Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------

NGUYỄN VĨNH HƢNG TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĨNH HƢNG TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Ngô Hồng Sơn Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Vĩnh Hƣng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ i

DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. iii

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

MỤC LỤC

Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G .............................................................................. 3

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) ........................................................... 3

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) ........................................................... 4

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ........................................................... 5

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) ........................................................... 6 1.4.1 Quá trình phát triển 4G ............................................................................. 7 1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G .................................................................. 11

Chƣơng 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......... 13

2.1 Mô hình kênh nhiễu Gauss ............................................................................... 13

2.2 Mô hình kênh Fading: ....................................................................................... 14 2.2.1 Các đặc trưng thống kê: .......................................................................... 15 2.2.2 Mô hình các kênh vô tuyến di động ....................................................... 16

2.3 Hiệu năng khi truyền tín hiệu số trên kênh AWGN: ........................................ 17

2.4 Xác suất lỗi đối với kênh fading phẳng: ........................................................... 18

2.5 Xác suất gián đoạn hệ thống ............................................................................ 20

2.6 Điều chế M-ASK: ............................................................................................. 21 2.6.1Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh AWGN ........................... 21 2.6.2 Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh fading ............................ 22

2.7 Hiệu năng của hệ thống điều chế M-QAM ....................................................... 23 2.7.1 Hiệu năng hệ thống M-QAM truyền trên kênh AWGN ........................ 23 2.7.2 Hiệu năng của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading Rayleigh:.... 24 2.7.3 Xác suất gián đoạn hệ thống: ................................................................. 25

2.8 Hiệu năng của hệ thống M-PSK ....................................................................... 26 2.8.2 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh fading Rayleigh ....... 27 2.8.3 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-PSK ............................................... 28

Chƣơng 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ...... 30

3.1 Mô hình hệ thống MIMO .................................................................................. 30

3.2 Hiệu năng của hệ thống phân tập không gian ở đầu thu ................................... 32

3.3 Hiệu năng hệ thống đối với phân tập không gian ở đầu phát ........................... 35 3.3.1 Trường hợp máy phát biết được thông tin về trạng thái kênh ................ 35 3.3.2 Trường hợp máy phát không biết thông tin kênh ................................... 35

3.4 Hiệu năng của hệ thống MIMO ........................................................................ 37

3.5 Mô hình hệ thống OFDM ................................................................................. 38

3.6 Hiệu năng của hệ thống OFDM ........................................................................ 43

3.7 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM: .................................................................... 46

3.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDM .......................................................... 46

Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G .......................... 54

4.1 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit trong mô hình OFDM ......................................... 54

4.2 Xây dựng và tính hiệu năng LTE ..................................................................... 56 Tỷ số lỗi bit BER: ............................................................................................ 58

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: ............................................................................... 58

Quan hệ của BER với SNR: .................................................................................... 58

Xác suất lỗi ............................................................................................................. 58

4.3 Kết quả mô phỏng quan hệ BER và SNR ......................................................... 58 Đối với trường hợp SC-FDMA điều chế thích nghi với BER = 1e-3 ............ 59

4.4 Kết quả mô phỏng xác suất lỗi đối với hệ thống OFDMA và SC-FDMA điều chế thích nghi .......................................................................................................... 59

Trường hợp SC-FDMA Pe=1e-0.5 kết quả được biểu thị trong bảng 4.5 ............. 60

4.5 Kết quả mô phỏng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR của OFDMA và FC-FDMA điều chế thích nghi ........................................................... 61

4.4 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit với mô hình kênh MIMO-OFDM ...................... 65

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

First Generation Second Generation Third Generation

Fast Fourier Transform Frequency Division Multiple Access

Inverse Discrete Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform International Telecommunication Union ITU Radiocommunication Sector Inter Symbol Interference

International Mobile Telecommunications-

Multiple-Input Multiple-Output

Space-Division Multiple Access

1G 2G 3G 3GPP 3rd Generation Partnership Project AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate CDMA Code Division Multiple Access DFT Discrete Fourier Transform FFT FDMA GSM Global System for Mobile Communication IDFT IFFT ITU ITU-R ISI IMT-ADVANCED Advanced LTE Long Term Evolution MIMO OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAPR Peak to Average Power Ratio SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDMA SNR Signal to Noise Ratio TDMA Time Division Multiple Access User Equipment UE Ultra Mobile Broadband UMB UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems WCDMA Wireless Code Division Multiple Access

Trang

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Tham số của mô hình kênh MIMO ................................................................ 32 Bảng 4.1 Thông số mô phỏng OFDM ........................................................................... 54 Bảng 4.2 Bảng mô phỏng LTE ...................................................................................... 57 Bảng 4.3 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA........................................... 58 Bảng 4.4 Quan hệ BER với SNR trong trường hợp SC-FDMA ................................... 59 Bảng 4.5 Kết quả của Pe với OFDMA .......................................................................... 60 Bảng 4.6 Kết quả của Pe với hệ thống SC-FDMA ........................................................ 60

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G ........................... 8

Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G ................................................................. 9

Hình 1.3 Các mạng tương lai ........................................................................................... 9

Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai .................................................................... 10

Hình 2.1: Mô hình kênh AWGN ................................................................................... 13

Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng ....................................... 14

Hình 2.3 Mô hình kênh lựa chọn tần số ........................................................................ 16

Hình 2.4 Xác suất lỗi đối với hệ thống BPSK truyền qua các kênh AWGN, Rayleigh và Rice fading có hệ số Rice K khác nhau .................................................................... 20

Hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống BPSK trong kênh fading Rayleigh ..... 21

Hình 2.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống M-ASK trên kênh ............................................ 22

AWGN và fading Rayleigh ........................................................................................... 22

Hình 2.8 Xác suất lỗi kí hiệu đối với hệ thống truyền tin M-QAM .............................. 24

Hình 2.9 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading với

ngưỡng

........................................................................................................... 25

Hình 2.10 Mặt phẳng kí hiệu điều chế M-PSK ............................................................. 26

Hình 2.11 Xác suất lỗi kí hiệu đối với truyền M-PSK trên kênh AWGN và kênh fading Rayleigh.............................................................................................................. 28

Hình 2.12 Xác suất gián đoạn đối với truyền M-PSK trên kênh fading Rayleigh với mục tiêu xác suất lỗi ..................................................................................................... 29

Hình 3.1 Mô hình MIMO .............................................................................................. 30

Hình 3.2 Dàn anten ở đầu thu ........................................................................................ 32

Hình 3.3 Xác suất gián đoạn hệ thống khi sử dụng phân tập không gian trong kênh fading Rayleigh.............................................................................................................. 34

Hình 3.5 Sơ đồ không gian tín hiệu 8-PSK ................................................................... 41

Hình 3.6 Chùm tím hiệu của 16 QAM (M=16) ............................................................. 43

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng OFDM .............................................................................. 55

Hình 4.2 Mô hình truyền dẫn OFDMA ......................................................................... 56

Hình 4.3 Mô hình truyền dẫn SC-FDMA ...................................................................... 56

Hình 4.4 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA điều chế thích nghi ........... 58

iii

Hình 4.5 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống SFDMA điều chế thích nghi ............ 59

Hình 4.6 Xác suất lỗi trong hệ thống OFDMA ............................................................ 60

Hình 4.7 Xác suất lỗi trong hệ thống SC-FDMA ......................................................... 61

Hình 4.8 PAPR trong hệ thống OFDMA ..................................................................... 61

Hình 4.9 PAPR trong hệ thống SC-FDMA .................................................................. 62

Hình 4.10 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế BPSK .................................... 63

Hình 4.11 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế QPSK ..................................... 63

Hình 4.12 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 16 QAM ......................... 63

Hình 4.13 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 64 QAM ......................... 64

Hình 4.14 Mô phỏng MIMO 2x2 và đánh giá phân tập ................................................ 65

Hình 4.15 MIMO-OFDM với bộ điều chế BPSK ......................................................... 66

MỞ ĐẦU

Ngày nay do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai.Với xu hướng phát triển mạng viễn thông thế giới cũng như Việt Nam đó thì trong tương lai không xa trên sẽ xuất hiện mạng 4G đầy đủ trên nền công nghệ OFDM.

Để đón đầu, tiến tới làm chủ công nghệ 4G vấn đề đầu tiên cần phải nghiên cứu là hiệu năng của hệ thống và đặc trưng nhất là tỷ lệ lỗi bit BER vì vậy học viên chọn cho mình đề tài “ Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G”

A. Ý nghĩa thực tiễn và tính khoa học của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: + Phân tích BER trong một số giải pháp điều chế và môi trường truyền

sóng khác nhau

+ Mô phỏng kiểm chứng - Ý nghĩa thực tế

+ Phục vụ cho phân tích và thiết kế hệ thống truyền tin 4G và các hệ

thống thế hệ sau này

B. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu phân tích lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng BER của hệ

thống 4G

C. Phương pháp nghiên cứu

+ Dùng toán học để phân tích + Dùng mô phỏng kiểm chứng

D. Nội dung luận văn: Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn bao gồm: Chƣơng 1:Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và quá trình phát

triển lên mạng 4G

Giới thiệu các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt quá trình của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải

thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó. Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng 4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các đặc tính của kênh vô tuyến ở chương 2.

Chƣơng 2: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương 2 sẽ trình bày các kiến thức cơ sở về lý thuyết liên quan giới thiệu một số mô hình cơ bản của kênh thông tin vô tuyến: Mô hình kênh nhiễu cộng, kênh fading. Trên cơ sở các mô hình đó sẽ tính toán hiệu năng của hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng trường hợp của mô hình đã có.

Chƣơng 3: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G Trong chương 3 sẽ trình bày các mô hình và công thức tính hiệu năng đã được đưa ra cho hệ thống thông tin di động 4G dựa trên nên công nghệ vô tuyến MIMO, OFDM và MIMO-OFDM, đạt được hiệu quả truyền thông tốc độ cao và cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong kênh AWGN và Fading Rayleigh.

Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình mô phỏng công nghệ trong mạng

4G và đánh giá hiệu năng (BER)

Trong chương 4, Xây dựng mô hình mô phỏng mạng 4G bao gồm Mô hình OFDM, Mô hình MIMO, Mô hình MIMO OFDM, Mô hình vật lý 4G LTE.Tính xác suất lỗi Bit (BER) của các mô hình và đánh giá.

Kết luận và hƣớng phát triển

Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó.

Hơn ba chục năm qua các loại mạng di động khác nhau đã ra đời góp phần vào sự phát triển chung của kinh tế xã hội toàn cầu. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4.

Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ

thống thông tin di động.

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1980, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập.

Đặc điểm: - Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. - Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể. - Trạm thu phát gốc (BTS) phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

trong cell.

- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến

AMPS.

Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản và không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc độ.

Bao gồm các hạn chế sau:

- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ - Nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa

tia

- Không đảm bảo tính bảo mật và không tương thích giữa các hệ thống

khác nhau

- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

Để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng hệ thống thông tin số với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp trên hệ thống thông tin di động thế hệ 2.

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu vào những năm 1990 đó là GSM (Global System Mobile), PPC (Persolnal Digital Cellular) và IS- GS (Interim Standard) chủ yếu để phục vụ truyền dịch vụ thoại.

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G ưu điểm hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác.

Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế

số và sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

- Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -

TDMA) phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.

- Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -

CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.

Đặc điểm: Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian

(TDMA):

Phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu. Phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch.

Các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh

kế cận giảm đáng kể

Sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Với số lượng kênh ghép tăng nên ảnh hưởng thời gian trễ do truyền dẫn đa đường, cần sự đồng bộ phải tối ưu

Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã

Hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử

dụng là 8-13 kbps

Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có

cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn.

Các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền

dẫn vô tuyến đơn giản, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt

Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt.

Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp. Vì thế cần thiết phải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ để đáp ứng nhu cầu của thị trường trong các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu máy tính, dịch vụ viễn thông, dịch vụ nội dung số như âm thanh hình ảnh.

Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G.

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Trong những năm gần đây trên thị trường thế giới cũng như Việt Nam đã xuất hiện các hệ thống thông tin di động 3G dựa trên công nghệ số phục vụ truyền dẫn dịch vụ hỗn hợp thoại, số liệu, lưu lượng đa phương tiện trên cơ sở mạng hỗn hợp kênh và gói [4,5]...

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000.

Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136

CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử

dụng công nghệ CDMA: IS-95

Đặc điểm: Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz, đường lên : 1885-2025 MHz,

đường xuống: 2110-2200 MHz

Hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh.

Hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu, đảm bảo chuyển mạng quốc tế, đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.

Hệ thống 3G đầu tiên được nhật bản khai thác triển khai vào tháng 10- 2011; ở Việt Nam được triển khai vào năm 2004 với sự bùng nổ của internet, yêu cầu dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng cao cả về tốc độ lẫn chất lượng, nhu cầu tính toán khắp mọi nơi mọi lúc các hệ thống thông tin di động thế hệ ba chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó, vì vậy một loại công nghệ khác sẽ ra đời trong một tương lai không xa đó là mạng di động 4G.

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)

Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những

tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, `do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu.

1.4.1 Quá trình phát triển 4G

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường. HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming.

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz .LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu... đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE...) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.

Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz. UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-Lucent,

Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz. Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE.

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz.

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G Trên hình vẽ ta thấy, mạng di động IMT-2000 International Mobile Telecommunications, tương ứng với hệ thống 3G, mục đích cung cấp một khoảng dịch vụ rộng đa phương tiện từ thoại đến số liệu lên đến ít nhất 144 Kbps trên xe cộ, 384 Kbps đi từ ngoài vào nhà và 2 Mbps trong nhà và các môi trường picocell. Nó cung cấp liên tục dịch vụ băng tần 2GHz với công nghệ ghép kênh phân theo mã – CDM và đa truy cập phân theo mã CDMA với trợ giúp cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Gần đây xuất hiện các hệ thống theo tiêu chuẩn 3GPP [8] và người ta coi đó là hệ thống 3.5G. Một số mạng

LAN vô tuyến, LAN tốc độ cao dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11a [10], LAN vô tuyến hiệu năng cao HIPERLAN/2 [11] và thông tin truy nhập di động đa phương tiện (Multimedia) MMAC[12,13] đều dựa vào kỹ thuật OFDM, cung cấp truyền dẫn số liệu lên đến 54 Mbps trong băng tần 5 GHz chúng chủ yếu cung cấp thông tin giữa các máy tính môi trường trong nhà, truyền audio, video thời gian thực. Xu hướng phát triển của hệ thống trên 3G, tiến tới 3G được biểu thị trên hình 1.2, 1.3, 1.4

Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G

Hình 1.3 Các mạng tương lai

Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai

Đặc điểm: 4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với hệ thống quảng bá video số

Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz. Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1

Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.

Kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng 4G

Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý: Sử dụng MIMO để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng

phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng.

Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp.

Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh.

Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu. Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian. Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.

1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G

Công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có

hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G

Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ

nhanh hơn mạng 3G từ 4 -10 lần

Tốc độ tối đa của 3G : tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định

3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL

: 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz.

Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

Tốc độ DL :100Mbps (ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA.

Ƣu điểm nổi bật của 4G

Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA. Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối

với WCDMA.

Các ứng dụng đã tạo nên ƣu điểm của 4G LTE so với 3G Hiệu suất phổ cao sử dụng OFDM ở downlink có khả năng chống nhiễu đa đường , SC-FDMA ở uplink có PAPR thấp và người dùng trực giao trong miền tần số .

Sử dụng MIMO Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ làm tăng tốc độ dữ liệu, tần số tái sử dụng linh hoạt, giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1

Dung lượng của hệ thống được nâng cao

Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu..

Trong hệ thống di động 4G kỹ thuật chủ yếu sẽ là OFDM với những ưu điểm nổi trội. Các hệ thống OFDM biến ảnh hưởng của fading được chọn trong kênh thành fading phẳng làm giảm đáng kể ảnh hưởng của fading. Kết luận chƣơng 1

Chương 1 đã giới thiệu các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4

đồng thời đã sơ lượt quá trình của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông sốquan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng dược cải thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó. Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng 4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các đặc tính hiệu năng của kênh thông tin vô tuyến

Chƣơng 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Chương 2, Giới thiệu một số mô hình cơ bản của kênh thông tin vô tuyến: Mô hình kênh nhiễu cộng, kênh fading. Trên cơ sở các mô hình đó sẽ tính toán hiệu năng của hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng trường hợp của mô hình đã có

2.1 Mô hình kênh nhiễu Gauss

Mọi kênh truyền số liệu trong quá trình truyền dẫn đều bị tác động bởi nhiễu nhiệt, nhiễu do các thiết bị điện và các nguồn nhiễu khác gây ra. Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo Định lý giới hạn trung tâm (central limit theorem). Do xếp chồng từ nhiều quá trình độc lập thống kê khác nhau tại anten thu, n(t) được mô hình bằng phân bố Gauss trắng có các nhiễu không tương quan trong miền . Các nhiễu phân bố Gauss là độc lập thời gian, mật độ phổ phân bố đều

thống kê.

Trong mô hình đề cập ở đây được coi là không biến đổi theo thời gian và và đặc trưng không chọn lọc theo tần số, vậy đáp ứng xung kênh

bằng bộ lọc thông thấp ở Hình 1.1

Hình 2.1: Mô hình kênh AWGN

Mô hình phù hợp với điều kiện Nyquist, phổ của chúng đối xứng qua tần

số Nyquist do đó nhiễu băng gốc tương đương lấy mẫu tại

Vẫn duy trì tính Gauss trắng có phần thực và phần ảo mỗi cái có

mật độ phổ công suất . Do đó và là độc lập với nhau cho nên hàm mật

độ xác suất đồng thời thỏa mãn :

(2.1)

Công suất nhiễu n(t) :

(2.2)

Coi kênh tương đương bộ lọc thông thấp có băng thông bằng B, nếu

tín hiệu vào có công suất thì SNR đầu ra của kênh sẽ là :

(2.3)

2.2 Mô hình kênh Fading:

Trong các hệ thống thông tin di động, quá trình truyền sóng vô tuyến bị

tác động bởi tán xạ, phản xạ và nhiễu xạ

a) Hiện tượng phản xạ c) Hiện tượng nhiễu xạ

- Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha

- Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên

- Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng

b) Hiện tượng tán xạ Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên: giữa các thành phần này khác nhau. này là khác nhau. độ và pha của các bản sao pha.

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.

Ngoài ra do máy phát và máy thu di động vì vậy kênh biến đổi theo thời gian. Sóng đi từ đầu máy phát đến đầu thu qua N đường khác nhau do đó ta mô tả nó bằng đáp ứng xung băng gốc tương đương:

(2.4)

Ở đây ký hiệu t là thời điểm quan sát và là hệ số trọng số giá trị phức

tương ứng với đường thứ có thời gian trễ là

2.2.1 Các đặc trưng thống kê:

Do đặc điểm thống kê của các kênh di động nên ta phân chúng theo các

đặc điểm thống kê bao gồm: - Hàm tương quan của theo :

(2.5)

biến đổi Fourier của Ta cũng có thể biểu thị hàm tương quan trong miền tần số bằng sử dụng : đối với

(2.6)

Tần số Doppler xuất phát từ sự chuyển động tương đối giữa máy phát

và máy thu. Từ (2.6) ta xác định được phổ công suất của Doppler:

(2.7)

Khoảng tần số trong đó khác không gọi là độ rộng băng tần

Doppler . Người ta biểu thị độ đo biến đổi theo thời gian của kênh :

(2.8)

Còn gọi là thời gian kết hợp với

với

, kênh gọi là kênh fading chậm, kênh gọi là kênh fading nhanh hoặc kênh lựa chọn theo thời gian. Trường hợp kênh fading lựa chọn theo thời gian này thì người ta thường

sử dụng phân tập theo thời gian hoặc mã hóa kênh để nâng cao hiệu năng truyền dẫn. Từ (2.6) suy ra mặt chiếu thời gian trễ công suất:

(2.9)

Để mô tả phân bố công suất theo .Độ rộng băng tần kết hợp được xác định:

(2.10)

Nó biểu thị băng tần trong đó kênh coi như hằng số.

Với kênh có , trong đó B là băng tần của tín hiệu thì kênh gọi là

thì các kí hiệu liên tiếp

lựa chọn theo tần số, nghĩa là kênh có những dáng điệu khác nhau theo từng phần của phổ tín hiệu. Trong trường hợp này nhau sẽ phủ nhau và ta gọi là can nhiễu giữa các kí hiệu (Intersymbol interference) và kênh lúc này gọi là kênh méo tuyến tính.

Với kênh có

, kênh được gọi là kênh không lựa chọn theo tần số, điều đó có nghĩa là mật độ phổ không đổi trong băng tần đang xét người ta gọi đó là kênh fading phẳng.

2.2.2 Mô hình các kênh vô tuyến di động

Người ta thường mô hình các kênh lựa chọn theo tần số bằng các bộ lọc

đáp ứng xung hữu hạn FIR (impulse response filter) thời gian rời rạc [ 1992].

Hình 2.3 mô tả mô hình kênh lựa chọn theo tần số nhóm

Hình 2.3 Mô hình kênh lựa chọn tần số

Trong đó

(2.11)

Tần số Doppler được xác định:

(2.12)

là tốc độ di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu

Trong đó là tốc độ ánh sáng

là tần số sóng mang là góc giữa hướng tương đối của tia sáng đang xét với hướng chuyển

là góc pha ban đầu của thành phần thứ i

động của máy thu Trong trường hợp giữa máy phát và máy thu ngoài các tia phản xạ còn có tia truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu, lúc đó ta gọi kênh có phân bố Rice

thành phần trực tiếp đó gọi là thành phần có công suất , K

được gọi là hệ số Rice

Hệ số kênh trong trương hợp này là [Proakis 2011]

(2.13)

2.3 Hiệu năng khi truyền tín hiệu số trên kênh AWGN:

Với kênh AWGN, tín hiệu thu , hàm mật độ xác suất

(2.14)

Miền quyết định đối với tín hiệu là khoảng cách Euclede

Là khoảng cách của đối với tất cả các kí hiệu của

là nhỏ hơn so với các kí hiệu nghĩa là:

(2.15)

Tập bù được xác định , giả sử đã phát , lỗi xuất hiện khi

hoặc . Tập bù có thể được biểu thị:

của các tập

(2.16)

Gồm tất cả các kí hiệu y mà khoảng cách Euclide đến xác định nhỏ

hơn đến như vậy bây giờ xác suất lỗi có thể xấp xỉ bằng [proakis 2001]

(2.17)

Biểu thức (2.17) biến thành đẳng thức khi và chỉ khi các tập là rời

nhau. Thay vào (1.19) ta có:

(2.18)

Trong (2.18) biến mới là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss, trung bình 0

có phương sai :

và là hằng số âm

Từ đó đẫn đến

(2.19)

Ta biết:

(2.20)

Đặt ta thu được xác suất lỗi giữa các kí hiệu

(2.21)

Tiếp theo ta chuẩn hóa khoảng cách Euclide bình phương

bằng công suất trung bình của ký hiệu

(2.22)

Như vậy xác suất lỗi trung bình được tính:

(2.23)

nói lên rằng xác suất lỗi của kí hiệu phụ thuộc vào khoảng cách

Euclide bình phương giữa các kí hiệu và tỷ số SNR: /

2.4 Xác suất lỗi đối với kênh fading phẳng:

Đối với kênh fading phẳng kí hiệu phát X khi truyền đế máy thu được . Giả sử máy thu biết thông tin nhân với một hệ số kênh phức và

trạng thái kênh một cách hoàn hảo (CSI- Channel state information) vậy đã biết, ta có:

(2.24)

Do đó, xác suất lỗi kí hiệu bản thân nó là một biến ngẫu nhiên phụ thuộc

vào năng lượng kênh thức thời . Vậy xác suất lỗi kí hiệu có được bằng cách

lấy kỳ vọng theo (2.24)

Ta biết:

với x>0 (2.25)

Thay đổi từ tọa độ Cartes sang tọa độ cực thay (2.22) vào (2.24), thay đổi thứ tự tích phân sử dụng hàm sinh moment (MGF-Moment generating function)

(2.26)

của quá trình ngẫu nhiên [Simon và Alouini 2000] với kênh fading

Rayleigh thì (2.27)

Thay bằng lại lấy tích phân lần lượt

với ta có

= (2.28)

Đối với kênh fading Rice có P=1 thì:

(2.29)

Vậy xác suất lỗi trung bình khi truyền tín hiệu số qua kênh Rice sẽ là :

(2.30)

Hình 2.4 Xác suất lỗi đối với hệ thống BPSK truyền qua các kênh AWGN, Rayleigh và Rice fading có hệ số Rice K khác nhau

Nhận xét: Trong hình 2.4 ta thấy

- K bé kênh fading Rice có đặc điểm gần giống kênh fading Rayleigh

không có thành phần LoS

- thì kênh fading Rice tiến đến kênh AWGN

2.5 Xác suất gián đoạn hệ thống

là xác suất để tỷ lệ lỗi lớn hơn một ngưỡng

Xác suất gián đoạn hệ thống nào đó. Đối với kênh fading Rayleigh không lựa chọn tần số, mô tả xác suất

thấp hơn một ngưỡng cho

để tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời trước

(2.31)

Trong hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống được tính theo công

xác định bằng SNR ,

Hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống BPSK trong kênh fading Rayleigh thức là chúng ta có thể thấy chất lượng hệ thống càng cao khi theo công thức (2.31) . Quan sát hình 2.5 thấp. thấp, và

2.6 Điều chế M-ASK:

2.6.1Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh AWGN

Đặc trưng hiệu năng của kênh ta sử dụng xác suất lỗi. Xác suất lỗi kí hiệu tại

vượt một nửa khoảng

máy thu là lỗi xuất hiện nếu phần thực của nhiễu cách 2e giữa các kí hiệu kề cận.

Hình 2.6 Các kí hiệu trong điều chế 4-ASK

Với định nghĩa trên người ta đã đưa ra xác suất lỗi của hệ thống ASK truyền trên kênh nhiễu Gauss [Proakis 2001]

(2.32a)

(2.32b)

2.6.2 Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh fading

Khi truyền tín hiệu ASK qua kênh fading phẳng, xác suất lỗi được xác định

(2.33)

Trong đó M- bậc điều chế, năng lượng của kí hiệu, mật độ năng lượng

của nhiễu

Hình 2.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống M-ASK trên kênh AWGN và fading Rayleigh

Nhận xét :

- Đối với kênh AWGN đồ thị có dạng giảm hàm mũ. - Đối với kênh fading Rayleigh đồ thị có dạng giảm gần tuyến tính đối với Như vậy nếu cùng xác suất lỗi trung bình như nhau thì công suất phát của

kênh Rayleigh phải cao hơn

2.7 Hiệu năng của hệ thống điều chế M-QAM

2.7.1 Hiệu năng hệ thống M-QAM truyền trên kênh AWGN

Xác suất lỗi của hệ thống M-QAM có thể được đưa ra thông qua hệ thống M-ASK đã nói ở trên, khi coi các phần thực và phần ảo của điều chế ASK là độc lập. Việc quyết định thu đúng nếu và chỉ nếu cả hai thành phần đó được quyết phân bố đều giữa các phần thực và định đúng. Vì năng lượng của tín hiệu

phần ảo:

Từ (2.32 a) với

Ta có tổng xác suất lỗi của M-QAM :

(2.34)

Với tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao thì thành phần thứ hai trong (2.34) có thể

bỏ qua

Với kết hợp với (2.32 b) ta có giới hạn trên của xác suất lỗi khi

điều chế M-QAM:

(2.35a)

(2.35b)

Hình 2.8 Xác suất lỗi kí hiệu đối với hệ thống truyền tin M-QAM Nhận xét: Do các tín hiệu M-QAM có phần thực và phần ảo độc lập nhau

mỗi phần có năng lượng

có xác suất lỗi của mỗi thành phần giống chỉ bằng năng lượng trung bình của kí hiệu

Trong trường hợp M-QAM truyền trên kênh fading thì nghiệm chính xác

và nghiệm xấp xỉ khác nhau ít.

Khi tăng M đạt được hiệu suất sử dụng phổ cao thì phải hi sinh xác suất

lỗi

2.7.2 Hiệu năng của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading Rayleigh:

Tương tự như cách tính xác suất lỗi kí hiệu egodic cho kênh fading

Rayleigh, xác suất lỗi của hệ thống M-QAM truyền trên kênh được xác định

(2.36)

Trong đó :

(2.37)

Tính kì vọng đối với thành phần bình phương

(2.38)

Theo[ Simon và Alouini 2000] thì (2.38) có giá trị:

Kết hợp (2.37) và (2.38) ta có xác suất lỗi đối với hệ thống M-QAM

truyền trên kênh fading Rayleigh:

(2.39)

Và giới hạn trên của xác suất lỗi:

(2.40)

2.7.3 Xác suất gián đoạn hệ thống:

Để có được xác suất gián đoạn của hệ thống, người ta đã tiến hành tính

toán số bằng cách sử dụng (2.38 a) để các định mối quan hệ giữa và có

được ngưỡng thay vào (2.34) sẽ cho xác suất gián đoạn hệ thống và được

miêu tả trên hình (2.9)

Hình 2.9 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading

với ngưỡng

Nhận xét:

- M tăng làm tăng

- Với xác suất gián đoạn hệ thống 1% thì SNR yêu cầu đối với các hệ

thống 4 QAM, 16 QAM, 64 QAM là 24.3 dB, 25.5 dB và 28.4 dB tương ứng.

2.8 Hiệu năng của hệ thống M-PSK

Với hệ thống M-PSK, M kí hiệu được bố trí trên một vòng tròn bán kính

và có năng lượng kí hiệu không đổi

a. 2 PSK; c. 8 PSK

b. 4 PSK Hình 2.10 Mặt phẳng kí hiệu điều chế M-PSK

2.8.1 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh nhiễu AWGN

Đối với M=2 là trường hợp đặc biệt của ASK, vì vậy theo (2.35) ta có xác

suất lỗi

(2.41)

Bằng cách coi QPSK gồm hai sơ đồ BPSK nằm song song có cùng

. Do đó xác suất lỗi bit là:

(2.42)

Xác suất lỗi kí hiệu đối với QPSK tương tự như QAM được xác định:

(2.43)

Đối với M>4 không có dạng đóng và chỉ có giới hạn trên của xác suất lỗi

(Soller)

(2.44)

Còn xác suất lỗi kí hiệu được tính theo công thức gần đúng (Kammeyer

2004)

(2.45)

Nghiệm chính xác thu được bằng phương pháp giải số (Craig 1991)

(2.46)

2.8.2 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh fading Rayleigh

Biểu thức tính xác suất lỗi của kí hiệu được truyền tín hiệu M-PSK qua

kênh fading Rayleigh dưới dạng đúng (Simon và Alouini 2000)

(2.47)

Với

Trường hợp M=2 (BPSK) từ (2.47) ta có :

(2.48)

Trường hợp M=4 (QPSK) (Proakis 2001)

(2.49)

Và công thức gần đúng khi xét đến khoản cách Euclide bé nhất (Proakis

2001)

(2.50)

Hình 2.11 Xác suất lỗi kí hiệu đối với truyền M-PSK trên kênh AWGN và kênh fading Rayleigh

Nhận xét: Trong hình 2.11 xác suất lỗi tính bởi (2.46) và (2.47) có thể xấp xỉ

nhau khi M>4 và khác nhau khi SNR rất nhỏ, dưới 0.

2.8.3 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-PSK

Cách xác định gián đoạn hệ thống giống với trường hợp hệ thống của M-QAM được tính như sau:

Cho mục tiêu xác suất lỗi Sử dụng công thức (2.46) các định tương ứng

với đã cho Đưa vào (2.31) để xác định

Hình 2.12 Xác suất gián đoạn đối với truyền M-PSK trên kênh fading

Rayleigh với mục tiêu xác suất lỗi

TỔNG KẾT CHƢƠNG 2: Chương 2 là chương giới thiệu nhưng lý luận cơ bản để xác định hiệu

Tiếp theo giới thiệu mô hình kênh có fading tác động là yếu tố cơ bản ảnh

Từ Mục 2.4 Giới thiệu cách tính xác suất lỗi khi truyền tín hiệu số qua

năng của hệ thống truyền tin số. Trước hết luận văn giới thiệu mô hình kênh nhiễu Gauss đây là mô hình chung nhấtvà cơ bản nhất của một hệ thống truyền tin. Nó biểu thị mối quan hệ giữa đại lượng đầu ra và đầu vào của kênh truyền qua kênh có nhiều Gauss tác động hưởng đến hiệu năng của kênh truyền dẫn số, có hai loại fading chính tác động vào kênh di động số đó là kênh fading Rayleigh và Rice. Cả hai tác động đến tham số truyền dẫn của kênh biểu hiện dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đáp ứng xung vì đây là các đại lượng ngẫu nhiên cho nên trong mô hình này biểu thị đặc trưng thống kê là kì vọng và phương sai của fading. kênh AWGN làm cơ sở cho việc tính xác suất lỗi cho kênh fading với các dạng điều chế khác nhau M-ASK, M-PSK, M-QAM. Sau khi tính được xác suất lỗi cho từng trường hợp, luận văn giới thiệu tính xác suấtgián đoạn của hệ thống truyền tin với tư tưởng: Xác suất lỗi vượt qua một ngưỡng cho phép ta coi hệ thống không còn đảm bảo thông tin nữa. Xác suất xảy ra hiện tượng đó gọi là xác suất gián đoạn hệ thống.

Chƣơng 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Hệ thống thông tin di động 4G dựa trên nên công nghệ vô tuyến MIMO, OFDM và MIMO-OFDM, đạt được hiệu quả truyền thông tốc độ cao và cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong kênh AWGN và Fading.

3.1 Mô hình hệ thống MIMO

Hình 3.1 biểu thị mô hình hệ thống thông tin nhiều anten phát – nhiều

anten thu , ta gọi là hệ thống MIMO ( Multiple inputs-Outputs)

Hình 3.1 Mô hình MIMO

Từ hình 3.1 ta thấy hệ thống MIMO gồm đầu vào, đầu ra. Trước hết

ta xét trường hợp đơn giản hệ thống SISO, kí hiệu tín hiệu vào kênh tại thời , thời gian trễ truyền điểm k là đáp ứng xung kênh tạ thời điểm k là

songá từ đầu phát đến đầu thu . Tín hiệu vào từ đó rút ra véctơ tín hiệu

ra của kênh MIMO

(3.1)

Từ đây ta mở rộng cho hệ thống MIMO với tín hiệu đầu vào ,

tạo nên véctơ tín hiệu vào cho hệ thống MIMO, đầu thu ta có

tín hiệu ra , , .Mỗi cặp đầu vào-đầu ra được kết nối

bằng đáp ứng xung kênh

(3.2)

Ở đây kí hiệu số đốt trễ lớn nhất trong số các kênh tạo nên hệ MIMO.

Số tín hiệu tạo ra của kênh là , vậy ta kí hiệu các véc tơ tín hiệu vào đó dưới

dạng véc tơ , mỗi thành phần của nó là

(3.3)

Với ma trận kênh là:

(3.4)

Ở đây là số tia tốt nhất trong tất cả các kênh hoặc viết dưới dạng ma

trận : (3.5)

Trong đó véctơ tín hiệu vào

Trường hợp

Các tham số của mô hình kênh MIMO được biểu thị trong bảng 3.1 : 2 4 Tia 1 1 4 6

3 6 Vehicular Mô hình trễ N/A Pedestrian A Vehicular B A

Tốc độ [km/h] 3,40,120 3, 40,(120) 3, 40,(120)

3,40,120 Khoảng cách

anten

MS Toppology N/A

1) Phân bố Laplacia n có độ lệch 2) Phân bố đều

MS PAS N/A Thành phần Rice (K=6) đối với tia đều ,

đều để duy trì công suất

0 0 22.5 0 -22/5 0

MS DOT MS AoA [Deg] BS Topology N/A N/A N/A Dàn tuyến tính có khoảng cách giữa các

anten hoặc 4

BS PAS N/A

Laplacian, AS Laplacian , AS Laplacian , AS

BS AoA [Deg] N/A 20,50 20,50 2, -

20,10,-8, - 33,31

Bảng 3.1 Tham số của mô hình kênh MIMO

Nhận xét: - Trường hợp 1 là trường hợp fading Rayleigh phẳng không tương quan - Trường hợp 2, 3 tương ứng với các môi trường di động tế bào macro vùng thành thị có chỉ số tán xạ theo thời gian khác nhau. Ở đây góc tới AoA giả thiết có thời gian trễ như nhau

Trường hợp 4: Mô hình với môi trường thành thị micro- cellular với góc

các đường tia tới có thời gian trễ khác nhau.

3.2 Hiệu năng của hệ thống phân tập không gian ở đầu thu

Giả sử ở đầu thu cho M anten thu, mỗi anten thu được công suất tín hiệu

mật độ công suất nhiễu

Hình 3.2 Dàn anten ở đầu thu

SNR sau dàn tuyến tính sẽ là

(3.6)

Giả sử hệ thống điều chế có các xuất lỗi kí hiệu là .

là hàm mật độ các suất ở đầu ra dàn. Như vậy xác suất lỗi kí

hiệu trung bình sẽ là:

(3.7)

đặc trưng cho hiệu năng phân tập không gian thu còn xác suất gián

đoạn thông tin của kênh phân tập này khi kênh có nhiễu Gauss là:

(3.8)

Trong đó là ngưỡng cho phép của ở đầu ra dan anten

Trong trường hợp bộ tổ hợp của dàn anten sử dụng loại tổ hợp lựa chọn,

nghĩa là trong M anten thu thì nó sẽ chọn đầu vào anten nào có là lớn nhất thì

sẽ cho tín hiệu thu qua nhánh đó. Như vậy với phân tập M nhánh thì hàm phân

bố xác suất của sẽ là :

(3.9)

Ta biết gián đoạn thông tin xảy ra khi . Xác suất gián đoạn thông

tin sẽ là:

Trường hợp kênh fading Rayleigh có hàm mật độ phân bố:

Thì

(3.10)

Thay (3.10) vào (3.9) ta có xác suất gián đoạn hệ thống thông tin khi kênh

có fading Rayleigh và máy thu phân tập M anten:

(3.11a)

Ta coi là biến thì:

(3.11b)

Để tiện sử dụng trong quá trình đo hệ thống ta đưa (3.11b) về dưới dạng

SNR. Muốn vậy ta để ý rằng chính là hàm phân bố xác suất của , suy

ra hàm mật độ phân bố xác suất của là:

(3.12)

Vậy hệ số SNR trung bình sẽ là :

Rút ra SNR của hệ thống phân tập thu M anten:

(3.13)

Nhận xét: Với kênh fading, sử dụng phân tập không gian thu, với số anten thu tăng thì tăng được SNR của đầu thu, nghĩa là tăng được hiệu năng của hệ thống. Điều đó được diễn tả bằng đồ thị tại hình 3.3

Hình 3.3 Xác suất gián đoạn hệ thống khi sử dụng phân tập không gian trong kênh fading Rayleigh

3.3 Hiệu năng hệ thống đối với phân tập không gian ở đầu phát

Trường hợp phân tập này thường sử dụng phổ biến trong các mạng thông tin di động và trạm gốc là nơi thuận lợi cho việc bố trí nhiều anten, còn các máy thu nhỏ bé hiện nay vẫn khó bố trí nhiều anten

Sau đây luận văn sẽ tính cho trường hợp thực tế này và chia ra hai trường

hợp

3.3.1 Trường hợp máy phát biết được thông tin về trạng thái kênh

Đây là trường hợp khi hệ thống có vòng điều khiển kín .Trường hợp này có đặc điểm: công suất phát được chia đều cho các anten. Khi máy phát biết được thông tin độ lợi kênh thì việc xử lý gần giống phân tập thu. Giả sử máy phát có M anten , còn máy thu chỉ có 1 anten. Tín hiệu phát có

tổng năng lượng/ký hiệu là , độ lợi các anten , phát qua

anten thứ i. Việc nhân độ lợi này với tín hiệu phát sau khi qua kênh sẽ bù

lại tiêu hao kênh và chậm pha , mục đích làm cho các tín hiệu khác nhau

đến máy thu có biên độ như ở phía phát và pha được bù từ phần do kênh gây ra.

Do tổng năng lượng phát , các trọng số phải thỏa mãn các tín hiệu

phát qua tất cả các anten, qua môi trường không gian đến đầu thu là :

(3.14)

Và SNR là:

(3.15)

Nhận xét: Phân tập phát khi máy phát biết được độ lợi kênh thì SNR ở

máy thu tăng khi số anten thu tăng

3.3.2 Trường hợp máy phát không biết thông tin kênh

Trường hợp này tương ứng khi không có mạch vòng điều khiển giữa máy

phát và máy thu .

Xét trường hợp đơn giản máy phát có hai anten và năng lượng phát được

chia đều cho 2 anten, vì vậy tín hiệu phát trên anten thứ i sẽ là:

(3.16)

Năng lượng phát một kí hiệu là . Mỗi anten có độ lợi , i=1,2

có phân bố Gauss, trung bình 0, phương sai 1. Vậy tín hiệu thu là :

(3.17) 35

Với là tổn của hai biến ngẫu nhiên Gauss phức để tăng độ lợi do

phân tập phát trong hoàng cảnh này Alamouti [9] đã đề xuất kết hợp cả phân tập không gian phát và phân tập thời gian. Alamouti đã đưa ra phương án sử dụng hai anten phát và hệ thống làm việc trên hai chu kìcủa kí hiệu phát và độ lợi

kênh không đổi trong khoảng thời gian này. Trong chu kì đầu hai tín hiệu và

, mỗi kí hiệu có năng lượng .

Giả thiết độ lợi kênh phức ; i=1,2 giữa anten phát i và anten

thu, kí hiệu thu trong chu kì đầu của kí hiệu:

Chu kì thứ 2 (3.18)

Giả thiết nhiễu Gauss có trung bình 0 và công suất N. Máy thu sử dụng

các kí hiệu thu được này để tạo ra véc tơ

Từ (2.18) ta suy ra :

(3.19)

Kí hiệu

(3.20)

Với cấu trúc HA như (3.20) ta có:

(3.21)

Đây là ma trận đường chéo. Ta định nghĩa một véctơ mới . Nhân

bên trái hai vế với (2.19) với ta có

(3.22)

Ở đây là véc tơ nhiễu Gauss phức có trung bình 0 và ma trận

nghịch đảo của phương sai

Bản chất của đường chéo Z làm tách một cách hiệu quả việc truyền hai kí

hiệu sao cho mỗi thành phần của Z tướng ứng với một kí hiệu phát

, i=1,2 (3.23)

Như vậy SNR thu được tướng ứng với SNR đối với là :

(3.24)

Nhận xét: Hệ số 2 xuất phát từ thực tế là SNR của mỗi nhánh

3.4 Hiệu năng của hệ thống MIMO Từ mô hình kênh MIMO, ta biết ma trận tín hiệu thu , máy thu biết ma

trận kênh H, phía phát truyền vécto tín hiệu X, quyết định thu sẽ lỗi nếu thu được

và xác suất thu lỗi kí hiệu là . Đặc trưng cho sự

khác nhau giữa X và là nhiễu từ đó ta có:

(3.25)

Ta chuẩn hóa các véctơ tín hiệu X, :

;

Từ đó suy ra khoảng ách Euclide bình phương:

(3.26)

Lưu ý: , Vậy (3.25) trở thành :

(3.27)

Ta biết

(3.28)

Kí hiệu thứ của hàng H bằng dẫn đến giới hạn trên của xác suất lỗi

(3.29)

Kí hiệu là ma trận Hermitian khai triển

thay vào (3.29) ta có

(3.30)

Với

Vì A là ma trận đường chéo có các phần tử . Vì vậy (3.30) có thể được

viết

(3.31)

Ở đây kí hiệu hạng của A. Bất đẳng thức không đổi chiều nếu ta bỏ 1 ở mẫu số của (3.31).Vậy:

(3.32)

(3.31) Xác định cận trên của xác suất lỗi hệ thống MIMO và (3.27) biểu

thị xác suất lỗi của hệ thống MIMO

3.5 Mô hình hệ thống OFDM

Để đáp ứng yêu cầu tăng tốc độ truyền số liệu đã có một số giải pháp thống MIMO tăng bậc điều chế, ứng dụng hệ được áp dụng như

[P.W.Wolniawsky] [H.jiang]. Ngày nay kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đã và đang được nghiên cứu sử dụng rộng dãi trong các hệ thống thông tin. Ưu điểm của nó là hiệu quả sử dụng phổ cao, khả năng giảm được can nhiễu giữa các kí hiệu dễ dàng sử dụng biến đổi Fourier nhanh và làm đơn giản các bộ cân bằng.

OFDM là một kĩ thuật điều chế đa sóng mang, các kí hiệu số liệu điều chế

với một sóng mang con của một tập các sóng mang con trực giao cách nhau ,

ở đây phổ của mỗi sóng mang con phủ nhau một khoảng cách nào đó nhưng các tín hiệu của các sóng mang con là trực giao tương hỗ cho nên độ sử dụng băng thông rất hiệu quả. Để duy trì tính trực giao thì khoảng cách tối thiểu giữa các để tránh can nhiễu giữa các sóng mang con. Nếu chọn sóng mang con phải là

được khoảng cách giữa các sóng mang con thích hợp thì hệ thống OFDM có thể biến một kênh lựa chọn theo tần số thành các kênh con phẳng theo tần số.

Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Kí hiệu là các kí hiệu đã được điều chế với sóng

mang con thứ l của kí hiệu OFDM ở máy phát và giả thiết rằng chúng là các

biến ngẫu nhiên, độc lập có trung bình bằng 0, công suất trung bình . Tín

hiệu OFDM băng gốc phức ở đầu ra bộ IFFT là:

(3.33)

Trong đó N là tổng số sóng mang con và độ rộng của kí hiệu OFDM là T

giây

Ở máy thu, tín hiệu OFDM thu được, được trộn với tín hiệu giao động nội so với tần số sóng mang của tín hiệu thu được do lỗi ước tại có tần số lệch

lượng tần số hoặc do Doppler. Vì vậy, tín hiệu thu sẽ là :

(3.34)

Ở đây , và biểu thị đáp ứng xung của kênh, độ lệch tần số

tương ứng của tín hiệu thu tại thời điểm lấy mẫu là tỷ lệ độ lệch tần số

so với khoảng cách tần số sóng mang và AWGN tương ứng; biểu thị nhân chập. Giả thiết rằng sử dụng tần số chu trình ; máy thu được đồng bộ định thời một cách hoàn hảo. Lưu ý rằng biến đổi Fourier rời rạc của nhân chập hai kí hiệu trong miền thời gian tương đương với việc nhân các tín hiệu tương ứng trong miền tần số.

Như vậy tín hiệu đầu ra của FFT trong miền tần số đối với sóng mang con

thứ k:

(3.35)

Thành phần thứ nhất của (2.34) là kí hiệu số hiệu phát mong muốn .

Thành phần thứ 2 biểu thị ICI từ những kí hiệu số liệu không mong muốn của

các sóng mang con khác trong kí hiệu OFDM. là đáp ứng tần số của kênh và

là kí hiệu của Z trong miền tần số. Thành phần là hệ số của FFT(IFFT)

cho bởi:

(3.36)

Khi kênh là fading phẳng, có thể coi là hàm trọng số phức của các kí

hiệu số phát trong miền tần số

Các kĩ thuật điều chế trong hệ thống OFDM

Điều chế là một quá trình ánh xạ thông tin số thành analog sao cho có thể truyền được qua kênh. Như vậy mọi hệ thống thông tin số phải có chức năng này. Liên quan chặt chẽ đến quá trình điều chế là quá trình ngược lại ở đầu thu gọi là giả điều chế để khôi phục lại thông tin số đã phát.

Điều chế một tín hiệu làm thay đổi các bit nhị phân thành các dạng sóng analog được thực hiện bằng cách thay đổi biên độ, pha, tần số của các sóng mang. Về bản chất, OFDM chỉ cho phép sử dụng điều biên và điều pha.

Điều chế khóa dịch pha M-PSK

Trong điều chế M-PSK, biên độ của các tín hiệu phát là không đổi do đó tạo nên một vòng tròng. Một giải pháp điều chế khác là cho phép biên độ và pha của tín hiệu cùng thay đổi người ta gọi là điều chế biên độ cầu phương (QAM)

Tín hiệu M-PSK được biểu thị:

(3.37)

Ở đây là năng lượng tín hiệu , Khoảng kí hiệu , là tần số sóng

mang . Đây là pha sóng mang ở M giá trị

trong đó i=1,2,...M

Hình 3.5 Sơ đồ không gian tín hiệu 8-PSK

Điều chế M-QAM: Trong hệ thống điều chế M-PSK các thành phần đồng pha và pha vuông góc được kết hợp với nhau sao cho được một tín hiệu tổng hợp có đường bao không đổi. Tuy nhiên nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và pha vuông góc có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới

được gọi là điều chế biên độ vuông góc (hay cầu phương) M trạng thái (QAM: Quadrature Amplitude Modulation). Ở sơ đồ điều chế này sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha.

Dạng tổng quát của M-QAM được xác định bằng tín hiệu phát:

(3.38)

Trong đó E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất; ai và bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí của điểm bản tin được xác định như sau

Và

Trong đó Tín hiệu gồm hai thành phần sóng mang có pha vuông góc được điều

chế bởi một tập hợp tín hiệu rời rạc vì thế có tên là " điều chế biên độ vuông góc".

Có thể phân tích theo cặp hai hàm cơ sở:

, Và

Chùm tín hiệu của M-QAM bao gồm một mạng các điểm bản tin hình chữ nhật, như ở hình cho trường hợp M=16 (16-QAM). Dạng cơ sở của chùm tín hiệu ở hình 3.6 là dạng của một tín hiệu ASK có L trạng thái với L=4. Vậy tổng

quát một tín hiệu điều chế 16-QAM cho phép truyền ký hiệu độc lập nhau trên cùng một độ rộng băng tần của kênh cần thiết cho sơ đồ điều chế M- ASK

Hình 3.6 Chùm tím hiệu của 16 QAM (M=16)

Tọa độ của các điểm bản tin là và trong đó là

phần tử của một ma trận

Trong đó Thí dụ, đối với 16-QAM có L=4, ta được ma trận

3.6 Hiệu năng của hệ thống OFDM Ở đây luận văn xét hai loại điều chế thông dụng trong OFDM là M-PSK và M-QAM các tác giả [Yuan-Pei Lin] [See-May Phoong] tính xác suất lỗi như sau:

Giả sử hệ thống OFDM có bộ tiền mã hóa T, nhiễu là AWGN, các kí

hiệu điều chế:

Trong đó là năng lượng kí hiệu.Véc tơ kí hiệu đầu ra của máy thu x,

véc tơ kí hiệu đầu phát s, vậy véc tơ sai số ở đầu ra là e=x-s. Phân tích véctơ e dựa vào sơ đồ khối của máy thu

Hình 3.7 Đường nhiễu tại máy thu

Véctơ có M x 1, các phần tử của , các phần tử của là các biến ngẫu nhiên Gauss, cũng là các biến ngẫu nhiên Gauss phương sai

không tương quan phương sai . Do đó phần tử thứ k của véctơ nhiễu q có

phương sai (3.39)

Trong đó là hệ số truyền của bộ phối hợp trên hình 2.4

Như vậy nhiễu ở đầu ra là:

(3.40)

Ở đây kí hiệu phân tử thứ (k,i) của T. Nếu không tương quan ,

phướng sai nhiễu kênh con thứ i :

Như vậy:

với i=0,1,...M-1 (3.41)

Phần thực và phần ảo của có phương sai như nhau kí hiệu

là SNR của kênh con thứ i, vậy:

với (3.42)

Vì T là unitary, nên chúng ta có :

Do đó, lỗi trung bình bình phương (MSE)

(3.43)

MSE trung bình không phụ thuộc vào T: Đối với điều chế QPSK xác suất lỗi của kênh con thứ i [19] :

(4.44)

Ở đây

Xác suất lỗi trung bình:

(3.45)

Hiệu năng BER của hệ thống OFDM đối với điều chế M-QAM trong

kênh AWGN:

(3.46)

Trong đó hàm Q(.) là hàm chuẩn được cho bởi

Hiệu năng BER của hệ thống OFDM đối với điều chế M-QAM trong

kênh fading Rayleigh:

(3.47)

Trong đó hàm Q(.) là hàm chuẩn được cho bởi

3.7 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM:

Xét một hệ thống MIMO-OFDM có anten phát anten thu. Số liệu

đầu vào là các biến độc lập thống thống kê, trung bình 0 và phương sai bằng 1. Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc khối số liệu của mỗi anten phát nhận được dãy số liệu miền thời gian. Khởi đầu của mỗ dãy số liệu người ta đưa thêm đoạn

tiền tố chu trình. Dãy số liệu có tần số chu trình CP đi qua anten độc lâọ. Ở

mỗi anten thu, máy thu gạt bỏ CP và khối biến đổi Fourier rời rạc DFT thực hiện biến đổi Fourier tín hiệu thu được. Kí hiệu:

và là dãy số liệu phát và

thu đối với các anten. Dạng tổng quát của tín hiệu thu qua kênh fading chậm MIMO-OFDM có dạng: (3.48)

Trong đó là ma trận với phần tử thứ (i,j) của ma trận. là

đáp ứng tần số của kênh giữa anten phát thứ j và anten thu i và là véctơ nhiễu

Gauss trên sóng mang con thứ k. Các phần tử có trung bình 0 và

phương sai . Vécto tín hiệu thu được đối với sóng mang con thứ k sẽ là:

(3.49)

3.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDM

Cho đến bây giờ, nghiên cứu hiệu năng của hệ thống truyền tín MIMO-OFDM vẫn còn là bài toán thu hút nhiều nhà nghiên cứu [k.vidhya] [Lavish Kansal] [P. Suvil]. Đối tượng nghiên cứu của các tácgiả về hiệu năng của hệ thống MIMO- OFDM là dung lượng kênh, xác suất lỗi bit và giới hạn trên của xác suất lỗi.

Công cụ nghiên cứu: + Đối với dung lượng kênh và giới hạn trên của xác suất lỗi dùng toán học + Xác suất lỗi: đây là một bài toán khó vì vậy đến bây giờ hầu hết tác giả

đều dùng mô phỏng Trong khuân khổ luận văn này học viên cũng sẽ cung cấp tới các đại lượng đó và giải pháp cungc tương tự như vậy. Sau đây luận văn sẽ lần lượt trình bày ba đại lượng: Dung lượng kênh MIMO-OFDM, Giới hạn trên của xác suất lỗi và mô phỏng tính xác suất lỗi của hệ thống MIMO-OFDM. Tuy vậy khối lượng mô phỏng khá lớn, luận văn sẽ tách thành một chương riêng

Một trong những đặc điểm quan trọng của hệ thống MIMO-OFDM là

3.8.1 Dung lƣợng của hệ thống MIMO-OFDM: tăng dung lượng của hệ thống bằng cách tăng hệ số mà không cần

thay đổi công suất hoặc độ rộng băng tần. Do nhu cầu tăng tốc độ truyền số liệu trong các hệ thống thông tin hiện nay và tương lai cho nên các hệ thống MIMO- OFDM đang được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm[21]

Ở mục này luận văn nghiên cứu dung lượng kênh của hệ thống MIMO- OFDM trong trường hợp: tổng quan, các đầu vào không tương quan, các đầu vào có tương quan

a. Dung lượng hệ thống MIMO-OFDM tổng quan Trong quá trình nghiên cứu, chỉ khác với các hệ thống SISO là thay các

đại lượng vô hướng bằng các véctơ. Với lập luận đó ta coi X, Y là các véctơ ngẫu nhiên đầu vào và đầu ra, H là ma trận truyền đạt ngẫu nhiên của kênh mà máy thu đã biết, theo [59] ta có thể tính được dung lượng kênh:

(3.50)

Lưu ý để phân biệt Entropy với H là hàm truyền đạt của kênh, ở đây kí

hiệu Entropy bằng . Ta biết

Vậy (3.51)

Để đạt với giả thiết X có phân bố Gauss thì có phân

bố Gauss. Vậy theo (3.50) ta có C cho trường hợp hệ thống phức

(3.52)

Tính :

; Ở đây là biến đổi Hamiton của Y

(3.53)

Với

(3.54)

Thay (3.53) và (3.54) vào (3.52) ta có dung lượng kênh MIMO

(3.55)

Để giảm kí hiệu véctơ đối với một tập các phương trình vô hướng bây giờ

chúng ta triển sử dụng khai triển giá trị suy biến (SVD)

Trong đó u, v là các ma trận Unitary cấp và tương ứng, có tính

chất và

Ma trận là ma trận đường chéo cấp với các phần tử nằm trên

đường chéo là các giá trị suy biến của ma trận H. Với , có dạng:

(3.56)

Với thì

(3.57)

Hạng của ma trận H là

Sử dụng SVD cho (3.55) ta có:

Rút ra :

(3.58)

Phương trình (3.58) đúng vì định thức của ma trận không đổi nếu nó được

nhân với một ma trận Unitary.

Tiếp theo chúng ta phải phân biệt hai trường hợp: A. Các đầu vào của hệ thống MIMO không cùng hoạt động

Trước hết , chúng ta giả thiết rằng các đầu vào khác nhau của hệ thống MIMO không hoặc không thể cùng hoạt động với nhau. Ví dụ trong trường hợp

tuyến lên của hệ thống CDMA, tại đây các máy thu di động chỉ có thể thông tin với trạm gốc chung và không trực tiếp kết nối với nhau. Ngoài ra, nếu không biết được trạng thái kênh, thì không thể phối hợp véctơ tín hiệu X với các đặc

tính của kênh. Trong trường hợp đó, việc tối ưu theo H không thể thực hiện

được và giải pháp tốt nhất là phát luồng dữ liệu độc lập với công suất như

nhau ( ). Do đó ma trận hiệp phương sai của X trở thành . và

dung lượng kênh ( ) trở thành:

(3.59)

Các hệ số trong (3.59) là các giá trị suy biến khác không bình phương

của H hoặc tương đương các giá trị riêng của . Biểu thức (3.59) chỉ ra rằng chúng ta lấy tổng dung lượng r của kênh con độc lập có các công suất khác

nhau . Các kênh con này biểu thì các mod riêng của kênh được mô tả bằng

H. Lấy kì vọng theo của C (2.59) ta có dung lượng ergodic

B. Các đầu vào cùng hoạt động:

Nếu các máy phát được phép cùng hoạt động và nếu chúng biết mà trận tức thời của hệ thống H, chúng ta có thể dễ dàng tạo được các luồng số phát

một cách độc lập với công suất như nhau trên đầu vào. Theo (3.54) các mod

riêng của H biểu thị các phân hệ độc lâp không tương tác với nhau. Sử dụng khai triển giá trị riêng đối với ma trận hiệp phương sai X

(3.60)

là ma trận đường chéo với nằm trên đường chéo Ở đây

chính

Chọn ta có thông tin tương hỗ cực đại. Thay (3.60) vào (3.58) ta

có

(3.61)

Từ đây chúng ta hoan toàn khai thác các mod riêng của hệ thống H với

véctơ phát

ở đây là đồng vị, nghĩa là nó không có hướng thích hợp. Việc nhân với

ma trận Unitary không làm thay đổi đặc tính thống kê của nó nhưng làm

quay hệ thống tọa độ. Đó là một điều rất quan trọng vì tổng công suất của X

không thay đổi .

Do đó để làm cực đại chúng ta vẫn phải tìm mức công suất tối

ưu

Đối với dòng số hiệu . Vì chỉ có giá trị suy biến của khác 0 chúng

ta có thể lãng phí công suất nếu chọn với . Do đó công suất

chỉ được tiêu thụ đối với các kênh con có . Đối với kênh này, chúng ta

phải giải bài toán tối ưu lồi sau :

với và (3.62)

Biểu thức đầu tiên ở (3.62) được lấy cực đại, trong lúc đó biểu thức thứ

hai và thứ ba là các điều kiện cần:

Để thực hiện cực đại (3.62) ta dùng phương pháp Lagrange với hàm

lagrange xác định:

(3.63)

Trong đó và , chúng ta có các điều kiện

cần và đủ Karush-Kuhn-Tucker[59].

a , , b , c, hoặc (3.64)

Trước hết thực hiện đạo hàm riêng L theo ta có”

(3.65)

Giải phương trình (3.63) đối với và ứng dụng điều kiện b trong (3.64)

ta có :

(3.66)

Tiếp theo, chúng ta sử dụng điều kiện Karush-Kuhn-Tucker thứ ba. Người

ta nhận thấy rằng phải bằng 0 nếu và trở lên lớn bất kỳ với .

Do đó đưa điều kiện của c của (3.64) vào biểu thức trái của (3.66) ,ta có:

(3.67)

Chúng ta phải phân biệt 2 trường hợp:

Cuối cùng chọn biến chưa biết , sao cho thỏa mãn điều kiện tổng công

suất

(3.68)

Với các tính toán trên, ta có thể kết luận: - Nếu máy phát không biết kênh, thì tốt nhất là phát luồng độc lập có

công suất như nhau.

- Nếu máy phát biết thông tin trạng thái kênh một cách đầy đủ và cho

phép kết hợp hoạt động, thì phải chọn ma trạn hiệp phương sai sao cho các

mod riêng của kênh được sử dụng và các mức công suất của kênh độc lập có thể điều chỉnh được

- Nếu các giá trị suy biến của ma trận

là như nhau, từ (3.54) nhận thấy rằng dung lượng C tăng tuyến tính theo hạng của H . Do đó dung lượng của hệ thống MIMO hạng đầy đủ tăng tuyến tính theo

3.8.2 Giới hạn trên của xác suất lỗi

Giả sử đầu phát dãy mã và dãy mã thu

, máy thu sẽ quyết định sai nếu , đặc trưng cho nó là xác

suất thu lỗi theo [14] giới hạn trên của xác suất lỗi là:

(3.69)

Ở đây

(3.70)

Với

Và

Trường hợp kênh fading Rayleigh có

với Lúc đó (3.69) có dạng đơn giản [14]

(3.71)

Trường hợp kênh fading Ricean [14]

Trong trường hợp này Vậy (3.69) Trở thành

(3.72)

Biểu diễn giải tích xác xuất lỗi đối với hệ thống MIMO-OFDM là một bài toán khó. Cho đến nay, để nghiên cứu xác suất lỗi của hệ thống này, công cụ hữu hiệu là dùng Matlab để mô phỏng vấn đề này luận văn sẽ nghiên cứu ở chương sau.

TÓM TẮT CHƢƠNG 3

Trước đòi hỏi của thực tế: việc tăng tốc độ truyền dữ liệu hệ thống di động 3G có nhiều hạn chế. Vì vậy các nhà nghiên cứu và hãng sản xuất thiết bị đã và đang tập trung mọi khả năng để cho ra đời những hệ thống mới đáp ứng yêu cầu

Với mục tiêu nâng cao tốc độ truyền dữ liệu mà không tăng cường công suất phát, không tăng băng thông hệ thống người ta đã sử dụng các giải pháp: phân tập anten đầu thu, phân tập anten đầu phát, sử dụng kết hợp cả phân tâph thu phát gọi là hệ thống MIMO, hệ thống điều chế OFDM và kết hợp cả MIMO và OFDM tạo thành một hệ thống mới MIMO-OFDM. Trong quá trình phát triển đó, một bài toán đặt ra để kiểm chứng hiệu quả của chúng là tính hiệu năng của hệ thống, với yêu cầu đó chương 3 luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp phân tích, tính toán hiệu năng của các hệ thống có thể áp dụng cho mạng thông tin di động 4G. Để có thể tính toán được hiệu năng cho mỗi hệ thống phân tập, MIMO,OFDM và MIMO-OFDM thì việc đầu tiên cần phải thực hiện là mô tả mô hình hệ thống. Sau đó dùng công cụ toán học để tính toán hiệu năng trên mô hình đó là xác suất lỗi, xác suất gián đoạn hệ thống và dung lượng hệ thống. Tùy từng hoàn cảnh mà việc phân tích sẽ dừng lại ở xác suất lỗi, xác suất gián đoạn hệ thống hoặc dung lượng hệ thống như trong MIMO-OFDM

Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G

4.1 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit trong mô hình OFDM

Trong luận văn, học viên xây dựng mô hình OFDM sau đó tính hiệu năng

BER của hệ thống theo mô hình với bộ điều chế QAM bậc 16:

Các thông số mô phỏng theo bảng sau:

Thông số mô phỏng Giá trị

Bộ điều chế 16 QAM (M=16)

Kính cỡ khối FFT. nFFT = 64 64

Số lượng sóng mang. nDSC 52

16 Thời gian giữa các ký hiệu .

Số lượng bit cho mỗi ký hiệu OFDM. 52

nBitPerSym

Số lượng các ký hiệu. nSym 10^4

Tỉ lệ nhiễu bit. EbN0dB [0:16]

Chỉ số sóng mang con sử dụng {-26 tới -1, +1 tới +26}

Bảng 4.1 Thông số mô phỏng OFDM

Quan hệ giữa năng lượng ký hiệu và năng lượng bit theo công thức:

Tỉ lệ nhiễu ký hiệu được tính trong chương trình mô phỏng: EsN0dB =

EbN0dB + 10*log10(nDSC/nFFT) + 10*log10(64/80)+ 10*log10(k)

Kết quả mô phỏng tính BER của bộ điều chế 16 QAM trong mô hình OFDM

cho bởi hình dưới đây.

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng OFDM Nhận xét: Kết quả mô phỏng đánh giá giữa tính toán lý thuyết theo công thức tính BER ở chương 3 và trong chương trình mô phỏng với ảnh hưởng của lỗi bit giữa các bộ thu phát OFDM có khác nhau và tỉ lệ lỗi bit của chương trình mô phỏng cao hơn do có thêm nhiễu giả lập và ảnh hưởng của đồng bộ .

Xây dựng mô hình OFDM cho mạng WIMAX và tính BER đối với điều chế

QPSK

Thông số mô phỏng Giá trị

Bộ điều chế QPSK

Kính cỡ khối FFT 128

Số lượng sóng mang 128

16 Thời gian giữa các ký hiệu .

Số lượng bit cho mỗi ký hiệu OFDM. 100

Độ dài Gurad interval 32

Tỉ lệ nhiễu bit [2:10]

4.2 Xây dựng và tính hiệu năng LTE Mô hình truyền dẫn OFDMA và SC-FDMA Sơ đồ khối của hệ thống OFDMA và SC-FDMA được biểu thị trên hình

4.2 và hình 4.3

Hình 4.2 Mô hình truyền dẫn OFDMA

Hình 4.3 Mô hình truyền dẫn SC-FDMA

Trong mô phỏng học viên sử dụng kênh nhiễu trắng cộng Gauss với hàm

MATLAB awgn vì thế có khác chút ít so với kênh thực

Khi mô phỏng kênh có fading, học viên giả thiết trong kênh có fading đa đường lựa chọn theo tần số với mô hình fading Rayleigh và sử dụng MATLAB Rayleighchan với các tham số cho trong bảng 4.2

Các tham số Giả thiết

Số sóng mang con 512

Khoảng SNR (dB) 0 đến 30

Điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM,64-QAM

Cỡ khối số liệu 16 (số lượng các ký tự)

Kênh AWGN (SNR=100 dB)

Băng thông hệ thống 5 MHz

Khoảng thời gian dùng 32

Fading Rayleigh

Các tham số fading Rayleigh Chu kỳ mẫu vào =1.00e-3 giây

Dịch Doppler cực đại =100 Hz

Véctơ trễ=[0 2.00e-5] giây

Véctơ độ lợi đường trung bình [0- 9]dB

Bảng 4.2 Bảng mô phỏng LTE

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR PAPR được định nghĩa là tỉ số công suất đỉnh tức thời trên công suất đỉnh trung

bình của mỗi ký tự đa sóng mang .Được biểu diễn qua công thức toán học sau:

Với là ký tự đa sóng mang trong khoảng thời gian 0

nghĩa là đánh giá PAPR đánh giá trên mỗi ký tự OFDM. Đây là tham số quan trọng có ảnh hưởng đến xác suất lỗi trong hệ thống 4G. Việc tính PAPR dựa trên cơ sở biểu diễn CCDF ( hàm phân bố tích lũy bù), của PAPR. Đó là xác suất để PAPR cao hơn 1 giá trị PAPRo nào đó.

(4.1) Tức là:

Đây là độ đo rất quan trọng được sử dụng rộng dãi đễ mô tả tính năng công

suất của tín hiệu

Tỷ số lỗi bit BER:

BER là tỉ số các bit lỗi trên tổng số các bit đã phát đi trong một khoảng

thời gian nào nó.

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: SNR là tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất của nhiễu được

biểu thị bằng dB:

(4.2)

Quan hệ của BER với SNR: Đối với một sơ đồ điều chế nào đó, BER là một hàm của SNR Xác suất lỗi Xác suất lỗi Pe là cường độ lỗi suất hiện trong tín hiệu thu. Xác suất lỗi kí hiệu đối với các trường hợp điều chế M.PSK, M.QAM trong kênh nhiễu Gauss như đã xét ở các mục 2.7 và 2.8 trong chương 2.

4.3 Kết quả mô phỏng quan hệ BER và SNR

Đối với trường hợp OFDMA. Kết quả được biểu thị trên hình 4.4

Hình 4.4 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA điều chế thích nghi Với BER = 1e-3 Sơ đồ điều chế BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM Bit / kí hiệu 1 2 4 6 SNR (dB) 6.8 6.8 11.6 16.4

Bảng 4.3 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA

Đối với trường hợp SC-FDMA điều chế thích nghi với BER = 1e-3 Bit / kí hiệu Sơ đồ điều chế 1 BPSK 2 QPSK 4 16-QAM 6 64-QAM SNR (dB) 6.5 6.5 11.7 16.4

Bảng 4.4 Quan hệ BER với SNR trong trường hợp SC-FDMA

Hình 4.5 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống SFDMA điều chế thích nghi Nhận xét : Trong bảng 4.3 và 4.4 lấy giá trị xác định BER(1e-3): Trong cả 2 trường hợp OFDMA và SC-FDMA với điều chế BPSK và QPSK có cùng giá trị SNR là 6.8 và 6.5 tương ứng. Với điều chế 16- QAM và 64-QAM có giá trị cao nhất là 16.4 chứng tỏ SNR với hệ thống điều chế 64-QAM là hiệu quả nhất.

4.4 Kết quả mô phỏng xác suất lỗi đối với hệ thống OFDMA và SC-

FDMA điều chế thích nghi

Với trường hợp OFDMA đồ thị xác suất lỗi được biểu diễn trên hình 4.6

Hình 4.6 Xác suất lỗi trong hệ thống OFDMA

Với Pe=1e-0.5 Sơ đồ điều chế BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM Bit / kí hiệu 1 2 4 6 SNR (dB) 1 2.6 8.4 56

Bảng 4.5 Kết quả của Pe với OFDMA

Trường hợp SC-FDMA Pe=1e-0.5 kết quả được biểu thị trong bảng 4.5 Sơ đồ điều chế BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM Bit / kí hiệu 1 2 4 6 SNR (dB) 1 2 8 39

Bảng 4.6 Kết quả của Pe với hệ thống SC-FDMA

Mối quan hệ *Pe với SNR trong hệ thống SC-FDMA được biểu thị trên

hình 4.5

Hình 4.7 Xác suất lỗi trong hệ thống SC-FDMA

Nhận xét: Từ bảng 4.5 và 4.6 ta nhận thấy rằng  Đối với giá trị xác định Pe (1e-0.5), điều chế BPSK có giá trị SNR bé hơn

so với các dạng điều chế khác

 64-QAM có giá trị SNR cao hơn trong cả hai trường hợp OFDM và SC-

FDMA

4.5 Kết quả mô phỏng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PAPR của OFDMA và FC-FDMA điều chế thích nghi Đối với trường hợp OFDMA điều chế thích nghi

Hình 4.8 PAPR trong hệ thống OFDMA

Nhận xét: đối với trường hợp OFDMA có PAPR cao và nằm trong khoản từ

9 đến 9.7 dB. Bộ điều chế BPSK có PAPR cao nhất. Đối với trường hợp SFDMA điều chế thích nghi

Hình 4.9 PAPR trong hệ thống SC-FDMA Nhận xét: đối với trường hợp SFDMA có PAPR đã giảm nằm trong

khoản từ 6.8 đến 8.2 dB. Bộ điều chế 64 QAM có PAPR cao nhất.

Đối với trường hợp OFDMA điều chế thích nghi với hệ thống điều chế

BPSK và QPSK

Hình 4.10, 4.11 biểu thị PAPR của OFDMA điều chế:

Hình 4.10 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế BPSK

Hình 4.11 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế QPSK

Nhận xét: Từ Hình 4.10 và 4.11 ta nhận thấy rằng: Giá trị PAPR của SC-FDMA hầu như giống nhau 6.6 dB đối với cả hai loại

điều chế.

Giá trị PARP của OFDMA trong điều chế QPSK giảm hơn một ít Đối với trường hợp OFDMA và SC-FDMA điều chế 16-QAM và 64-QAM Quan hệ P(PAPR>PAPRo) và PAPR trong điều chế 16-QAM được biểu thị

trên hình 4.12

Hình 4.12 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 16 QAM

Quan hệ P(PAPR>PAPRo) và PAPR trong điều chế 16-QAM được biểu thị

trên hình 4.12

Hình 4.13 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 64 QAM Nhận xét: Từ hình 4.12 và 4.13 ta nhận thấy rằng, khi tăng bậc điều chế thì

PAPR của SC-FDMA tăng từ 7 dB lên 7,5 dB trong trường hợp 16 QAM

- Trong trường hợp 64 QAM lên đến 8,8 dB - Với hệ thống SC-FDMA thì bậc điều chế tăng – PAPR tăng - Với hệ thống OFDMA thì bậc điều chế tăng- PAPR giảm 4.3 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit với mô hình kênh MIMO

Thông số mô phỏng Giá trị

Bộ điều chế BPSK

Số lượng bit hoặc kí hiệu 10^6

nTx Số lương anten thu 2

nRx Số lượng anten nhận 2

Tỉ lệ nhiễu bit. EbN0dB [0:25]

Hình 4.14 Mô phỏng MIMO 2x2 và đánh giá phân tập

Từ kết quả mô phỏng ta thấy: - Với hệ thống SISO vì không có phân tập cho nên dưới tác động của méo

kênh cho nên lỗi đầu ra máy thu sẽ cao nhất

- Trường hợp hệ thống 2x2 MIMO có sử dụng cân bằng ML cho phép tăng được dung lượng kênh nhưng hiệu năng gần xấp xỉ trường hợp hệ thống phân tập thu hai anten sử dụng thuật toán cho bộ tổ hợp đầu ra anten là MRC 4.4 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit với mô hình kênh MIMO-OFDM

Thông số mô phỏng Giá trị

Bộ điều chế BPSK

Kính cỡ khối FFT. Num_FFT 512

Số lượng sóng mang. Num_subcarrier 512

16 Thời gian giữa các ký hiệu .

Số lượng bit cho mỗi ký hiệu 512

OFDM. Num_BitPerSym

Số lượng các ký hiệu. Num_Sym 1000

Tỉ lệ nhiễu bit. EbN0dB [0:40]

Kết quả mô phỏng:

Hình 4.15 MIMO-OFDM với bộ điều chế BPSK

Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy: Trong hệ thống MIMO-OFDM với điều chế BPSK thì: Khi tỷ số nhỏ hơn 30 dB ta có BER của hệ thống khá cao và hầu

như ít biến đổi ứng với trường hợp việc truyền tin của hệ thống là không chấp nhận được.

Với tỷ số lớn hơn 30 dB, BER giảm nhanh tuy vậy đến giá trị BER

thì hệ thống truyền tin này mới đảm bảo truyền tín hiệu BPSK

KẾT LUẬN CHƢƠNG 4: BER là tham số hiêu năng cơ bản của bất kỳ hệ thống truyền dẫn số liệu nào. Kế tục kết quả phân tích lý thuyết hiệu năng của hệ thống 4G ở chương 2, chương này học viên tiến hành mô phỏng BER của hệ thống 4G với các mô hình OFDM, LTE, MIMO và MIMO-OFDM . Công cụ thực hiện mô phỏng là MATLAB. Ngoài mô phỏng BER chương này tiến hành mô phỏng PAPR là tỷ số quan trọng trong hệ thống thông tin di động 4G trên nền LTE(OFDMA, SC- FDMA). Tham số này liên quan đến méo phi tiến trong hệ thống ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống thông tin.

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

Hệ thống thông tin di động 4G đã vượt xa hệ thống 3G nhờ tận dụng các ưu điểm của các kĩ thuật trong sử lý tín hiệu đó là OFDM trong truyền tốc độ dữ liệu cao như sử dụng băng thông hiệu quả, chống được fading chọn lọc tần số, chống nhiễu ISI, kĩ thuật MIMO làm tăng dung năng của hệ thống với việc phân tập mà không làm thay đổi công suất phát tại phía đầu phát , kĩ thuật MIMO- OFDM được kết hợp ưu điểm của MIMO và OFDM hiện nay được dùng trong hệ thống thông tin 4G và là kĩ thuật được nhiều nhà nghiên cứu tìm hiểu đánh giá. Các lý thuyết đưa ra để tính hiệu năng của hệ thống 4G bằng giải tích tương đối phức tạp và để tính và đánh giá được thường đưa về mức độ mô phỏng có hỗ trợ phần mềm mô phỏng MATLAB để tính toán theo mục đích đặt ra. Luân văn cũng theo hướng mô phỏng và đánh giá các kĩ thuật mạng 4G nhằm đánh giá kiểm chứng các lý thuyết tính hiệu năng

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM. Do hệ thống đa sóng mang, nên cũng phải đối mặt với một vấn đề quan trọng là sự méo phi tuyến từ bộ khuyếch đại cao tần. Nguyên nhân của vấn đề này là do tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PARR khá lớn dẫn đến tầm động của tín hiệu khá lớn khi hệ thống đa sóng mang sử dụng số sóng mang phụ lớn.

Vì vậy, hướng tiếp theo của để tài đó là nghiên cứu một số kỹ thuật nhằm mục đích giảm thiểu PARR trong hệ thống MIMO-OFDM chúng có thể được chia thành 2 hướng tiếp cận. Trong hướng thứ nhất, ta sẽ chèn thêm các thông tin dư thừa nhằm giảm biên độ đỉnh trong từng symbol phát từ đó giảm PARR của hệ thống. Hướng thứ hai là cho tín hiệu đi qua một bộ sửa đổi nhằm loại bỏ các đỉnh tín hiệu có biên độ lớn.

Đối với việc giảm BER cho hệ thống 4G định hướng nghiên cứu các kĩ thuật sửa mã lỗi trên đường truyền nhằm đạt kết quả cao về hiệu năng truyền tín hiệu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt 1. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Bài giảng truyền dẫn vô tuyến số. 2. Trần Xuân Nam, Mô phỏng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng

Matlab.

3. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ thứ 3”. Nhà xuất

bản bưu điện 2002.

4. TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng “Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên

4G”. Nhà xuất bản Thông tin và truyền thông

Tiếng Anh 5. Ramjee Prasad, Shinsuke Hara , Multicarrier Techniques for 4G Mobile

Communications. The Artech House Universal Personal Communications Series 2003

6. Andrea Goldsmith Stanford University, Wireless Communications 7. Volker kuhn, Wireless Communications over MIMO channels 8. Authors: Yu Zhang, Mimo-OFDM System in the Presence of Pase Noise

and Doubly Selective Fading, IEEE Transactions on Vehicular Technology Vol 56, No.4 jully 2007

9. Helmut Bolcskei, Principles of MIMO-OFDM Wireless Systems 10. Authors: Gordon L.Stuber, John R.Barry, Steve W. Mclaughlin, YE(Geoffrey) Li, Mary ann Ingram, Thomas G,Pratt, Broadband MIMO- OFDM Wireless Communication, Processding of IEEE, Vol. 92. No.2. February 2004

11. Authors: Anastasions Stamoulis, Suhas N. Diggai, Naofal Al-Dhahir, Intercarrier interference in MIMO OFDM, IEEE Transactions on signal processing. Vol. 50. No.10. october 2002

12. Authors: Niharika Sethy, Subhakanta Swanin, Ber analysis of MIMO- OFDM system in different fading channel, Volume 2,Issue 4, April 2013 13. Authors: K.Vidhya, K.R.Shankarkumar, Ber Performace of MIMO- OFDM System using STTC, International Journal of Scientific and Research Publiccation, Volume 3, Issue 2, February 2013

14. Authors: P. Sunil Kumar, Dr.M.G Sumithra, M. Sarumathi, Performace Analysis of Rayleigh Fading channels in MIMO-OFDM Systems using BPSK an QPSK Modulation Schemes, CNCE. Vol.1.No.1.March-April 2013

15. Authors: Dr. Amandeep Sigh Sappal, Parneet Kaur, Ber performance of ofdm system with 16 QAM and varying length of guard interval, International Journal of Electronics and Electrical Engineering. Volume 2 Issue 3( March 2012)

16. Authors: Yuan-Pei Lin, See-May Phong, Ber Minized OFDM System With Channel Independent Precoders, IEEE Transactions on signal processing. Vol. 51. No.9. September 2013

17. Authors: Lavish Kansal, Ankush Kansal , Kulbir Singh, Ber analysis of MIMO-OFDM System Using OSTBC Code Structure for M-PSK under Different Fading Channels, International Journal of Scientific& Engineering Reaseach, Volume 2, Issue 11, November-2011

18. Authors: Shruti Trivedi Mohd. Sarwar Raeen, Shalendra Singh pawar

, Ber Analysis of MIMO-OFDM System using BPSK Modulation Scheme, International Journal of Advanced Computer Research, Volume 3, Issue 5, September- 2012

19. Authors: Md. Mejbaul Haque, Mohammad Shafur Rahman and Ki-Doo Kim, Performance Analysis of MIMO-OFDM for 4G Wireless Systems under Rayleigh Fading Channel , International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering Vol.8. No.1 .January. 2013

20. Authors: Abdul Samad Shaikh, Khatri Chandan Kumar, Performance Evaluation of LTE Physical Layer Using SC-FDMA & OFDMA, Blekinge Institute of Technology November 2010

Website 21. http://en.wikipedia.org/wiki/4G 22. http://www.thongtincongnghe.com/article/3121 23. http://www.3gpp.org/LTEg 24. www.Thongtincongnghe.com 25. www.Vntelecom.org 26. www.Tapchibcvt.gov.vn

PHỤ LỤC

% BER trong he thong OFDM su dung bo dieu che 16QAM clear all close all; clc; M = 16; % so luong cua gian do chom sao QAM (4,16,64,256) nFFT = 64; % kich co fft nDSC = 52; % so luong song mang Td = 64; % thoi gian giua cac ky hieu Tcp = 16; % thoi gian giua cac cylic prefix (GI=1/4) nBitPerSym = 52; % so luong bit cho moi ky hieu OFDM (giong so luong cac song mang con cho BPSK) nSym = 10^4; % so luong cac ky hieu k = log2(M); % bits cho moi ky hieu EbN0dB = [0:16]; % ti le nhieu bit EsN0dB = EbN0dB + 10*log10(nDSC/nFFT) + 10*log10(64/80)+ 10*log10(k); % chuyen doi toi EsNo (EsN0 = EbN0*(nDSC/nFFT)*(Td/(Td+Tcp)) % OFDM for ii = 1:length(EbN0dB) % BEN PHAT %Du lieu ipBit = randint(1,nBitPerSym*nSym,M); %Dieu che du lieu ipMod = (1/sqrt(10))*qammod(ipBit,M); %Bo dieu che 16QAM tx = ipMod; % S/P ipMod = reshape(ipMod,nBitPerSym,nSym).'; % chuyen doi tuan tu sang song song % gia thiet ky hieu dieu che cho cac song mang con tu [-26 to -1, +1 to +26] (zeros padding) xF = [zeros(nSym,6) ipMod(:,[1:nBitPerSym/2]) zeros(nSym,1) ipMod(:,[nBitPerSym/2+1:nBitPerSym]) zeros(nSym,5)] ; % Cho khoi IFFT, cong thuc (nFFT/sqrt(nDSC)) dung cho truyen mot ky tu xt = (nFFT/sqrt(nDSC))*ifft(fftshift(xF.')).'; %Them CP tranh nhieu xt = [xt(:,[49:64]) xt]; % P/S xt = reshape(xt.',1,nSym*80); % Mo ta voi nhieu Gauss voi trung binh 0 nt = 1/sqrt(2)*[randn(1,nSym*80) + j*randn(1,nSym*80)]; % Them nhieu, gia thiet sqrt(80/64) cyclic prefix yt = sqrt(80/64)*xt + 10^(-EsN0dB(ii)/20)*nt; yts = sqrt(80/64)*xt + 10^(-EsN0dB(ii)/20)*nt; % BEN THU % S/P yt = reshape(yt.',80,nSym).'; % Loai bo cyclic prefix yt = yt(:,[17:80]); % Thuc hien bien doi FFT (bien doi ve mien tan so) yF = (sqrt(nDSC)/nFFT)*fftshift(fft(yt.')).'; % loai bo zero yMod = yF(:,[6+[1:nBitPerSym/2] 7+[nBitPerSym/2+1:nBitPerSym] ]);

% Chương trình mô phỏng OFDM bộ điều chế 16 QAM

rx = reshape(yMod,1,520000); % Dieu che 16QAM ipBitHat = qamdemod(yMod*sqrt(10),M); % rxData =qamdemod(rxDataMod*sqrt(10),M); % P/S ipBitHat = reshape(ipBitHat.',nBitPerSym*nSym,1).'; % Dem loi nErr(ii) = size(find(ipBit - ipBitHat),2); end simBer = nErr/(nSym*nBitPerSym); theoryBer = (1/k)*3/2*erfc(sqrt(k*0.1*(10.^(EbN0dB/10)))); h= figure(1) set(h,'Name','Tinh BER cho bo dieu che 16QAM - OFDM' ); semilogy(EbN0dB,theoryBer,'ms-','LineWidth',2,'MarkerSize',5); hold on semilogy(EbN0dB,simBer,'bx-','LineWidth',2,'MarkerSize',5); axis([0 16 10^-5 1]); grid on legend('Ly thuyet', 'Mo phong'); xlabel('Eb/No, dB') ylabel('Bit Error Rate') title('BER cho bo dieu che 16QAM trong OFDM') hold off % BER wimax_OFDM para=128; % So luong kenh song song truyen toi tram phat fftlen=128; % Do dai FFT noc=128; % So luong song mang nd=100; % So luong cua ki tu OFDM ml=2; % Bo dieu che : QPSK sr=250000; % Toc do tin hieu br=sr.*ml; % Toc do bit cho moi song mang gilen=32; % Do dai cua khoang dam bao (points) ebn0=2:0.5:10; % Eb/N0 for iiii=1:length(ebn0); nloop=100; noe = 0; nod = 0; eop=0; nop=0; for iii=1:nloop %seldata=rand(1,para*ml*nd)>0.5; seldata=randint(1,para*ml*nd); %Serial to parallel conversion paradata=reshape(seldata,para,ml*nd); % Bo dieu che QPSK [ich,qch]=qpskmod(paradata,para,nd,ml); kmod=1/sqrt(2); %Bo dieu che QPSK ich1=ich.*kmod; qch1=qch.*kmod; %IFFT x=ich1+qch1.*i;

y=ifft(x); ich2=real(y); qch2=imag(y); %Gurad interval insertion ( Do dai khoang dam bao chen them) [ich3,qch3]= giins(ich2,qch2,fftlen,gilen,nd); %Chuyen tu song song sang tuan tu fftlen2=fftlen+gilen; %Tinh toan nhieu spow=sum(ich3.^2+qch3.^2)/nd./para; attn(iiii)=0.5*spow*sr/br*10.^(-ebn0(iiii)/10); attn(iiii)=sqrt(attn(iiii)); %Dau thu %Them AWGN ich4=ich3+attn(iiii)*randn(1,length(ich3)); qch4=qch3+attn(iiii)*randn(1,length(qch3)); % [ich4,qch4]=comb(ich3,qch3,attn(iiii)); %Guard interval removal(Loai bo khoang dam bao) [ich5,qch5]= girem(ich4,qch4,fftlen2,gilen,nd); %Chuyen tu tuan tu sang song song %FFT rx=ich5+qch5.*i; ry=fft(rx); ich6=real(ry); qch6=imag(ry); % demoduration ich7=ich6./kmod; qch7=qch6./kmod; [demodata]=qpskdemod(ich7,qch7,para,nd,ml); %Chuyen tu song song sang tuan tu demodata1=reshape(demodata,1,para*nd*ml); % Bit Error Rate (BER) % Tinh so luong loi bit noe2=sum(abs(demodata1-seldata)); nod2=length(seldata); % Tinh toan so luong loi cua tin hieu voi noe va nod noe=noe+noe2; nod=nod+nod2; end % Hien thi tinh toan loi bit ber(iiii)=noe/nod; fprintf('%f\t%e\t%e\t%d\t\n',ebn0(iiii),ber(iiii),nloop); end figure(1) set(figure(1),'Name','BER Wimax voi dieu che QPSK','NumberTitle','off') semilogy(ebn0,ber,'*-'); grid on

xlabel('ebn0');ylabel('BER'); legend('OFDM-Wimax'); % Mô phỏng và tính cho phân tập MIMO % Tinh BER cho bo dieu che BPSK % Kenh Rayleigh fading voi phan tap 2 Tx, 2Rx MIMO % Bo can bang ML clear N = 10^6; %So luong bit hoac ki hieu Eb_N0_dB = [0:25]; %Gia tri Eb/N0 nTx = 2; nRx = 2; for ii = 1:length(Eb_N0_dB) % Tram phat ip = rand(1,N)>0.5; % du lieu truyen 0,1 s = 2*ip-1; % Dieu che BPSK 0 -> -1; 1 -> 0 sMod = kron(s,ones(nRx,1)); % sMod = reshape(sMod,[nRx,nTx,N/nTx]); % Ma tran trong nhóm [nRx,nTx,N/NTx ] h = 1/sqrt(2)*[randn(nRx,nTx,N/nTx) + j*randn(nRx,nTx,N/nTx)]; % Kenh Rayleigh n = 1/sqrt(2)*[randn(nRx,N/nTx) + j*randn(nRx,N/nTx)]; % Nhieu gaussian , 0dB variance % Kenh va them nhieu y = squeeze(sum(h.*sMod,2)) + 10^(-Eb_N0_dB(ii)/20)*n; % Bộ cân bằng ML tại trạm thu % ---------------------------- % if [s1 s2 ] = [+1,+1 ] sHat1 = [1 1]; sHat1 = repmat(sHat1,[1 ,N/2]); sHat1Mod = kron(sHat1,ones(nRx,1)); sHat1Mod = reshape(sHat1Mod,[nRx,nTx,N/nTx]); zHat1 = squeeze(sum(h.*sHat1Mod,2)) ; J11 = sum(abs(y - zHat1),1); % if [s1 s2 ] = [+1,-1 ] sHat2 = [1 -1]; sHat2 = repmat(sHat2,[1 ,N/2]); sHat2Mod = kron(sHat2,ones(nRx,1)); sHat2Mod = reshape(sHat2Mod,[nRx,nTx,N/nTx]); zHat2 = squeeze(sum(h.*sHat2Mod,2)) ; J10 = sum(abs(y - zHat2),1); % if [s1 s2 ] = [-1,+1 ] sHat3 = [-1 1]; sHat3 = repmat(sHat3,[1 ,N/2]); sHat3Mod = kron(sHat3,ones(nRx,1)); sHat3Mod = reshape(sHat3Mod,[nRx,nTx,N/nTx]); zHat3 = squeeze(sum(h.*sHat3Mod,2)) ; J01 = sum(abs(y - zHat3),1); % if [s1 s2 ] = [-1,-1 ] sHat4 = [-1 -1]; sHat4 = repmat(sHat4,[1 ,N/2]); sHat4Mod = kron(sHat4,ones(nRx,1)); sHat4Mod = reshape(sHat4Mod,[nRx,nTx,N/nTx]); zHat4 = squeeze(sum(h.*sHat4Mod,2)) ;

J00 = sum(abs(y - zHat4),1); % finding the minimum from the four alphabet combinations rVec = [J11;J10;J01;J00]; [jj dd] = min(rVec,[],1); % mapping toi cac bit bits ref = [1 1; 1 0; 0 1; 0 0 ]; ipHat = zeros(1,N); ipHat(1:2:end) = ref(dd,1); ipHat(2:2:end) = ref(dd,2); % Tinh toan loi nErr(ii) = size(find([ip- ipHat]),2); end simBer = nErr/N; % mo phong BER EbN0Lin = 10.^(Eb_N0_dB/10); theoryBer_nRx1 = 0.5.*(1-1*(1+1./EbN0Lin).^(-0.5)); p = 1/2 - 1/2*(1+1./EbN0Lin).^(-1/2); theoryBerMRC_nRx2 = p.^2.*(1+2*(1-p)); close all figure semilogy(Eb_N0_dB,theoryBer_nRx1,'bp-','LineWidth',2); hold on semilogy(Eb_N0_dB,theoryBerMRC_nRx2,'kd-','LineWidth',2); semilogy(Eb_N0_dB,simBer,'mo-','LineWidth',2); axis([0 25 10^-5 0.5]) grid on legend('SISO Khong phan tap (nTx=1,nRx=1)', 'Phan tap 1x2 (nTx=1,nRx=2, MRC)', 'Phan tap 2x2 MIMO(nTx=2, nRx=2, ML)'); xlabel('Average Eb/No,dB'); ylabel('Bit Error Rate'); title('BER cho dieu che BPSK phan tap 2x2 MIMO và bo can bang ML(Rayleigh channel)'); % Xây dựng và tính hiệu năng 4G LTE tầng vật lý Chuyen doi tuan tu sang song song function y = series2parallel(x,NS) L=length(x); q=floor(L/NS); newvec=zeros(NS,q); for i=1:q newvec(1:NS,i)=x((1+(i-1)*NS):i*NS); end y=newvec; Chuyen doi tu song song sang tuan tu xdash = reshape(z,1,NS) berr = 0 ; for a = 1:1:NS; if (xdash(:,a) == x(:,a)) berr = 0; else berr = berr+1; end end

Them CP tranh can nhieu function y=cyclicpad(X,L) N=length(X(:,1)); N-L+1 Y=[X(N-L+1:N,:);X]; y=Y; Loai bo CP function y=decyclicpad(X,L) N=length(X(:,1)); Y=X(L+1:N,:); y=Y; Mapping: function [iout,qout]=crmapping(idata,qdata,fftlength,nd); iout=zeros(fftlength,nd); qout=zeros(fftlength,nd); iout(2:27,:)=idata(1:26,:); qout(2:27,:)=qdata(1:26,:); iout(39:64,:)=idata(27:52,:); qout(39:64,:)=qdata(27:52,:); Demapping: function [iout,qout]=crdemapping(idata,qdata,fftlength,nd); iout(1:26,:)=idata(2:27,:); qout(1:26,:)=qdata(2:27,:); iout(27:52,:)=idata(39:64,:); qout(27:52,:)=qdata(39:64,:); Bieu dien cac dieu che BPSK (tmp(:,1) + jtmp(:,2))/sqrt(2) QPSK (tmp(:,1) + jtmp(:,2))/sqrt(2) 16 QAM [-3+3i -1+3i 1+3i 3+3i ... -3+i -1+i 1+i 3+i ... -3-i -1-i 1-i 3-i ... -3-3i -1-3i 1-3i 3-3i 64 QAM [-5+5i -1+5i 1+5i 5+5i ... -5+i -1+i 1+i 5+i ... -5-i -1-i 1-i 5-i ... -5-5i -1-5i 1-5i 5-5i]; Tinh BER va xac suat loi voi OFDM tberr(count1,:) = berr; Eb_No = 0:1:NS-1; Eb_No = 0.4Eb_No; if(M<=8) ber(count1,:) = berawgn(Eb_No,'psk',M,'nondiff'); Pe(count1,:) = erfc(sqrt(0.9Eb_No)sin(pi/M)); else ber1(count1,:) = berawgn(0.9Eb_No,'qam',M); Pe(count1,:) = 2((1-(1/sqrt(M)))erfc(sqrt((1.5*Eb_No)/(M-1)))); end

for init = 1:1:32 switch M end end end M= 2^count1; end figure() % Plot SNR and BER semilogy(Eb_No,ber(2,:),'k',Eb_No,ber(3,:),'g',Eb_No,ber1(5,:),'b',Eb_No,ber1(7,:),'r'); axis([0 25 0.0001 1]); xlabel('SNR [dB]') ylabel('BER') legend('BPSK','QPSK','16-QAM','64-QAM') title('OFDMA') % Tinh toan voi PAPR y la tin hieu ra tu dieu che papr1(n) = 10*log10(max(abs(y).^2) / mean(abs(y).^2)); end % Plot CCDF. set(figure(),'Name','PAPR DOI VOI OFDMA','NumberTitle','off') [N,Z1] = hist(papr1, 100); semilogy(Z1,1-cumsum(N)/max(cumsum(N)),'r') hold on title ('PAPR of OFDMA') xlabel ('PAPR[dB]') ylabel ('{PAPR(PAPR>PAPR0)}') Ham chinh bao gom cac menu f=figure('MenuBar','None'); set(f,'Name','TINH HIEU NANG CUA HE THONG THONG TIN DI DONG 4G','NumberTitle','off') mh1 = uimenu(f,'Label','TINH BER'); mh2 = uimenu(f,'Label','TINH XAC SUAT LOI'); mh3 = uimenu(f,'Label','TINH PARP'); mh4 = uimenu(f,'Label','THOÁT') set(mh4,'Callback','my_closereq()') set(0,'DefaultFigureCloseRequestFcn',@my_closereq) frh11 = uimenu(mh1,'Label','DOI VOI HE THONG OFDMA'); set(frh11,'Callback','ofdma()'); frh12 = uimenu(mh1,'Label','DOI VOI HE THONG SC-FDMA'); set(frh12,'Callback','scfdma()'); frh21 = uimenu(mh2,'Label','DOI VOI HE THONG OFDMA'); set(frh21,'Callback','ProbabilityErrorOFDMA()'); frh22 = uimenu(mh2,'Label','DOI VOI HE THONG SC-FDMA'); set(frh22,'Callback','ProbabilityErrorSCFDMA()'); frh31 = uimenu(mh3,'Label','DOI VOI HE THONG OFDMA'); set(frh31,'Callback','paprOFDMA()'); frh32 = uimenu(mh3,'Label','DOI VOI HE THONG SC-FDMA'); set(frh32,'Callback','paprSCFDMA()') frh33 = uimenu(mh3,'Label','SO SANH PAPR OFDMA VA SCFDMA'); set(frh33,'Callback','comparePAPR()')

Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G

NGUYỄN VĨNH HƢNG TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2014

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Ngô Hồng Sơn Hà Nội - 2014

Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G .............................................................................. 3

Chƣơng 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......... 13

Chƣơng 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ...... 30

Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G .......................... 54

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok

Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G

NGUYỄN VĨNH HƢNG TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2014

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Ngô Hồng Sơn Hà Nội - 2014

Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G .............................................................................. 3

Chƣơng 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ......... 13

Chƣơng 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ...... 30

Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G .......................... 54

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok