1
B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
ĐI HC ĐÀ NNG
TRN ĐÌNH NGA
NG DNG GII THUT V-BLAST NHM
CI THIN CHT LƯNG HTHNG MIMO
Chuyên ngành: K thut ñin t
Mã s: 60.52.70
TÓM TT LUN VĂN THC SĨ K THUT
Đà N ng - Năm 2012
2
Công trình ñư#c hoàn thành t$i
ĐI HC ĐÀ NNG
Ngư%i hư&ng d'n khoa h(c: PGS.TS. TĂNG TN CHI)N
Phn bin 1: PGS.TS. Nguy*n Văn Tu+n
Phn bin 2: TS. Lương H-ng Khanh
Lun văn ñưc bo v trưc Hi ñng chm Lun văn tt
nghip thc sĩ k thut hp ti Đi hc Đà Nng vào ngày
11 tháng 11 năm 2012
Có th tìm hiu lun văn ti:
- Trung tâm Thông tin - Hc liu, Đi hc Đà Nng
- Trung tâm Hc liu, Đi hc Đà Nng.
3
M. ĐU
1. Tính c+p thi/t c0a ñ1 tài :
Cùng vi sphát trin ca xã hi, xã hi hóa thông tin ñang
là nhu c%u cp bách c%n ñưc ñáp 'ng. Trong xã hi thông tin ñó n(i
bt nht là thông tin di ñng do tính linh hot, m)m d*o, di ñng, tin
li ca nó. Như vy nhu c%u v) s+ d,ng h thng thông tin di ñng
ngày càng gia tăng ñi)u này ñng nghĩa vi nhu c%u chi-m d,ng tài
nguyên vô tuy-n gia tăng. Nhưng do ñ.c ñim ca truy)n d/n vô
tuy-n là tài nguyên hn ch-, cht lưng ph, thuc nhi)u vào môi
trư0ng: ñ1a hình, th0i ti-t... d/n ñ-n làm hn ch- trin khai ñáp 'ng
nhu c%u ca xã hi ca các nhà công nghip và d1ch v, vi2n thông.
Trưc mâu thu/n này, ñ.t ra bài toán cho các nhà khoa hc và các
ngành công nghip có liên quan phi gii quy-t. Ch3ng hn khi nói
ñ-n vn ñ) tài nguyên vô tuy-n, chúng ñưc gii quy-t b4ng các gii
pháp k thut, công ngh như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, s
k-t hp gi5a chúng ñã tìm mi cách ñ khai thác trit ñ tài nguyên 6
dng th0i gian, t%n s, không gian, mã. Các các công ngh thích 'ng,
cp phát tài nguyên ñng, cơ ch- ñi)u khin lung, công ngh IP,
máy thu phát thông minh, ....là nh5ng minh ha ñin hình cho vn
ñ) này.
H thng MIMO có th tăng ñáng k tc ñ truy)n d5 liu,
gim BER, tăng vùng bao ph h thng vô tuy-n mà không c%n tăng
công sut hay băng thông h thng. Bên cnh vic tăng dung lưng,
k thut truy)n d/n ghép kênh không gian cho phép ñt ñưc tc ñ
cao nh0 truy)n s liu song song t8 các ăng ten phát. Ti máy thu,
các lung d5 liu ñưc tách ra thông qua các dãy ký t kênh không
gian khác nhau, m.c d%u chúng ñưc truy)n ñi vi cùng t%n s.
Ngư0i ta ñã s+ d,ng các b tách hp lý cc ñi có ñ li phân tp
ti ña ñ ñt ñưc hiu năng ti ưu, song ñ ph'c tp tăng theo
4
hàm s mũ cùng s lưng ăng ten ca máy phát. Đ dung hòa gi5a
ñ ph'c tp và hiu năng, mt s cu trúc b tách sóng da trên
BLAST (Bell Labs Layered Space Time) như D-BLAST (Diagonal
BLAST) ñã ñưc áp d,ng. Tuy ñt ñưc 90% dung lưng theo lý
thuy-t Shanon, nhưng h thng s+ d,ng D-BLAST v/n còn nhưc
ñim là ñ ph'c tp cao , nên k thut V-BLAST (Vertical BLAST)
ñã ñưc phát trin và 'ng d,ng tách sóng tín hiu trong h thng
MIMO. Các quy t=c tách sóng như ML(Maximum Likelihood), MAP
( Maximum a posteriori probability),… là mt gii pháp tách sóng tín
hiu h'a h>n cho h thng thông tin không dây băng rng tương lai.
Đã có nhi)u nghiên c'u k-t hp k thut V-BLAST vi máy thu ZF
(Zero Forcing) trong kênh MIMO to thành gii thut V-BLAST/ZF,
hay vi MMSE (Minimum Mean Square Error) to thành gii thut
V-BLAST/MMSE. Sk-t hp các gii thut tách sóng 6 trên ñã nâng
cao hơn n5a hiu năng ca hthng MIMO. Tuy nhiên, vic nghiên
c'u dung hòa các gii thut trên vi quy t=c tách sóng nh4m ci thin
cht lưng hthng MIMO v/n còn là vn ñ) ñ nghiên c'u. Trên cơ
s6 phân tích 6 trên, ta chn ñ) tài ng d3ng gi6i thut V-BLAST
nh7m c6i thin ch+t lư#ng hthng MIMO là hp lý nht.
2. M3c ñích nghiên c9u :
Lun văn ñưc thc hin vi m,c ñích nghiên c'u các gii
thut V-BLAST khác nhau nh4m ci thin cht lưng hthng MIMO.
3. Đi tư#ng và ph$m vi nghiên c9u :
Tp trung chính vào ñi tưng nghiên c'u là btách sóng
MIMO V-BLAST trên cơ s6:
- Các ñ.c tính ca kênh truy)n vô tuy-n .
- Hthng MIMO .
- Ki-n trúc V- BLAST.
- Các gii thut tách sóng MIMO V-BLAST.
5
4. Phương pháp nghiên c9u:
• Thu thp, phân tích các tài liu và thông tin liên quan ñ-n
ñ) tài
• Nghiên c'u, xây dng lưu ñ thut toán, vi-t chương trình
trên Matlab.
5. Ý nghĩa khoa h(c và th;c ti*n c0a ñ1 tài:
K thut MIMO ñã ci thin ñưc ñáng k cht lưng h
thng thông tin di ñng. Tuy nhiên vic x+ lý tín hiu trong hthng
này còn nhi)u ph'c tp. Nh4m khai thác trit ñ các tài nguyên trong
hthng MIMO, ñ) tài sJ ñưa ra các gii pháp giúp tách sóng MIMO
ñt hiu năng cao hơn mà ñ ph'c tp ca máy thu v/n không cao.
Nâng cao cht lưng ca hthng thông tin vô tuy-n, nht là
thông tin di ñng ñang ñưc các nhà nghiên c'u quan tâm. Sra ñ0i
ca mng thông tin di ñng th- hth' 4 (4G LTE) ñã ñ) xut 'ng
d,ng k thut MIMO OFDM cho tuy-n xung (downlink). Trong h
thng MIMO bài toán tách tín hiu hiu qu 6 ghép kênh không gian
nh4m khai thác trit ñ dung lưng vn có ca nó có tính cht quy-t
ñ1nh. Các thut toán tách tín hiu ghép kênh không gian thư0ng có ñ
ph'c tp cao, vì vy nghiên c'u 'ng d,ng tách sóng MIMO V-
BLAST sJ cho thy ñưc nh5ng ưu và nhưc ñim ca các thut toán
tách sóng khác nhau và ñ) xut gii pháp có ñ ph'c tp thp hơn
cho máy thu mà cht lưng ca tín hiu v/n ñưc ñm bo.
6. K/t c+u c0a lun văn:
Ngoài ph%n m6 ñ%u, k-t lun, tài liu tham kho, lun văn gm các
ph%n chính sau:
Chương 1 - Đ<c tính kênh vô tuy/n di ñ?ng
Chương 2 - K thut phân tp và mô hình hthng MIMO
Chương 3 - Tách sóng V-BLAST trong hthng MIMO
Chương 4 - Mô phJng tách sóng hMIMO V-BLAST
6
CHƯƠNG 1 – ĐLC TÍNH KÊNH VÔ TUY)N DI ĐNNG
Chương này sJ tp trung trình bày v) các ñ.c tính cơ bn và
nh5ng nh hư6ng ca kênh vô tuy-n di ñng ñ-n cht lưng tín hiu
cũng như dung lưng ca hthng. Xét hai kiu phân bRayleigh và
Rician ñ thy ñưc s bi-n ñ(i ca tín hiu truy)n trên hai kênh
phañinh này. Các thông sca kênh phañinh ña ñư0ng và mô hình
ñáp 'ng xung ca kênh này. Cui cùng là ph%n trình bày v) mô hình
kênh MIMO, kênh truy)n ñưc s+ d,ng ñ mô phPng ca lun văn.
1.1. Khái quát kênh vô tuy/n di ñ?ng
Nghiên c'u v) các ñ.c tính kênh thông tin vô tuy-n có t%m
quan trng rt ln vì nó nh hư6ng trc ti-p ñ-n cht lưng truy)n
d/n tín hiu. Mt snhân tlàm nh hư6ng ñ-n truy)n d/n tín hiu
trong môi trư0ng vô tuy-n như:
- Suy hao
- Che ch=n
- Phañinh ña ñư0ng và phân tán th0i gian
- Nhi2u
1.2. Phân bRayleigh và phân bRicean[1]
Tùy theo ñ1a hình kênh truy)n mà gi5a máy phát và máy thu
có th tn ti ho.c không tn ti ñư0ng truy)n th3ng LOS và các
ñư0ng không truy)n th3ng NLOS. Trên cơ s6 ñó, ta chia ra làm hai
loi kênh truy)n phañinh Rayleigh và phañinh Ricean trên cơ s6 hai
kiu phân btương 'ng.
1.2.1. Phân bRayleigh
Phân b Rayleigh thư0ng ñưc dùng ñ mô t bn cht thay
ñ(i theo th0i gian ca ñư0ng bao tín hiu phañinh ph3ng thu ñưc
ho.c ñư0ng bao ca mt thành ph%n ña ñư0ng riêng l*. Phân b
Rayleigh có hàm mt ñ xác sut:
7
2
2 2
exp( ),(0 )
( ) 2
0 ,( 0)
r r r
p r
r
σ σ
− ≤ ≤ ∞
=
<
(1.1)
Vi σ là giá tr1 rms (hiu d,ng) ca ñin th- tín hiu nhn ñưc trưc
b tách ñư0ng bao (evelope detection), σ
2
là công sut trung bình
theo th0i gian.
1.2.2. Phân bRicean
Trong trư0ng hp phañinh Rayleigh, không có thành ph%n tín
hiu ñ-n trc ti-p máy thu mà không b1 phn x hay tán x (thành
ph%n LOS) vi công sut vưt tri. Khi có thành ph%n này, phân b
sJ là Ricean.
Hàm mt ñ phân b xác sut ca phân b Ricean:
<
≥≥
=
+
−
00
)0,0(
)(
2
0
2
)(
2
2
22
r
rA
Ar
Ie
r
rp
Ar
σσ
σ
(0.1)
A: Biên ñ ñRnh ca thành ph%n LOS.
I
0
: Là hàm Bessel s+a ñ(i loi 1 bc 0.
1.3. Kênh phañinh ña ñư%ng [9,11]
Trong h thng thông tin vô tuy-n, do các hin tưng như
nhi2u x, khúc x, tán x, phn x,… tín hiu t8 máy phát ñ-n máy
thu sJ b1 tách ra thành nhi)u thành ph%n( ging vi tín hiu gc) và
mSi thành ph%n sJ có nh5ng ñư0ng truy)n khác nhau. Hin tưng
này ñưc gi là truy)n d/n ña ñư0ng (multipath propagation). Đ có
thhiu rõ hơn bn cht ca kênh phañinh ña ñư0ng, chúng ta sJ tìm
hiu các thông s ca kênh phañinh ña ñư0ng.
1.3.1. Thông s tán x thi gian
1.3.2. Di thông kt hp
8
1.3.3. PhDoppler
1.3.4. Tri Doppler và thi gian kt hp
1.4. Mô hình ñáp 9ng xung c0a kênh phañinh[1]
Ta gi s+ r4ng có N tia ñ-n máy thu, tín hiu ñ%u ra ca kênh như
sau:
y(t)=
1
( ( ) ( ( )))
N
n n
n
a t x t t
τ
=
−
∑
(1.25)
Trong ñó,
( )
n
a t
và
( )
n
t
τ
là suy hao và tr2 truy)n d/n ca thành ph%n
ña ñư0ng th' n. Gi s+ ñ%u vào kênh truy)n song là tín hiu ñi)u ch-
có dng:
x(t)=A(t).cos(2
c
f t t
π φ
+) (1.26)
Suy hao ñư0ng truy)n ph'c ñưc ñ1nh nghĩa là:
2 ( )
( ) ( ) c n
j f t
a t a t e
π τ
−
=
Đáp 'ng xung kim ca kênh
( , )
h t
τ
:
1
( , ) ( ). ( ( ))
N
n n
n
h t a t t t
τ δ τ
=
= −
∑
1.5. KÊNH TRUYQN SÓNG MIMO
1.5.1. Mô hình kênh MIMO
1.5.1.1. Mô hình kênh AWGN song song
1.5.1.2. Mô hình kênh SVD MIMO
Ta xét mt h thng truy)n d/n vô tuy-n bao gm N
t
anten
phát và N
r
anten thu như trên hình 1.9 [11].
Hình 1.9. Sơ ñ kênh MIMO
Quan h gi5a x và y ñưc xác ñ1nh như sau:
9
t
t
r r r t r t r
11 21 N 1
1 1 1
12 22 N 2
2 2 2
N 1N 2N N N N N
h h h
y x
h h h
y x
y h h h x
é ùé ù
é ù é ù
h
ê úê ú
ê ú ê ú
ê ú
ê ú h
ê ú ê ú
ê ú
= +
ê ú
ê ú ê ú
ê úê ú
ê ú ê ú
ê úê ú
ê ú ê ú
h
ê ú
ê ú ê ú
ê ú
ë û ë û
ë û
ë û
L
L
M M M M M M M
L
(1.38)
hay
y=Hx+η (1.39)
Trong ñó η là vectơ AWGN ph'c vi, H là ma trn kênh
N
r
×N
t
; khi khong cách gi5a các anten ln hơn λ/2 và môi trư0ng
nhi)u tán x ta có th coi H có các hàng và các ct ñc lp vi nhau.
Khi này phân chia giá tr1 ñơn (SVD) cho ta:
H=UDV
h
(1.40)
trong ñó U và V
h
là các ma trn nht phân (unitary) có kích thưc
N
r
×N
r
và N
t
×N
t
, V
h
là chuyn v1 Hermitian; D là ma trn N
r
×N
t
gm:
{ }
r t
N min N , N
= (1.41)
các giá tr1 ñơn không âm ñưc ký hiu là
1/ 2 1/ 2
1 m
,....,
l l
trên ñư0ng
chéo chính ca nó, trong ñó λ
i
vi i=1,2,…, N là các giá tr1 riêng ca
ma trn HH
h
. Các giá tr1 eigen ca HH
h
ñưc xác ñ1nh như sau:
det( ) 0
Q I
λ
− =
trong ñó Q là ma trn Wirshart ñưc xác ñ1nh như sau:
,
,
h
r t
h
r t
HH N N
Q
H H N N
<
=≥
N-u nhân c hai v- ca phương trình (1.39) vi U
h
ta ñưc:
h
U y y Dx
η
= = +
(1.44)
trong ñó
h
x V x
=
. Phương trình này d/n ñ-n mô hình kênh SVD
MIMO sau ñây (xem hình 1.10):
N
1/ 2 h
n n n N n
n 1
y x u
=
= l + h
å
% % (1.45)
10
Trong trư0ng hp phân hóa ph(, AWGN có th ñưc coi r4ng tr=ng
theo không gian n-u không có tương quan gi5a các vectơ ct ca U
và vectơ tp âm η. Khi ñó (1.45) ñưc vi-t li:
1/ 2
n n n n
y x
= l + h
% %
%
(1.46)
1/ 2
1
1/ 2
N
1
x
N
x
1
y
N
y
Hình 1.10. Phân chia kênh phañinh ph3ng MIMO thành các kênh
phañinh ph3ng song song tương ñương dư trên SVD
1.5.2. Hàm kênh MIMO
CHƯƠNG 2 – KTHUT PHÂN TP VÀ HTHNG MIMO
Trong chương này sJ trình bày các k thut phân tp, tp
trung phân tích mô hình kênh SVD MIMO, SNR và hiu năng ca
các hthng MIMO.
2.1. Phân tp th%i gian, phân tp không gian
2.1.1. Phân tp thi gian
2.1.2. Phân tp thu
2.1.2.1. Mô hình kênh phân tp anten thu
Trong kênh phañinh có 1 anten phát và N
r
anten thu, mô hình
kênh như sau:
y
n
(k)=h
n
(k)x(k)+n
n
(k), n=1,2,…., n
r
(2.1)
trong ñó k là th0i ñim xét, N
r
là s anten thu, tp âm
η
n
∼N
c
(0,N
0
)
có phân b Gauss trung bình không, phương sai N
0
và ñc lp vi