ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Bảng các từ viết tắt 6
Danh sách hình vẽ 8
Lời nói đầu 9
1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 11
1.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động . . . . . . . . . 11
1.3 Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Suy hao đường truyền (Path Loss) . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số . . . . . . . 16
1.3.3 Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4 Hiệu ứng Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.5 Thông tin trạng thái kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Mô hình kênh pha đinh đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY 22
2.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp . . . . . . 22
2.2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng . . . . . . . . . 22
2.2.2 Khái quát về trạm chuyển tiếp (relay) . . . . . . . . . . . 24
2.3 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Các kỹ thuật ước lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
|
|
2.5 |
Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng sử dụng |
|
|
|
|
AF two-way Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
36 |
|
|
2.5.1 Mô tả hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
36 |
|
|
2.5.2 Ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật ước lượng LS . |
. |
38 |
|
2.6 |
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
39 |
3 MÔ PHỎNG 40
3.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Mức độ chính xác của ước lượng LS trong hệ thống two-way relay 40
3.3 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi số lượng
pilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi kiểu
điều chế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi số relay 45
3.7 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống Massive MIMO . . . . . . 46
3.7.1 Khảo sát MSE khi thay đổi số anten . . . . . . . . . . . . 46
3.7.2 Khảo sát BER khi thay đổi số anten . . . . . . . . . . . . 47
3.8 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Kết luận và hướng phát triển đề tài 49
Tài liệu tham khảo 50
1G First Generation Thế hệ thứ nhất
2G Second Generation Thế hệ thứ hai
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
4G Fouth Generation Thế hệ thứ tư
5G Fifth Generation Thế hệ thứ nă
TDMA Time- Division Multiple Ac- cess
FDMA Frequency- Division Multi- ple Access
CDMA Code- Division Multiple Ac-
ces
Đa truy cập phân chia theo thời gian
Đa truy cập phân chia theo tần số
Đa truy cập phân chia theo
W-CDMA Wideband CDMA CDMA băng rộng
TD-CDMA Time Division CDMA CDMA phân chia theo thời gian
TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Ac- cess
SDMA Space- Division Multiple
Access
OFDM Orthonal Frequency- Divi- sion Multiplexing
Đa truy cập đồng bộ mã phân chia theo thời gian
Đa truy cập phân chia theo không gian
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
FSPL Free- Space Path Loss Suy hao tín hiệu trong
không gian tự do
AWGN Addictive White Gaussion
Nois
Nhiễu Gaussian trắng cộn
1.1 Các công nghệ được sử dụng trong thông tin di động . . . . . . . 13
|
1.2 |
Pha đinh đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
14 |
|
1.3 |
Suy hao theo khoảng cách đường truyền. . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
16 |
|
1.4 |
Biểu đồ suy hao của pha đinh phẳng do hấp thụ |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
17 |
|
1.5 |
Mô hình kênh pha đinh . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
19 |
2.1 Mô hình một hệ thống thông tin đơn chặng . . . . . . . . . . . . 23
|
2.2 |
Mô hình một hệ thống thông tin đa chặng |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
23 |
||||||
|
2.3 |
Mô hình hệ thống sử dụng relay. . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
24 |
||||||
|
2.4 |
Phân loại relay theo kĩ thuật chuyển tiếp . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
26 |
||||||
|
2.5 |
Hệ thống SDMA sử dụng tiền mã hóa. . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
28 |
||||||
|
2.6 |
Biểu đồ chòm sao của tín hiệu điều chế 16QAM |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
33 |
|||||||||
|
2.7 |
Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
36 |
|||||||||
|
3.1 Ước lượng LS cho kênh truyền MIMO dùng two-way relay . . . . 41 |
|||||||||||||||||||||
|
3.2 |
Thay đổi số bit pilot - SISO . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
42 |
|
3.3 |
Thay đổi số bit pilot - MIMO . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
42 |
|
3.4 |
Thay đổi kiểu điều chế - SISO . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
43 |
|
3.5 |
Thay đổi kiểu điều chế - MIMO |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
43 |
|
3.6 |
Thay đổi kênh truyền - SISO . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
44 |
|
3.7 |
Thay đổi kênh truyền - MIMO |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
44 |
|
3.8 |
BER của hệ thống khi thay đổi số trạm relay. . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
45 |
||||||||||
|
3.9 |
MSE của hệ thống khi số anten tăng từ 2 đến 70 |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
46 |
||||||||||
|
3.10 |
BER tại SNR = -10:30dB . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
47 |
||||||||||
|
3.11 |
BER tại SNR = 25dB . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
. |
47 |
||||||||||
Trong thời đại ngày nay, nhu cầu trao đổi cũng như cập nhật thông tin ngày càng tăng đòi hỏi hệ thống thông tin di động phải liên tục cải thiện và nâng cao cả về chất lượng và số lượng. Trong bối cảnh đó, các kỹ thuật truyền tin mới với nhiều ưu điểm nổi trội xuất hiện thay thế cho những kỹ thuật ra đời trước đây, vốn còn một số hạn chế về tốc độ và khả năng bảo mật.
Một trong số những kỹ thuật truyền tải dữ liệu đem lại nhiều ưu điểm là sử dụng trạm chuyển tiếp để nâng cao chất lượng tín hiệu trên kênh truyền, vốn bị suy hao công suất vì các yếu tố như nhiễu hay pha đinh đa đường. Tùy thuộc vào yêu cầu dịch vụ và bản chất kênh truyền mà sử dụng loại trạm chuyển tiếp thích hợp. Việc tín hiệu từ máy phát đi qua một hoặc nhiều trạm như vậy trước khi đến máy thu gọi là thông tin đa chặng, và hệ thống sử dụng kỹ thuật này gọi là hệ thống thông tin đa chặng.
Khi muốn đưa vào sử dụng một kỹ thuật nào đó trong thực tế, việc đánh giá chất lượng là việc tất yếu cần phải thực hiện để đảm bảo hệ thống vận hành tốt và đáp ứng được chất lượng mà nhà cung cấp cũng như người sử dụng mong muốn, cũng như kiểm soát được các khuyết điểm còn tồn tại để tìm cách khắc phục hoặc hạn chế, tránh xảy ra sự cố không mong muốn trong quá trình đưa vào sử dụng. Việc đánh giá chất lượng có thể được thực hiện với nhiều thông số đường truyền khác nhau, bằng nhiều thuật toán và kỹ thuật khác nhau, đòi hỏi sự chính xác và khả năng vận dụng kiến thức linh hoạt. Đó cũng là lý do em chọn nội dung Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng làm đề tài cho Đồ án Tốt nghiệp của mình, với mục tiêu hiểu rõ hơn về hệ thống thông tin hiện nay và thực hiện mô phỏng được một kênh truyền gần với thực tế nhất,
từ đó đưa ra những nhận xét từ kết quả thu được để hiểu sâu hơn những kiến thức được học trong lý thuyết.
Đồ án gồm có 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
Chương 2: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống two - way relay
Chương 3: Mô phỏng
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Lê Hùng đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành Đồ án này. Vì kiến thức còn nhiều hạn chế nên nội dung bài báo cáo có thể còn tồn tại những sai sót, nhất là khi em mới được học cách sử dụng phần mềm LATEX, một phần mềm hỗ trợ rất tốt cho việc soạn thảo văn bản nhưng khá phức tạp trong cách thao tác so với các phần mềm khác. Do đó em rất mong nhận được những nhận xét, góp ý từ phía các Thầy Cô để Đồ án này được hoàn thiện hơn.
........
Rician fading, ...........K=10
Rician fading, K=1
Rician fading, K=0
Rayleigh fading
AWGN channel
−4
10
−10 −5 0 5 10 15 20 25 30
SNR(dB)
−10 −5 0 5 10 15 20 25 30
SNR(dB)
Hình 3.6: Thay đổi kênh truyền - SISO
Hình 3.7: Thay đổi kênh truyền - MIMO
Nhận xét:
Đối với hệ thống SISO:
Kênh AWGN có BER tốt nhất do chỉ xét đến tác động của nhiễu nhiệt và bỏ qua ảnh hưởng của pha đinh. Kênh Rayleigh fading xét đến tác động của nhiễu nhiệt lần tác động của pha đinh khi không có đường trực tiếp (LoS), vì vậy trường hợp này có BER cao nhất
Kênh Rician fading có BER nằm giữa hai đường trên, phụ thuộc vào tham số K của kênh truyền. K được xác định dựa vào tỉ số giữa công suất tín hiệu của đường truyền trực tiếp so với công suất đường phản xạ. Dễ dàng nhận thấy:
- Trường hợp kênh Rician fading có K= 0 : kênh Rician fading trở thành kênh Rayleigh fading.
- Trường hợp kênh Rician fading có K → ∞ : kênh Rician fading trùng
với kênh AWGN.
Đối với hệ thống MIMO:
- Trường hợp kênh Rician fading có K= 0 : kênh Rician fading trở thành kênh Rayleigh fading.
- Trường hợp kênh Rician fading có K → ∞ : kênh Rician fading trùng với
kênh Nakagami.
3.6 Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi số relay
Thiết lập các điều kiện của kênh truyền mô phỏng:
1. Điều chế QPSK.
2. Ước lượng kênh theo phương pháp LS, dùng 64 mẫu pilot.
3. Số relay thay đổi từ 1 đến 5 trạm.
1 relay 2 relays
3 relays
4 relays
5 relays
−3
10
−10 −5 0 5 10 15 20 25
SNR(dB)
Hình 3.8: BER của hệ thống khi thay đổi số trạm relay.
Nhận xét:
Số trạm chuyển tiếp càng tăng thì chất lượng tín hiệu thu được ở MS càng tốt. Kết quả này là do sau mỗi trạm chuyển tiếp thì tín hiệu được khuếch đại thêm và một phần công suất suy hao trên đường truyền được bù lại trước khi
tiếp tục phát đi trên chặng khác.
Trong trường hợp này, BER của hệ thống được cải thiện khi tăng số trạm, nhưng không thật sự đáng kể.
3.7 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống Massive
MIMO
Thiết lập các điều kiện của kênh truyền mô phỏng:
1. Điều chế QPSK.
2. Ước lượng kênh theo phương pháp LS, dùng 128 mẫu pilot.
3. Số anten tại BS = RS = MS, số anten tại BS thay đổi để khảo sát.
Hình 3.9: MSE của hệ thống khi số anten tăng từ 2 đến 70
Nhận xét:
Khi số lượng anten tại BS tăng thì MSE càng lớn do tham số ước lượng tăng lên quá nhiều trong khi số lượng pilot không đổi.
Hệ thống đang khảo sát khả dụng khi tại BS tăng đến khoảng 60 anten.
So anten
Hình 3.10: BER tại SNR = -10:30dB
Hình 3.11: BER tại SNR = 25dB
Nhận xét:
Khi số lượng anten tại BS tăng thì BER càng lớn. Điều này là do nhiễu xuyên kênh và do tham số ước lượng tăng lên quá nhiều trong khi số lượng pilot không đổi.
Hệ thống đang khảo sát khả dụng khi tại BS tăng đến khoảng 60 anten.
3.8 Kết luận chương
Chương này đã trình bày một số kết quả mô phỏng hệ thống truyền tin đa chặng và đã rút ra so sánh, nhận xét cũng như đánh giá một số kênh truyền trong các điều kiện chất lượng đường truyền khác nhau.
1. Ước lượng LS cho kết quả khá gần với kênh truyền có ước lượng hoàn hảo
(perfect estimation).
2. Khi sử dụng ước lượng LS với số mẫu pilot thay đổi, BER càng tốt khi số mẫu pilot càng lớn. Trong phần mô phỏng BER tốt nhất khi số mẫu pilot bằng
3. Với kiểu điều chế ít điểm như BPSK, BER thấp hơn so với các kiểu điều chế nhiều điểm khác.
4. Có nhiều loại kênh truyền được sử dụng trong mô phỏng, nhưng kênh AWGN cho BER thấp nhất. Đây ứng với trường hợp sử dụng cáp đồng để truyền dẫn tín hiệu (môi trường hữu tuyến).
5. Với một luồng tín hiệu truyền đi, BER được cải thiện khi số trạm chuyển tiếp càng nhiều. Trong bài mô phỏng, BER tốt nhất khi tín hiệu được chuyển tiếp qua 05 trạm.
6. Trong hệ thống 5G sử dụng Massive MIMO, số lượng anten tại BS tăng làm giảm chất lượng đường truyền nhưng có thể tăng số lượng user lên rất nhiều lần trong giới hạn cho phép (khoảng 60).
Kết luận và hướng phát triển đề tài
Trong đồ án này, em đã hoàn thành một số công việc như sau :
- Tìm hiểu một số vấn đề chính trong hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin đa chặng và các phương pháp ước lượng kênh truyền.
- Có cái nhìn tổng quan về hệ thống Viễn thông hiện nay và hiểu rõ hơn một số kỹ thuật nâng cao chất lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin di động.
- Xây dựng mô hình kênh pha đinh đa đường, thực hiện mô phỏng trên phần mềm MATLAB một số trường hợp kênh thông tin đa chặng và rút ra so sánh, nhận xét, từ đó đánh giá mức độ khả thi của kỹ thuật truyền tin đa chặng khi áp dụng vào thực tế.
Tuy việc thực hiện còn một vài thiếu sót và nội dung nghiên cứu chưa thật sự đa dạng về thuật toán ước lượng nhưng các kết quả mô phỏng cũng phần nào giúp em có cái nhìn trực quan hơn về hệ thống mạng không dây hiện nay, các khó khăn và một số hướng giải quyết để từng bước nâng cao chất lượng dịch vụ. Từ đó khắc sâu kiến thức và biết cách vận dụng những điều được học trên cơ sở lý thuyết vào thực hành, mô phỏng.
Đây là một đề tài còn có thể mở rộng nghiên cứu ra nhiều hướng trong tương lai, chẳng hạn như mô phỏng hệ thống với các thuật toán khác có độ chính xác cao hơn, tính toán dung lượng kênh truyền,...). Các hướng nghiên cứu càng đi sâu vào mô phỏng thực tế sẽ giúp việc đánh giá chính xác hơn trong hệ thống thật, từ đó cải thiện kỹ thuật truyền tin hay rộng hơn là góp phần nâng cao chất lượng hệ thống Viễn thông. Em hi vọng rằng đề tài thú vị này sẽ được các bạn sinh viên khóa sau tiếp cận và phát triển.
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Lê Hùng, Thông tin di động, Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học
Bách khoa Đà Nẵng (2012).
[2] Nguyễn Bình Nam, Trà Trung Anh, Đồ án Nghiên cứu hệ thống thông tin đa chặng Two- way relay, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng (2012).
[3] Trương Ngọc Phú, Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật (2013).
[4] Nguyễn Văn Tuấn, Thông tin vi ba- vệ tinh, Nhà xuất bản Giáo dục (2011).
[5] Đỗ Trọng Tuấn, Phạm Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng, Vũ Thị Minh Tú, Vũ Đức Thọ, Nguyễn Văn Đức, Giáo trình thông tin di động (Mobile Communications), NXB Khoa học và Kỹ thuật(2007).
[6] Andrea Goldsmith, Wireless Communication, Cambridge University (2005).
[7] Florian Roemer, Martin Haardt, Tensor-Based Channel Estimation and Iter- ative Refinements for Two-Way Relaying With Multiple Antennas and Spatial Reuse, IEEE Transactions on signal processing, vol. 58, No. 11 (11/2010).
[8] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung-Gu Kang, MIMO OFDM Wireless Communications with MATLAB, IEEE Press (2010).
[9] Erik G. Larsson, Ove Edfors, Fredrik Tufvesson, Thomas L. Marzetta, Mas- sive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine (2/2014).
