Xem mẫu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN THU NGA
MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH KHÔNG GIAN VÀ
TÁC ĐỘNG CỦA TƢƠNG QUAN KHÔNG GIAN
TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDMA
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62520208
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
HÀ NỘI - 2016
Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Đức
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi … giờ, ngày…. tháng … năm…
Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
LỜI MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật đa anten phát đa anten thu và ghép kênh phân chia
tần số trực giao MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), hiệu năng của hệ thống truyền thông không dây đã được tăng
cường do sử dụng phương pháp phân tập tín hiệu truyền trên miền thời gian, tần số và
không gian. Hệ thống đa anten phát đa anten thu đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao MIMO-OFDMA (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division
Multiplex Access) được ứng dụng cho nhiều người dùng bằng cách phân bổ sóng mang
con khác nhau nhờ việc chống fading chọn lọc tần số.
2. Lí do lựa chọn đề tài
Nghiên cứu chỉ ra rằng, các vấn đề dung lượng kênh truyền hay việc xử lý tín hiệu
đều do ảnh hưởng của đặc tính tương quan fading lên các kênh truyền. Các mô hình
kênh thống kê MIMO được phân chia theo mô hình hình học tán xạ như mô hình một
vòng tròn Onering hoặc các mô hình tham số thống kê dựa trên đo đạc như mô hình
kênh không gian SCM. Do vậy, việc đặt ra bài toán kết hợp đánh giá chất lượng hệ
thống ở lớp vật lý kết hợp với cấp phát kênh động ở lớp MAC trên các mô hình kênh có
ảnh hưởng của tương quan không gian MIMO-OFDMA theo các chuẩn truyền dẫn mới
là cần thiết. Như vậy, luận án so sánh hai phương pháp mô hình kênh hình học và
phương pháp mô hình kênh tham số đo đạc: liệu trong điều kiện và môi trường truyền
dẫn nào thì hai phương pháp mô hình này có thể thay thế cho nhau. Qua các khảo sát đặc
tính tương quan không gian phụ thuộc vào khoảng cách anten, luận án đánh giá ảnh
hưởng của nó tới chất lượng của hệ thống MIMO.
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Luận án xây dựng mô hình kênh MIMO băng rộng phù hợp với chuẩn LTE-A dưới
tác động của tương quan không gian. Dựa trên mô hình kênh luận án đề xuất phương
pháp đánh giá chất lượng hệ thống ở lớp vật lý kết hợp cấp phát kênh động trên lớp
MAC trong điều kiện kênh có sự thay đổi tương quan không gian trên hai phương pháp
mô hình kênh đã xét. Để thực hiện tối ưu cách làm thông thường là mô phỏng vét cạn
các trường hợp để đưa ra sự đánh giá chính xác và đáng tin. Luận án đã chỉ rõ sự liên hệ
về các đặc tính tương quan của kênh truyền với chất lượng hệ thống với các hàm toán
học có thể mô hình được bằng giải tích và các đại lượng phi tuyến không thể mô hình
được. Đây là kết quả có ý nghĩa giúp các nhà khoa học tiên lượng được kết quả của hệ
thống.
4. Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô hình kênh MIMO và ảnh hƣởng của
đặc tính tƣơng quan không gian kênh truyền đến chất lƣợng hệ thống MIMOOFDMA
5. Các vấn đề cần giải quyết của luận án
Luận án khảo sát và so sánh hàm tương quan không gian của hai phương pháp mô
hình kênh hình học một vòng tròn và mô hình tham số đo đạc không gian SCM. Điều
1
này dẫn tới mô hình hình học đơn giản có thể thay thế cho mô hình tham số đo đạc trong
điều kiện đặc biệt và đề xuất cho các môi trường truyền dẫn cho các mô hình kênh. Tiếp
theo luận án đề xuất đánh giá chất lượng hệ thống MIMO khi sử dụng các phương pháp
mã khối trên các mô hình kênh có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMOOFDM. Cuối cùng, trong hệ thống có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMOOFDMA, luận án đánh giá chất lượng hệ thống ớ lớp MAC và đề xuất tổ hợp mã hóa.
Các đóng góp chính của luận án có thể được tóm lược như sau:
Đóng góp 1: So sánh và đánh giá hiệu năng và khả năng ứng dụng của phương pháp
mô hình tham số đo đạc không gian SCM và mô hình kênh hình học Onering cho hệ
thống thông tin di động để đưa ra các trường hợp sử dụng mô hình Onering thay thế cho
SCM. Đóng góp 2: Thông qua kết quả phân tích lý thuyết khảo sát hàm tương quan
không gian và mô phỏng hệ thống thống thông qua tỉ số lỗi ký tự SER, luận án đề xuất
các bộ tham số tối ưu về khoảng cách anten phát và thu để tối ưu chất lượng hệ thống
MIMO-OFDM sử dụng các kỹ thuật mã hóa kênh. Đóng góp 3: Trên cơ sở xem xét các
giải pháp mã hóa lớp vật lý, luận án xem xét tiếp tác động tương quan không gian đối
với lớp MAC của hệ thống MIMO-OFDMA cấp phát kênh động. Đóng góp 4: Đề xuất
sử dụng tổ hợp SFBC-MMSE cho hệ thống đa người sử dụng MIMO-OFDMA trên các
mô hình kênh tương quan không gian.
6. Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án
Vấn đề đồng bộ coi như là lí tưởng trong cả trường hợp đường lên và đường xuống.
Thông tin kênh truyền ở phía thu là lý tưởng. Trong một cell thì ảnh hưởng của nhiễu
đồng kênh là không có.
7. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp tính toán giải tích được áp dụng để phân tích các phương trình toán
học. Phương pháp Monte Carlo sử dụng mô phỏng Matlab cũng được sử dụng để mô
phỏng hệ thống và tìm hiệu năng của hệ thống.
8. Bố cục của luận án:
Luận án gồm 4 chương: Chương 1: Phân tích đặc tính tương quan không gian và các
phương pháp phỏng tạo kênh MIMO. Chương 2: Đánh giá ảnh hưởng của đặc tính
tương quan không gian với hệ thống MIMO-OFDM dựa trên các mô hình kênh
truyền.Chương 3: Đánh giá chất lượng của thuật toán triệt nhiễu VBLAST-ZF trên các
mô hình kênh tương quan không gian MIMO-OFDMA.Chương 4: Đề xuất sử dụng tổ
hợp mã hoá SFBC-MMSE dựa trên đặc tính tương quan không gian MIMO-OFDMA.
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN VÀ
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH
1.1 Biểu diễn toán học của ma trận tƣơng quan kênh MIMO
1.2 Các phƣơng pháp phỏng tạo kênh
1.2.1
Mô hình kênh hình học tán xạ một vòng tròn Onering
Mô hình một vòng tròn Onering là mô hình ngẫu nhiên dựa trên đặc tính hình học.
Các điểm tán xạ phân bố ngẫu nhiên sau đó sẽ được xếp lên vòng tròn tán xạ bán kính
xung quanh thiết bị di động mục đích là để tạo ra các thời gian trễ truyền dẫn. Mô hình
2
Onering mở rộng hình 1.2 cho hệ thống MIMO- OFDM với chuẩn ô tô trên đường
Vehicular A (EVA) - ITU trong điều kiện thông tin trạng thái kênh hoàn hảo. Trong đó
đại lượng
được gọi là góc trải nhìn từ BS, khoảng cách giữa các phần tử anten bên
BS và MS lần lượt là
. Hệ số
là các góc ngẩng anten bên phía thuê bao
MS và trạm gốc BS. Đại lượng
là góc tới của đường tới thứ n bên MS, tương ứng
như vậy, ta có góc đi
là góc đi lớn nhất bên BS; đại lượng
là góc dịch
chuyển bên phía MS.
nguon tai.lieu . vn
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN THU NGA
MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH KHÔNG GIAN VÀ
TÁC ĐỘNG CỦA TƢƠNG QUAN KHÔNG GIAN
TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDMA
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62520208
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
HÀ NỘI - 2016
Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Đức
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi … giờ, ngày…. tháng … năm…
Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
LỜI MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật đa anten phát đa anten thu và ghép kênh phân chia
tần số trực giao MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), hiệu năng của hệ thống truyền thông không dây đã được tăng
cường do sử dụng phương pháp phân tập tín hiệu truyền trên miền thời gian, tần số và
không gian. Hệ thống đa anten phát đa anten thu đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao MIMO-OFDMA (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division
Multiplex Access) được ứng dụng cho nhiều người dùng bằng cách phân bổ sóng mang
con khác nhau nhờ việc chống fading chọn lọc tần số.
2. Lí do lựa chọn đề tài
Nghiên cứu chỉ ra rằng, các vấn đề dung lượng kênh truyền hay việc xử lý tín hiệu
đều do ảnh hưởng của đặc tính tương quan fading lên các kênh truyền. Các mô hình
kênh thống kê MIMO được phân chia theo mô hình hình học tán xạ như mô hình một
vòng tròn Onering hoặc các mô hình tham số thống kê dựa trên đo đạc như mô hình
kênh không gian SCM. Do vậy, việc đặt ra bài toán kết hợp đánh giá chất lượng hệ
thống ở lớp vật lý kết hợp với cấp phát kênh động ở lớp MAC trên các mô hình kênh có
ảnh hưởng của tương quan không gian MIMO-OFDMA theo các chuẩn truyền dẫn mới
là cần thiết. Như vậy, luận án so sánh hai phương pháp mô hình kênh hình học và
phương pháp mô hình kênh tham số đo đạc: liệu trong điều kiện và môi trường truyền
dẫn nào thì hai phương pháp mô hình này có thể thay thế cho nhau. Qua các khảo sát đặc
tính tương quan không gian phụ thuộc vào khoảng cách anten, luận án đánh giá ảnh
hưởng của nó tới chất lượng của hệ thống MIMO.
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Luận án xây dựng mô hình kênh MIMO băng rộng phù hợp với chuẩn LTE-A dưới
tác động của tương quan không gian. Dựa trên mô hình kênh luận án đề xuất phương
pháp đánh giá chất lượng hệ thống ở lớp vật lý kết hợp cấp phát kênh động trên lớp
MAC trong điều kiện kênh có sự thay đổi tương quan không gian trên hai phương pháp
mô hình kênh đã xét. Để thực hiện tối ưu cách làm thông thường là mô phỏng vét cạn
các trường hợp để đưa ra sự đánh giá chính xác và đáng tin. Luận án đã chỉ rõ sự liên hệ
về các đặc tính tương quan của kênh truyền với chất lượng hệ thống với các hàm toán
học có thể mô hình được bằng giải tích và các đại lượng phi tuyến không thể mô hình
được. Đây là kết quả có ý nghĩa giúp các nhà khoa học tiên lượng được kết quả của hệ
thống.
4. Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô hình kênh MIMO và ảnh hƣởng của
đặc tính tƣơng quan không gian kênh truyền đến chất lƣợng hệ thống MIMOOFDMA
5. Các vấn đề cần giải quyết của luận án
Luận án khảo sát và so sánh hàm tương quan không gian của hai phương pháp mô
hình kênh hình học một vòng tròn và mô hình tham số đo đạc không gian SCM. Điều
1
này dẫn tới mô hình hình học đơn giản có thể thay thế cho mô hình tham số đo đạc trong
điều kiện đặc biệt và đề xuất cho các môi trường truyền dẫn cho các mô hình kênh. Tiếp
theo luận án đề xuất đánh giá chất lượng hệ thống MIMO khi sử dụng các phương pháp
mã khối trên các mô hình kênh có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMOOFDM. Cuối cùng, trong hệ thống có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMOOFDMA, luận án đánh giá chất lượng hệ thống ớ lớp MAC và đề xuất tổ hợp mã hóa.
Các đóng góp chính của luận án có thể được tóm lược như sau:
Đóng góp 1: So sánh và đánh giá hiệu năng và khả năng ứng dụng của phương pháp
mô hình tham số đo đạc không gian SCM và mô hình kênh hình học Onering cho hệ
thống thông tin di động để đưa ra các trường hợp sử dụng mô hình Onering thay thế cho
SCM. Đóng góp 2: Thông qua kết quả phân tích lý thuyết khảo sát hàm tương quan
không gian và mô phỏng hệ thống thống thông qua tỉ số lỗi ký tự SER, luận án đề xuất
các bộ tham số tối ưu về khoảng cách anten phát và thu để tối ưu chất lượng hệ thống
MIMO-OFDM sử dụng các kỹ thuật mã hóa kênh. Đóng góp 3: Trên cơ sở xem xét các
giải pháp mã hóa lớp vật lý, luận án xem xét tiếp tác động tương quan không gian đối
với lớp MAC của hệ thống MIMO-OFDMA cấp phát kênh động. Đóng góp 4: Đề xuất
sử dụng tổ hợp SFBC-MMSE cho hệ thống đa người sử dụng MIMO-OFDMA trên các
mô hình kênh tương quan không gian.
6. Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án
Vấn đề đồng bộ coi như là lí tưởng trong cả trường hợp đường lên và đường xuống.
Thông tin kênh truyền ở phía thu là lý tưởng. Trong một cell thì ảnh hưởng của nhiễu
đồng kênh là không có.
7. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp tính toán giải tích được áp dụng để phân tích các phương trình toán
học. Phương pháp Monte Carlo sử dụng mô phỏng Matlab cũng được sử dụng để mô
phỏng hệ thống và tìm hiệu năng của hệ thống.
8. Bố cục của luận án:
Luận án gồm 4 chương: Chương 1: Phân tích đặc tính tương quan không gian và các
phương pháp phỏng tạo kênh MIMO. Chương 2: Đánh giá ảnh hưởng của đặc tính
tương quan không gian với hệ thống MIMO-OFDM dựa trên các mô hình kênh
truyền.Chương 3: Đánh giá chất lượng của thuật toán triệt nhiễu VBLAST-ZF trên các
mô hình kênh tương quan không gian MIMO-OFDMA.Chương 4: Đề xuất sử dụng tổ
hợp mã hoá SFBC-MMSE dựa trên đặc tính tương quan không gian MIMO-OFDMA.
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN VÀ
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH
1.1 Biểu diễn toán học của ma trận tƣơng quan kênh MIMO
1.2 Các phƣơng pháp phỏng tạo kênh
1.2.1
Mô hình kênh hình học tán xạ một vòng tròn Onering
Mô hình một vòng tròn Onering là mô hình ngẫu nhiên dựa trên đặc tính hình học.
Các điểm tán xạ phân bố ngẫu nhiên sau đó sẽ được xếp lên vòng tròn tán xạ bán kính
xung quanh thiết bị di động mục đích là để tạo ra các thời gian trễ truyền dẫn. Mô hình
2
Onering mở rộng hình 1.2 cho hệ thống MIMO- OFDM với chuẩn ô tô trên đường
Vehicular A (EVA) - ITU trong điều kiện thông tin trạng thái kênh hoàn hảo. Trong đó
đại lượng
được gọi là góc trải nhìn từ BS, khoảng cách giữa các phần tử anten bên
BS và MS lần lượt là
. Hệ số
là các góc ngẩng anten bên phía thuê bao
MS và trạm gốc BS. Đại lượng
là góc tới của đường tới thứ n bên MS, tương ứng
như vậy, ta có góc đi
là góc đi lớn nhất bên BS; đại lượng
là góc dịch
chuyển bên phía MS.