Link xem tivi trực tuyến nhanh nhất xem tivi trực tuyến nhanh nhất xem phim mới 2023 hay nhất xem phim chiếu rạp mới nhất phim chiếu rạp mới xem phim chiếu rạp xem phim lẻ hay 2022, 2023 xem phim lẻ hay xem phim hay nhất trang xem phim hay xem phim hay nhất phim mới hay xem phim mới link phim mới

intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

13
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC" là đề xuất và thực hiện thiết kế hai bộ tách sóng tại nút đích cho truyền thông MIMO-SDM trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC trên FPGA dựa trên thuật toán tách sóng tuyến tính ZF và MMSE có độ phức tạp thấp và khả năng ứng dụng thực tiễn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- LÊ DOÃN THIỆN THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGÔ VŨ ĐỨC Hà Nội - 2016
  2. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn : Lê Doãn Thiện. Đề tài luận văn: Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số SV: CB140222 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22/04/2016 với các nội dung sau: - Bổ sung thêm các trích dẫn tài liệu tham khảo nhằm làm rõ các nội dung mà tác giả trích dẫn và phần mà tác giả đã đóng góp. - Thay đổi tên ma trận tín hiệu nhận đƣợc tại nút đích N2 để phân biệt với ký hiệu ma trận tổng - hiệu. Ngày 25 tháng 04 năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn TS. Ngô Vũ Đức Lê Doãn Thiện CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Phạm Ngọc Nam
  3. Luận văn thạc sĩ 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của giảng viên TS. Ngô Vũ Đức. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào trƣớc đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đƣợc trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016 Tác giả Lê Doãn Thiện 3 Lê Doãn Thiện
  4. Luận văn thạc sĩ 2016 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp quý báu của Thầy hƣớng dẫn cùng với các thành viên của phòng System VLSI Lab. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn TS. Ngô Vũ Đức đã tận tình định hƣớng phƣơng pháp tiếp cận, nghiên cứu khoa học, hƣớng dẫn các vấn đề chuyên môn cho tôi trong quá trình nghiên cứu, và hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thành viên System VLSI Lab đã hƣớng dẫn và góp ý khoa học cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và tƣ vấn tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô đã dìu dắt, truyền đạt những kiến thức quý báu cùng ngọn lửa nhiệt huyết nghiên cứu khoa học trong thời gian đào tạo tại trƣờng. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi vƣợt qua các khó khăn để đạt đƣợc những kết quả nghiên cứu nhƣ ngày hôm nay. 4 Lê Doãn Thiện
  5. Luận văn thạc sĩ 2016 MỤC LỤC BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................ 2 LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 4 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 10 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... 11 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 13 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 13 2. Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................ 15 3. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 17 4. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................ 17 5. Các đóng góp của luận văn ................................................................................... 18 6. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 18 Chƣơng I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO ........................................................... 19 1.1 Mô hình hệ thống MIMO .................................................................................... 19 1.1.1 Dung lƣợng kênh MIMO .............................................................................. 20 1.1.2 Các phƣơng pháp truyền dẫn MIMO ............................................................ 21 1.1.3 Ghép kênh chia theo không gian .................................................................. 22 1.1.4 Mã hóa Không gian – Thời gian ................................................................... 22 1.2 Các bộ tách tín hiệu tuyến tính ............................................................................ 24 1.2.1 Bộ tách tín hiệu ZF ....................................................................................... 26 1.2.2 Bộ tách tín hiệu MMSE ................................................................................ 28 5 Lê Doãn Thiện
  6. Luận văn thạc sĩ 2016 1.3 Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến ............................................................................ 29 1.3.1 Phân loại các trạm chuyển tiếp ..................................................................... 31 1.3.2 Phân loại các kỹ thuật chuyển tiếp ............................................................... 32 1.3.3 Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến ............................................................. 35 1.4 Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC ................................................................... 35 1.4.1 Sơ đồ không sử dụng mã hóa mạng .............................................................. 36 1.4.2 Sơ đồ mã hóa mạng NC ................................................................................ 36 1.4.3 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý ...................................................................... 38 1.4.4 Nguyên lý PNC dựa trên phép XOR ............................................................ 39 1.4.5 Mô hình mô phỏng PNC trên kênh TWRC .................................................. 42 Chƣơng II: TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC .................................................................................................................. 45 2.1 Mô hình hệ thống ................................................................................................ 45 2.2 Tách tín hiệu tại nút chuyển tiếp ......................................................................... 47 2.3 Mã hóa tín hiệu tại nút chuyển tiếp ..................................................................... 50 2.4 Tách tín hiệu tại nút đích ..................................................................................... 51 2.5 Đánh giá chất lƣợng hệ thống MIMO-SDM-PNC .............................................. 52 2.5.1 Mô hình mô phỏng........................................................................................ 52 2.5.2 Lựa chọn ngƣỡng tối ƣu cho phƣơng pháp quyết định kết hợp chọn lọc ..... 53 2.5.3 Đánh giá phẩm chất BER ............................................................................. 54 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ TÁCH SÓNG CHO TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM- PNC .............................................................................................................................. 57 3.1 Kiến trúc bộ tách sóng mức đỉnh ........................................................................ 57 3.2 Xây dựng kiến trúc kiểu pipeline và timing ........................................................ 59 3.3 Kiến trúc bộ tách sóng mức chi tiết .................................................................... 62 3.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả ............................................................................ 66 6 Lê Doãn Thiện
  7. Luận văn thạc sĩ 2016 3.4.1 Mô hình mô phỏng........................................................................................ 66 3.4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá ..................................................................... 68 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 73 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 75 7 Lê Doãn Thiện
  8. Luận văn thạc sĩ 2016 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 3GPP Third Generation Partnership Dự án hợp tác thế hệ thứ ba Project AWGN Additive White Gaussian Tạp âm Gauss trắng cộng tính Noise BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp FPGA Field Programmable Gate Mảng cổng lập trình đƣợc dạng trƣờng Array HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tin tốc độ cao IC Integrated Circuit Mạch tích hợp LLR Log Likelihood Ratio Tỉ số hợp lệ theo hàm logarith LMS Least Mean Square Trung bình phƣơng nhỏ nhất LS Least Square Bình phƣơng nhỏ nhất LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc di động MAP Maximum A posteriori Xác xuất hậu nghiệm cực đại Probability MIMO Multiple Input Multiple Nhiều đầu vào - nhiều đầu ra Output ML Maximum Likelihood Hợp lệ cực đại MLD Maximum Likelihood Bộ tách tín hiệu hợp lẽ tối đa Detector MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu MRT Maximal Ratio Transmission Phát tỉ lệ cực đại MS Mobile Station Trạm di động MSE Mean Square Error Sai số bình phƣơng trung bình NC Network Coding Mã hóa mạng PNC Physical layer Network Mã hóa mạng vật lý Coding 8 Lê Doãn Thiện
  9. Luận văn thạc sĩ 2016 QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phƣơng Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Điều chế khóa dịch pha cầu phƣơng Keying RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RLS Recursive Least Square Bình phƣơng nhỏ nhất quy hồi RN Relay Node Nút chuyển tiếp RS Relay Station Trạm chuyển tiếp SD Sphere decoding Bộ tách tín hiệu cầu phƣơng SDM Spatial Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào - nhiều đầu ra SINR Signal to Interference plus Tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng với Noise Ratio nhiễu SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SISO Single Input Single Output Một đầu vào - một đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space-Time Coding Mã không gian thời gian STE SpaceTime Encoder Bộ mã hóa không gian thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lƣới không gian thời gian SVD Singular Value Bình phƣơng tối thiểu tuyến tính Decomposition TS Traditional Scheme Sơ đồ truyền thống TWRC Two-Way Relay Channel Kênh chuyển tiếp hai chiều UE User Equipment Thiết bị ngƣời dùng VANET Vehicle Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc giao thông V-BLAST Vertical Bell Labs Layered Hệ thống không gian thời gian phân lớp Space Time theo chiều dọc của Bell Labs Wi-Fi Wireless Fidelity Chuẩn mạng cục bộ không dây của Wi- Fi Alliance WiMAX Worldwide Interoperability Tƣơng thích toàn cầu qua truy nhập vi- for Microwave Access ba ZF Zero Forcing Cƣỡng bức về không 9 Lê Doãn Thiện
  10. Luận văn thạc sĩ 2016 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu đồng pha ......................................... 40 Bảng 1.2 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu vuông pha ....................................... 41 Bảng 3.1 Độ dài dữ liệu của các đầu vào và đầu ra........................................................... 68 Bảng 3.2 Kết quả tổng hợp các thiết kế của bộ tách sóng ZF trên FPGA ......................... 70 Bảng 3.3 Kết quả tổng hợp các thiết kế của bộ tách sóng MMSE trên FPGA ................. 70 10 Lê Doãn Thiện
  11. Luận văn thạc sĩ 2016 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO ................................................................................... 19 Hình 1.2 Sơ đồ phân kênh theo không gian ...................................................................... 22 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti .................................. 23 Hình 1.4 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM ....................................................... 24 Hình 1.5 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM ........................................... 25 Hình 1.6 Kỹ thuật chuyển tiếp ........................................................................................... 30 Hình 1.7 Vai trò của trạm chuyển tiếp .............................................................................. 31 Hình 1.8 Chuyển tiếp loại 1 và loại 2 ................................................................................ 32 Hình 1.9 Mô hình chuyển tiếp một chiều .......................................................................... 33 Hình 1.10 Mô hình chuyển tiếp hai chiều ......................................................................... 34 Hình 1.11 Sơ đồ không mã hóa mạng ............................................................................... 36 Hình 1.12 Sơ đồ hóa mạng NC.......................................................................................... 38 Hình 1.13 Sơ đồ hóa mạng lớp vật lý PNC ....................................................................... 38 Hình 1.14 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất ............................ 42 Hình 1.15 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai .............................. 43 Hình 1.16 So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh [12] ........... 44 Hình 2.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC ............................. 45 Hình 2.2 Giá trị ngƣỡng  tối ƣu cho trƣờng hợp tách ZF trong hệ thống MIMO- SDM-PNC [12] .................................................................................................................. 53 Hình 2.3 Giá trị ngƣỡng  tối ƣu cho trƣờng hợp tách MMSE trong hệ thống MIMO- SDM-PNC [12] .................................................................................................................. 54 Hình 2.4 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách ZF [12] ........... 55 Hình 2.5 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách MMSE [12].... 55 11 Lê Doãn Thiện
  12. Luận văn thạc sĩ 2016 Hình 3.1 Kiến trúc mức đỉnh của bộ tách sóng ZF ........................................................... 57 Hình 3.2 Kiến trúc mức đỉnh của bộ tách sóng MMSE .................................................... 58 Hình 3.3 Kiến trúc của khối G_ZF .................................................................................... 58 Hình 3.4 Kiến trúc của khối G_MMSE ............................................................................. 59 Hình 3.5 Thiết kế pipeline của bộ tách sóng ZF................................................................ 60 Hình 3.6 Thiết kế pipeline của bộ tách sóng MMSE ........................................................ 60 Hình 3.7 Sơ đồ timing của bộ tách sóng ZF ...................................................................... 61 Hình 3.8 Sơ đồ timing của bộ tách sóng MMSE ............................................................... 61 Hình 3.9 Sơ đồ khối TRAN ............................................................................................... 62 Hình 3.10 Sơ đồ khối MUL REAL ................................................................................... 62 Hình 3.11 Sơ đồ khối MUL ............................................................................................... 63 Hình 3.12 Sơ đồ khối SIGMA ........................................................................................... 63 Hình 3.13 Sơ đồ khối ADD ............................................................................................... 64 Hình 3.14 Sơ đồ khối INV................................................................................................. 64 Hình 3.15 Sơ đồ khối COMP MUL .................................................................................. 65 Hình 3.16 Sơ đồ khối COMP DIV .................................................................................... 65 Hình 3.17 Quy trình kiểm tra ............................................................................................ 67 Hình 3.18 Tín hiệu thu đƣợc trên Modelsim của bộ tách sóng ZF ................................... 68 Hình 3.19 Tín hiệu thu đƣợc trên Modelsim của bộ tách sóng MMSE ............................ 69 12 Lê Doãn Thiện
  13. Luận văn thạc sĩ 2016 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến đang đứng trƣớc những thách thức to lớn cả về cải tiến giải pháp cũng nhƣ cải tiến công nghệ nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao và khắt khe hơn của ngƣời sử dụng, chẳng hạn: mở rộng phạm vi vùng phủ; gia tăng tốc độ truy cập; nâng cao phẩm chất và độ tin cậy của hệ thống; sử dụng hiệu quả năng lƣợng cũng nhƣ phổ tần; và đặc biệt là giảm thiểu độ phức tạp trong tính toán, xử lý. Để đáp ứng đƣợc những yêu cầu đó thì mạng thông tin vô tuyến đang phát triển không ngừng, cùng với đó thu hút sự đầu tƣ của các nhà mạng và cung cấp dịch vụ đã tạo ra những tiến bộ vƣợt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ truy cập của ngƣời dùng. Tốc độ truyền dẫn của mạng thông tin có những bƣớc phát triển nhanh chóng nhƣ mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi với chuẩn IEEE 802.11.ac lên tới 6.77Gbps, mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng WiMAX với chuẩn IEEE 802.16m với tốc độ 1Gbps, hoặc mạng thông tin di động 4G- LTE Advanced có thể lên tới 3.9Gbps và tƣơng lai là mạng thế hệ thứ 5 đã mang lại cuộc cách mạng làm thay đổi căn bản tốc độ truyền tải dữ liệu, giúp phát triển các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác và trải nghiệm ngƣời dùng tốt hơn. Để đáp ứng đƣợc các hệ thống yêu cầu tốc độ cao nhƣ vậy, thì hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1] sử dụng đa ăng-ten đầu ra và đầu vào ra đời, nó tăng dung lƣợng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín hiệu trên nhiều đƣờng khác nhau. MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G),...[2]. Để nâng cao hiệu suất và hiệu quả trải phổ, thì nhiều kỹ thuật khác nhau đã đƣợc kết hợp với MIMO. Trong đó phải kể đến nhƣ: kỹ thuật mã khối không gian thời gian (STBC) [3] giúp đem lại độ lợi phân tập nhằm cải thiện phẩm chất tỉ lệ lỗi bit; kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) [4] giúp đem lại độ lợi ghép kênh, cho phép tăng tốc độ truyền dẫn tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng nhằm tăng độ lợi phân tập. 13 Lê Doãn Thiện
  14. Luận văn thạc sĩ 2016 Để đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn và mở rộng vùng phủ, thì kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến đƣợc sử dụng rộng rãi. Các ví dụ điển hình của kỹ thuật này đƣợc ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến viba mặt đất, các đƣờng truyền thông tin vệ tinh, và ngày nay là các hệ thống thông tin di động và thông tin vô tuyến ad-hoc. Trong hệ thống mạng thế hệ thứ 4 hiện nay (LTE-Advanced), thì nút chuyển tiếp (relay node) thƣờng hoạt động theo phƣơng thức khuếch đại – chuyển tiếp (Amplify- and-Forward ở lớp vật lý) hoặc giải mã – chuyển tiếp (Decode-and-Forward ở lớp liên kết dữ liệu). Kỹ thuật chuyển tiếp chia đƣờng truyền trực tiếp thành hai hoặc nhiều đoạn truyền tín hiệu có chất lƣợng cao, hình thành lên một đƣờng truyền truyền dẫn đa chặng giữa trạm gốc và ngƣời sử dụng đầu cuối, giúp khắc phục đƣợc những hạn chế về vùng phủ và tốc độ truyền dữ liệu thấp do bị che chắn hoặc bị mất mát tín hiệu. Các tín hiệu đƣợc phát đi thƣờng đƣợc mã hóa tại nguồn hoặc đƣợc mã hóa trên kênh truyền. Nhƣng hiện nay, ngƣời ta áp dụng một phƣơng pháp để tăng thông lƣợng truyền dữ liệu trong mạng rất hiệu quả đó là kỹ thuật mã hóa mạng (Network coding) [5]. Với kỹ thuật này, các gói tín sẽ đƣợc xử lý và kết hợp tuyến tính từ các nguồn khác nhau tại nút chuyển tiếp. Việc ứng dụng kỹ thuật mã hóa này giúp giảm số pha thời gian truyền dữ liệu cần thiết so với phƣơng pháp lƣu trữ và chuyển tiếp theo kiểu cũ. Từ đó làm tăng thông lƣợng của hệ thống, đồng thời cũng giúp giảm độ phức tạp tính toán, tăng tính bảo mật của thông tin. Và khi thực hiện mã hóa mạng ở lớp vật lý cho mạng vô tuyến ad-hoc còn giúp giảm pha thời gian truyền dữ liệu hơn nữa, ngƣời ta gọi đó là kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding) [6]. Chính vì vậy mà việc kết hợp hệ thống MIMO với các kỹ thuật truyền dẫn, mã hóa và kết nối mạng vào các hệ thống truyền thông vô tuyến nhƣ mạng ad-hoc, mạng tế bào di động,... là xu thế tất yếu của sự phát triển khoa học công nghệ. Để bắt kịp xu hƣớng đó, thì việc nghiên cứu hệ thống truyền dẫn MIMO-SDM sử dụng PNC trên kênh chuyển tiếp hai chiều [7] là một hƣớng nghiên cứu hấp dẫn và mang lại hiệu quả cao trong tƣơng lai. Nhƣng hiện nay, việc nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn này mới chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng trên máy tính mà chƣa có nghiên cứu khoa học 14 Lê Doãn Thiện
  15. Luận văn thạc sĩ 2016 nào đƣợc triển khai trên phần cứng nhằm đánh giá hiệu năng sử dụng của hệ thống trƣớc khi đƣa vào ứng dụng thực tế. Với những lý do nêu trên, tôi đã lựa chọn đề tài Luận văn tốt nghiệp là: “Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC ”. 2. Lịch sử nghiên cứu Hệ thống MIMO đƣợc biết đến nhƣ là một trong những cách hiệu quả nhất để tăng dung lƣợng kênh truyền trong hệ thống thông tin vô tuyến [1], [8]. Có rất nhiều bài báo khoa học, công trình nghiên cứu về cách cải tiến hệ thống này, trong đó có một kỹ thuật rất nối tiếng là hệ thống không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST: Vertical Bell Labs Layered Space Time) [4]. Hệ thống MIMO-SDM này sử dụng ghép kênh phân chia theo không gian tại máy phát và sử dụng bộ tách sóng tuyến tính nhằm loại bỏ sự can thiệp nhiễu tại máy thu, từ đó giúp hệ thống đạt đƣợc độ lợi ghép kênh nhằm tăng hiệu quả trải phổ. Ahlswede và đồng nghiệp đã giới thiệu kỹ thuật mã hóa mạng (NC) [5] trong năm 2000 vào hệ thống truyền dẫn. Với kỹ thuật này, các nút mạng trung gian thay vì chỉ lƣu trữ và chuyển tiếp dữ liệu theo phƣơng pháp truyền thống, mà nó sẽ có chức năng tổ hợp các gói tin các gói tin từ đầu vào thành các gói tin ở đầu ra nhƣ các điểm phát. Lúc này, hệ thống truyền dẫn với các nút mạng đƣợc coi là mạng phát đa điểm với thông lƣợng cao hơn so với hệ thống truyền dẫn truyền thống. Nhƣ vậy, NC giúp tổ hợp thông tin tại các nút mạng, tạo ra các gói tin mới, định tuyến lại đƣờng truyền và đƣợc coi là một hình thức truyền thông hợp tác tại các nút mạng. Sau đó vào năm 2003, Li và các đồng nghiệp đã giới thiệu mã mạng tuyến tính (Linear Network Coding) [18] mở rộng nghiên cứu về NC, đã cho thấy các mạng phát đa điểm chỉ cần sử dụng mã tuyến tính là có thể đạt đƣợc thông lƣợng yêu cầu trong khi giảm độ phức tạp của tính toán, giúp kỹ thuật này có thể triển khai vào thực tế. Từ công trình nghiên cứu NC của Ahlswede và đồng nghiệp, đã tạo tiền đề cho Zhang và các đồng nghiệp của mình nghiên cứu về mã hóa mạng lớp vật lý (Physical layer Network Coding) [6] cho mạng vô tuyến ad-hoc vào năm 2006. Các nhà nghiên có ý tƣởng chính là tạo ra các thiết bị tƣơng tự nhƣ NC nhƣng tại lớp vật lý đối với 15 Lê Doãn Thiện
  16. Luận văn thạc sĩ 2016 việc thu và giải điều chế các tín hiệu dạng sóng thay cho các bit số. Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế và giải điều chế, các thành phần tín hiệu đƣợc ánh xạ thành các bit dữ liệu. Từ đó PNC cho phép tăng thông lƣợng của hệ thống lên 100% so với mạng truyền thống và 50% so với mạng NC thông thƣờng. PNC cho phép sử dụng hầu hết các lý thuyết và các kỹ thuật đang đƣợc áp dụng cho NC đƣợc điều chỉnh để áp dụng với chính nó. Điểm khác biệt giữa PNC và NC chính là việc mã hóa thông tin sau khi thu đƣợc chúng từ các đầu vào. Khi có nhiều sóng điện từ trong cùng một không gian vật lý thì chúng sẽ đƣợc cộng dồn với nhau, thông thƣờng thì việc trộn lẫn các sóng điện từ này đƣợc coi là một hiện tƣợng gây nhiễu, nhƣng đồng thời nó cũng đƣợc coi là một dạng mã hóa mạng vô tuyến [6]. PNC coi tính chất xếp chồng của tín hiệu nhƣ một phép mã hóa tự nhiên, và nó lợi dụng mã hóa mạng tự nhiên ở dạng can nhiễu vô tuyến thành có ích để dử dụng. Sau những thành công của việc giới thiệu PNC, Zhang và các đồng sự tiếp tục áp dụng PNC vào trong các hệ thống MIMO [9] để cải thiện thông lƣợng, hiệu quả sử dụng phổ và giảm độ phức tạp tính toán. Hệ thống MIMO-PNC này trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng tách tín hiệu tuyến tính tại các nút trung gian để thu đƣợc tín hiệu tốt với độ phức tạp thấp. Trong nghiên cứu này, các nút chuyển tiếp tạo ra các thành phần tổng và hiệu của hai đầu vào từ hai nút đích, sau đó mã hóa chúng thành các gói mã hóa mạng để chuyển tiếp. Trong [10] Chung và các cộng sự đề xuất sử dụng bộ tách tín hiệu tuyến tính cƣỡng bức về không (ZF) và sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu (MMSE) cho tín hiệu điều chế biên độ cầu phƣơng QAM. Gần đây, Zhang và cộng sự tiếp tục mở rộng nghiên cứu MIMO-PNC với bộ tách tín hiệu không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST) tại nút chuyển tiếp [11]. Nghiên cứu này đề xuất hai bộ tách sóng tuyến tính dựa trên phƣơng pháp sử dụng tỷ lệ log-likelihood và kết hợp chọn lọc. Tất cả các hệ thống đề xuất này chỉ xem xét trƣờng hợp các nút nguồn chỉ sử dụng một ăng-ten và do đó không đạt đƣợc độ lợi ghép kênh. Chính những điều trên, Hiệp và các cộng sự đã đề xuất ứng dụng kỹ thuật PNC trong các hệ thống MIMO-SDM cho kênh chuyền chuyển tiếp hai chiều [7], [12] mà ở đó, tất cả các nút nguồn đều có hai ăng-ten, trong khi nút chuyển tiếp có bốn ăng-ten. 16 Lê Doãn Thiện
  17. Luận văn thạc sĩ 2016 Các nút nguồn sử dụng MIMO-SDM để trao đổi dữ liệu của chúng thông qua nút chuyển tiếp. MIMO-SDM cho phép truyền hai luồng dữ liệu song song, nên hệ thống này đạt đƣợc độ lợi ghép kênh gấp đôi so với các hệ thống trong [9], [10], [11]. Hệ thống thực hiện tách các ký hiệu mã hóa mạng nhờ sử dụng bộ tách sóng tuyến tính kết hợp với luật quyết định dựa trên hàm log (Log-Likelihood Ratio) và kết hợp chọn lọc đƣợc đề xuất trong [11] đƣợc mở rộng để đối phó với nhiễu đồng kênh (CCI) giữa hai luồng dữ liệu phát. Hệ thống MIMO-SDM-PNC này có cùng độ phân tập với MIMO-PNC trong [9] nhƣng lại đạt đƣợc gấp đôi độ lợi ghép kênh. Cho tới tận bây giờ, có rất nhiều bài báo khoa học nghiên cứu thiết kế và thực hiện các bộ tách sóng cho hệ thống MIMO trên FPGA [13], [14], [15], nhƣng vẫn chƣa có công trình nghiên cứu nào xem xét và đánh giá thiết kế bộ tách sóng cho hệ thống MIMO-SDM-PNC dựa trên thiết kế phần cứng, mà trong khi đó, đây là bƣớc rất quan trọng trƣớc khi tiến hành sản xuất mạch tích hợp. 3. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là giải quyết thành công các vấn đề mà đã đƣợc phân tích ở phần trƣớc, cụ thể là: - Đề xuất và thực hiện thiết kế hai bộ tách sóng tại nút đích cho truyền thông MIMO-SDM trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC trên FPGA dựa trên thuật toán tách sóng tuyến tính ZF và MMSE có độ phức tạp thấp và khả năng ứng dụng thực tiễn. - Đánh giá hiệu quả thiết kế thông qua tài nguyên tiêu thụ, thông lƣợng và tốc độ của hệ thống. 4. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài nghiên cứu là: - Kênh vô tuyến chuyển tiếp hai chiều. - Kỹ thuật truyền thông MIMO-SDM. - Kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý PNC. - Bộ tách tín hiệu tuyến tính ZF và MMSE và thiết kế thực hiện trên FPGA. 17 Lê Doãn Thiện
  18. Luận văn thạc sĩ 2016 5. Các đóng góp của luận văn Luận văn đã đạt đƣợc các kết quả nghiên cứu và đóng góp đề xuất mới và thực hiện thiết kế hai bộ tách sóng tại nút đích cho truyền thông MIMO-SDM trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC trên FPGA có độ phức tạp thấp và khả năng ứng dụng thực tiễn. Đề xuất mới này có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng cho việc sản xuất mạch tích hợp sau này. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn là sử dụng ngôn ngữ Verilog để thiết kế kiến trúc hai bộ tách sóng trên Xilinx Virtex7-XC7VX690T FPGA. Xây dựng mô hình kiểm tra kết quả tính toán trên FPGA bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để tạo các giá trị đầu vào ngẫu nhiên và so sánh kết quả tính toán đầu ra. Đánh giá hiệu quả thiết kế thông qua tài nguyên tiêu thụ, thông lƣợng và tốc độ của hệ thống bằng phần mềm ISE của Xilinx. 18 Lê Doãn Thiện
  19. Luận văn thạc sĩ 2016 Chƣơng I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO 1.1 Mô hình hệ thống MIMO Trong thông tin vô tuyến, hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1] là một phƣơng pháp tăng dung lƣợng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín hiệu trên nhiều đƣờng khác nhau, bằng cách sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten đầu ra (hình 1.1) [16]. MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G),... và đây là một ứng cử viên sáng giá cho thế hệ mạng viến thông tiếp theo (5G). Hình 1.1 Mô hình hệ thống MIMO MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten ở máy phát và máy thu nhƣ ở hình 1.1. Chuỗi tín hiệu phát { sn} đƣợc mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hƣớng các ăng-ten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE: SpaceTime Encoder). Tín hiệu sau khi đƣợc mã hóa không gian- thời gian đƣợc phát đi nhờ N anten phát. Máy thu sử dụng phân tập thu với M ăng-ten thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và M đầu ra, và vì vậy, đƣợc gọi là kênh MIMO M x N. Để tránh ảnh hƣởng giữa các ăng-ten phát hoặc giữa các ăng-ten thu với nhau thì khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử ăng-ten ít nhất là một nửa bƣớc sóng. 19 Lê Doãn Thiện
  20. Luận văn thạc sĩ 2016 Ở đây, mỗi ăng-ten thu nhận đƣợc không chỉ các tín hiệu trực tiếp dành cho nó, nhƣng cũng nhận đƣợc tín hiệu từ các đƣờng truyền khác. Nhƣ vậy, đáp ứng kênh đƣợc thể hiện nhƣ một ma trận H. Đƣờng truyền trực tiếp hình thành giữa ăng-ten thứ nhất ở máy phát và ăng-ten thứ nhất tại máy thu đƣợc đại diện bởi đáp ứng kênh h11, tƣơng tự với các đƣờng truyền khác. Nhƣ vậy, ma trận kênh truyền có kích thƣớc M x N. Ma trận véc-tơ y nhận đƣợc ở máy thu đƣợc biểu diễn bằng công thức (1.1):      với các ma trận đƣợc biểu diễn nhƣ sau:                 ;   ;      ;   .               1.1.1 Dung lượng kênh MIMO Dung lƣợng kênh truyền đƣợc định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tƣơng đối nhỏ nào đó. Đối với kênh truyền không sử dụng phân tập, có độ lợi h, chịu ảnh hƣởng của tạp âm cộng trắng Gauss thì dung lƣợng kênh truyền có thể đƣợc tính theo công thức Shannon nhƣ sau [17]:            trong đó, W là băng tần của kênh truyền tính bằng Hz và chính là tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tại đầu vào máy thu. Từ công thức (1.2) chúng ta thấy rằng với một kênh vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không gian (SISO: Single Input Single Output) thì dung lƣợng kênh truyền tỉ lệ với SNR ở đầu vào máy thu theo luật logarith. Vì vậy, muốn tăng dung lƣợng kênh truyền thì chỉ có cách tăng công suất phát. Tuy nhiên, do mối quan hệ logarith nên dung lƣợng kênh truyền SISO tăng rất chậm. MIMO đƣợc đề xuất để khắc phục hạn chế về dung lƣợng kênh truyền của các hệ thống SISO. Với N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, trong môi trƣờng pha-đinh 20 Lê Doãn Thiện
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2