ñư c ch n b ng 1/16 chi u dài 1 - Đi u ch QPSK gói tin - Kênh truy n block fading. - S pilot ñ ñ ng b là 4 - Công su t các anten b ng nhau - Đi u ch QPSK - Kênh truy n block fading. - Công su t các anten là b ng nhau Transmit vs. Receive Diversity 0 10 Alamouti (2Tx, 1Rx) Maximal-Ratio Combining (1Tx, 2Rx) -1 10 Bit Error Rate (BER) -2 10 -3 10 -4 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Signal to Noise Ratio (SNR),dB Hình 4.14 K t qu mô ph ng k thu t phân t p phát Alamouti Hình 4.15 K t qu mô ph ng phân t p phát Alamouti (2Tx*1Rx) (2Tx*1Rx) và Alamouti (2Tx*2Rx) và MRC (1Tx*2Rx) Nh n xét: T ñ th ta nh n th y phương pháp Alamouti c i Nh n xét: Theo k t qu mô ph ng cho th y phương pháp MRC thi n rõ r t t l l i bit (BER) so v i khi không s d ng phân t p. Bên cho t l BER và SNR t t hơn Alamouti (2Rx*1Tx) v i cùng m c c nh ñó ta th y khi s anten càng l n thì ch t lư ng tín hi u thu ñư c công su t tín hi u .Tuy nhiên do công su t trên m i anten trong càng tăng. Alamouti (2Rx*1Tx) ch b ng m t n a công su t phát c a anten h 4.4. MÔ PH NG SO SÁNH GI A PHÂN T P PHÁT VÀ th ng MRC. Đi u ñó có tính kh thi h th ng có m c công su t gi i PHÂN T P THU h n Trong ph n này ta so sánh gi a h th ng Alamouti (2Tx*1Rx) và k thu t phân t p thu MRC (1Tx*2Rx)
25 26 K T LU N VÀ KI N NGH th gi m thi u fading và s d ng k thu t ñi u ch m c cao hơn ñ tăng t c ñ d li u, ho c các y u t tái s d ng nh hơn trong m t K thu t phân t p ñư c s d ng trong h th ng thông tin di môi trư ng ña t bào ñ tăng cư ng năng l c h th ng. ñ ng 4G (mà ch y u là k thu t phân t p anten) c i thi n ñáng k K thu t này cũng có th ñư c s d ng ñ tăng ph m vi ho c ch t lư ng c a h th ng mà không c n ph i tăng công su t phát hay khu v c vùng ph sóng c a h th ng không dây. Nói cách khác, k ñ r ng băng thông. Các phương pháp phân t p thu thư ng s d ng thu t m i có hi u qu trong t t c các ng d ng nơi mà năng l c c a nhi u anten nơi nh n và nó th c hi n k t h p ho c l a ch n và h th ng b h n ch b i fading ña ñư ng và do ñó, ñây có th là m t chuy n ñ i tín hi u ñ nâng cao ch t lư ng tín hi u nh n ñư c. Tuy cách ñơn gi n và hi u qu ñ gi i quy t nhu c u th trư ng v ch t nhiên, các v n ñ l n v i cách s d ng cách ti p c n này là chi phí, lư ng và hi u qu mà không c n thi t k l i h th ng hi n có. kích c , và công su t c a các thi t b di ñ ng. Vi c s d ng nhi u Lu n văn t p trung nghiên c u v k thu t phân t p thu và anten và chu i t n s vô tuy n (RF) làm cho các thi t b di ñ ng l n phân t p phát v i 2 anten phát. Kênh truy n ñư c s d ng ñ mô hơn và ñ t hơn. ph ng là kênh truy n b nh hư ng b i block fading, nơi mà ñáp ng Do ñó các k thu t phân t p ñã h u như ch ñư c áp d ng t n s c a kênh truy n trong các kho ng th i gian kh i T ñư c xem cho các tr m cơ s ñ nâng cao ch t lư ng. Thông thư ng m t tr m như ph ng. Thông tin tr ng thái kênh truy n ñư c bi t chính xác t i cơ s thư ng xuyên ph c v hàng trăm ñ n hàng ngàn thi t b di máy thu (ho c có th hi u b ư c lư ng t i máy thu ho t ñ ng r t ñ ng. Do ñó, phân t p t i tr m cơ s t t hơn so v i t i thi t b di chính xác). ñ ng v m c kinh t . Vì lý do này, k thu t phân t p phát là r t h p Trong tương lai c n nghiên c u m c ñ sâu hơn b ng cách d n và có tính kh thi cao. m r ng thêm s anten phát, nghiên c u v anten MIMO trong h M r ng ra chúng ta có th thêm nhi u anten hơn nơi phát th ng thông tin di ñ ng th h th 4 (anten MIMO là k t h p gi a ñ ph c v cho t t c thi t b c m tay t xa. Vì v y ch c ch n ñây là phân t p phát và phân t p thu). Bên c nh ñó c n tìm hi u thêm các k 1 gi i pháp mang tính kinh t r t cao. thu t khác ngoài k thu t phân t p nh m nâng cao ch t lư ng h K thu t Alamouti ñư c ñ xu t trong lu n văn này là m t th ng thông tin di ñ ng th h th 4 (4G) ñ có th hi u sâu hơn v k thu t phân t p phát ñơn gi n ñ c i thi n ch t lư ng tín hi u t i h th ng thông tin di ñ ng này. nơi nh n b ng cách x lý ñơn gi n qua hai anten phát. B c c a phân t p là 2 b ng v i k thu t phân t p thu MRC (b k t h p thu t l t i ña) v i m t anten phát v i 2 anten t i nơi thu. K thu t phân t p anten phát có th c i thi n hi u su t l i, t c ñ d li u, ho c năng l c c a h th ng không dây. Đ c bi t nó có