Tải bản đầy đủ

Thuật toán d blast trong công nghệ mimo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẶNG TIẾN NGUYÊN

THUẬT TOÁN D-BLAST TRONG CÔNG NGHỆ MIMO

Ngành : Công nghệ Điện tử Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. TRỊNH ANH VŨ

Hà Nội - 2009


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan : Luận văn “ Thuật toán D-BLAST trong công nghệ
MiMo ” là công trình tìm hiểu và nghiên cứu riêng của tôi, ngoài các đoạn trích

dẫn và tài liệu tham khảo trong luận văn thì các kiến thức mà tôi nghiên cứu,
tìm hiểu được là của riêng tôi. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô trường
Đại học công nghệ đã truyền đạt cho tôi kiến thức trong suốt những năm học ở
trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trinh Anh Vũ đã tận tình hướng dẫn tôi
hoàn thành tốt luận văn này

Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm
2009
Tác giả luận văn

Đặng Tiến Nguyên


BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive white Gaussian noise

CCI

Co-channel interference
Diagonal Bell Laboratories Layered Space-

D-BLAST

Time

i.i.d

Independent and identically distributed
(độc lập và phân phối như nhau)

ISDN

Integrated services digital network

ISI

Intersymbol interference


LAN

Local area network

LOS

Line of sight

MIMO

Multiple output multiple input

MISO

Multiple input single output

ML

Maximum likehood

MMSE

Minimum mean square error

NLOS

Non line of sight

PAM

Pulse amplitude modulation

PCS

Personal communication system

QAM

Quadrature amplitude modulation

SDMA

Space division multiple access

SIC

Successive interference cancellation

SIMO

Single input multiple output

SISO

Single input single output

SNR

Signal to noise ratio

SVD

Singular value decomposition
Vertical Bell Laboratories Layered Space-

V-BLAST

Time

WLAN

Wireless local area network

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution


GPRS

General Packet Radio Service


Lời mở đầu
Hiện nay, Việt Nam đang nỗ lực mở rộng và phát triển toàn diện để có
thể đứng trong hàng ngũ những con rồng Châu Á. Với ưu thế hơn 85 triệu dân
giúp Việt Nam có lợi thế về phát triển lĩnh vực viễn thông, một trong những
ngành mũi nhọn đóng góp đáng kể cho GDP của nước nhà. Đây cũng là nguyên
nhân thúc đẩy ngành truyền thông và thông tin của nước ta ngày một phát triển,
đa dạng hơn với các dịch vụ mới phục vụ tốt hơn nhu cầu đời sống của người
dân. Công nghệ 3G là một trong những dịch vụ kết nối tốc độ cao nhất hiện nay
đã xuất hiện ở Việt Nam như một nhu cầu tất yếu. Với tốc độ 2MBps trong nhà,
384kbps downlink… cho hệ thống truyền hình di động, internet di động…,
nhưng điều đó là chưa đủ với xã hội công nghệ phát triển và thay đổi hàng ngày.
Tiếp nối sự phát triển của công nghệ không dây, thế hệ 4G đang được nghiên
cứu và dần đi vào đời sống người dân với tốc độ lên tới 1Gbps. Một trong các
kỹ thuật cốt lõi cho công nghệ 4G là kỹ thuật truyền tin sử dụng công nghệ mới
công nghệ Mimo. Công nghệ Mimo là nòng cốt truyền tin đưa tốc độ lên cao,
một trong các kiến trúc được sử dụng trong Mimo là kỹ thuật D-Blast trong hợp
kênh không gian - thời gian. Chúng ta sẽ nghiên cứu kiến trúc này để thấy được
sự tối ưu trong tốc độ, độ tin cậy trong truyền tin và hiệu quả sử dụng phổ tần
để cải thiện chất lượng truyền thông đưa ra chuẩn cho thế hệ thông tin di động
4G. Bản luận văn “Thuật toán D-BLAST trong công nghệ Mimo” gồm 04
chương, Chương I, II đưa ra cái nhìn tổng quan cho người đọc về kỹ thuật trong
công nghệ Mimo, chương III sẽ phân tích sâu về kiến trúc D-Blast trong Mimo,
và chương cuối chúng ta đánh giá hoạt động của kiến trúc D-Blast. Bản luận
án sẽ giúp ích cho quá trình nghiên cứu về sau, nó là một phần trong toàn cảnh
công nghệ Mimo mà người đọc có thể hiểu sâu về 1 kiến trúc với các đánh giá
hiệu quả và hạn chế của thuật toán. Hi vọng bản luận án sẽ mạng lại những kiến
thức bổ ích, những thông tin thiết thực cho những người nghiên cứu về thế hệ
thông tin di động 4G và tiếp theo.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của nhiều tác giả đã cung
cấp sách tham khảo để hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy
giáo hướng dẫn của tôi, và những người thân trong gia đình đã động viên tôi
hoàn thành bản luận án này.


Chương I Đặt vấn đề
1.1 Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao
Lịch sử phát triển các hệ thống thông tin di động là lịch sử từng bước
nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và nâng cao tốc độ truyền dữ liệu. Thế hệ
đầu tiên 1G là kết nối analog chỉ đáp ứng truyền tiếng nói 3KHz. Những năm
1990 thế hệ 2G ra đời với kết nối kỹ thuật số. Ở châu âu hệ thống được giới
thiệu là kết nối toàn cầu GSM hoạt động ở băng tần 900 và 1800MHz với tốc
độ truyền dữ liệu kênh đến 22.8kbit/s. GSM hoạt động với nền tảng cơ bản là hệ
thống ô BTS và MS. ở Mỹ hệ thống 2G dùng TDMA/136. Kỹ thuật TDMA
(truy nhập phân chia theo thời gian) tốc độ cao hoạt động theo 02 hướng phát
triển HSCSD và GPRS cung cấp data lên tới 384kbit/s và 172.2 kbit/s.
Tốc độ truyền dẫn được tăng cao trong thế hệ truyền dẫn không dây tiếp
theo 3G là 384kbit/s cho di động và 2Mbit/s cho đứng im. Các kỹ thuật tối ưu
trong 3G được biết đến như là UMTS, WCDMA hoặc là UTRA FDD/TDD.
UMTS là giải pháp lựa chọn cho mạng GSM, hiện tại 850 triệu người dùng tại
195 quốc gia đang sử dụng chiếm 70 % thị trường kết nối không dây. UMTS
thường dùng ở dải băng tần 2GHz. Trong thế hệ 3G sử dụng công nghệ EDGE,
có 2 hướng phát triển tốc độ của GSM đi lên thế hệ EDGE đó là ECSD và
EGPRS. Tốc độ tối đa của EDGE là 473.6kbit/s. EDGE được giới thiệu bởi
Mỹ, tích hợp với hệ thống TDMA/136, 200 nhà cung cấp đã sử dụng công nghệ
này, nó được gọi là thế hệ 2.5G với công nghệ GPRS từng bước vươn tới
UMTS.
HIPERLAN là chuẩn đặc biệt có tốc độ lên tới 54Mbit/s thông thường là
24Mbit/s cho các ứng dụng, tốc độ truyền dẫn cao yêu cầu băng thông rộng, tần
số sóng mang ở băng tần cao hơn, UHF HIPERLAN được sử dụng ở đoạn băng
tần cao từ 5GHz đến 17GHz, cho hệ thống đa phương tiện quảng bá là dải băng
40 GHz và 60 GHz.
Các ứng dụng và dịch vụ cho các hệ thống là khác nhau. Chuẩn 802.11 áp
dụng cho máy tính với tốc độ truyền lên tới hàng trăm Mbit/s gấp 250 lần so với
tốc độ giới hạn của UMTS.


Thế hệ 4G cung cấp tốc độ data cao hơn thế hệ 3G. 4G được giới thiệu ở
Nhật bản vào năm 2006, phần chính vẫn là nền tảng của 3G nhưng tốc độ data
tăng lên. Theo NTT-DoCoMo tốc độ data của hệ thống 4G lên tới 20 – 40
Mbit/s cao hơn khoảng 20 lần so với tốc độ dich vụ internet ADSL.
WLan có tốc độ truyền data cao hơn 2Mbit. Hệ thống Bluetooth thường
hoạt động ở băng tần 2GHz cung cấp tốc độ nhỏ hơn 1Mbit. WLan thường dùng
chuẩn 802.11b IEEE tốc độ 11Mbit với khoảng cách 50 đến 100m còn IEEE
802.11a ở băng tần 5GHz có tốc độ lên tới 54Mbit/s. Tại Châu âu sử dụng
chuẩn IEEE 802.11a là HIPERLAN pha 2 sử dụng băng tần 6GHz . Tất cả đi
đến hệ thống 4G đều dùng công nghệ MiMo với tốc độ lên tới 1Gbps mà độ
rộng băng thông chỉ khoảng 100Mhz (ở dải băng tần 3.4GHz - 3.6GHz).
Sự phát triển nói trên đều nhắm đến việc đáp ứng yêu cầu không ngừng
tăng của người dùng đầu cuối trên thiết bị cầm tay với nhiều loại hình dịch vụ
phong phú trong một xã hội thông tin hiện đại. Trong đó kỹ thuật MIMO đã góp
phần không nhỏ trong việc tạo ra hệ thống 4G.

Hình dưới đây tóm tắt lại bức tranh công nghệ sử dụng trong các thế hệ
kết nối truyền thông không dây.


Hình 1 Công nghệ sử dụng cho các thế hệ truyền thông không dây [8]
Nhu cầu về dung lượng trong hệ thống thông tin không dây như thông tin
di động, internet hay các dịch vụ đa phương tiện đang tăng lên một cách nhanh
chóng trên toàn thế giới. Tuy nhiên phổ tần số lại hạn hẹp do vậy muốn tăng
dung lượng ta phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Những tiến bộ trong mã hoá,
như mã kiểm tra chẵn lẻ, mã turbo, đã có thể tiếp cận đến giới hạn dung lượng
Shannon, với hệ thống 1-1 ăngten tuy nhiên có thể đạt hiệu quả nhiều hơn nữa
với hệ thống nhiều ăngten thu và nhiều ăngten phát. Hiệu quả phổ tần là đặc
điểm nổi bật của hệ thống Mimo, với môi trường truyền dẫn là lý tưởng thì
dung lượng kênh truyền tăng gần như tuyến tính với số lượng ăngten.
1.2 Vài nét lịch sử
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng nhiều ăngten thu và nhiều ăngten
phát (Multiple Input – Multiple Output) để truyền thông tin. Ngoài khả năng tạo
búp truyền thống (beamforming) hệ thống MIMO phát triển mới tận dụng sự
phân tập (không gian, thời gian, mã hoá…) và khả năng hợp các luồng tín hiệu
nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc độ dữ liệu cũng như tầm truyền xa
hơn.


Có thể nói Jack Winters (Bell Laboatries, 1984 ) là người đi tiên phong
trong lĩnh vực MIMO mới khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng
trên cùng kênh tần số hoặc thời gian khi sử dụng nhiều ăngten tại cả máy phát
lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh, tuy nhiên dưới đây sẽ điểm lại các sự
kiện lịch sử phát triển hệ thống MIMO theo 2 góc độ kỹ thuật: Phân tập theo
không gian (Spatial diversity) và ghép kênh theo không gian (Spatial
multiplexing).
1.2.1 Phân tập không gian
 Năm 1991: Kỹ thuật phân tập trễ (Delay diversity) được phát minh bởi
Wittneben
 Năm 1998: Kỹ thuật phân tập dùng Mã hoá không gian - thời gian mắt
cáo STTC (Space – Time Trellis Coding) của Tarokh.
 Năm 1999: Alamouti giới thiệu kỹ thuật Mã hoá không gian - thời gian
khối STBC (Space – Time Block Coding).
1.2.2 Ghép kênh theo không gian
 Năm 1994: Paulraj & Kailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất
(Ground breaking results), nêu ra khái niệm hợp kênh không gian với
Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng cho phát thanh quảng bá.
 Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST (Bell Labs Layered
Space Time) nhằm hợp các luồng truyền song song trên kênh fading
nhanh. Cũng thời gian này Foschini cùng Greg Raleigh đã tạo ra phương
pháp mới về công nghệ có khả năng tăng hiệu suất thực về sử dụng kênh,
được cấp bản quyền phát minh Mimo OFDM khi cho ra đời chipset “Pre
_N” có tên là True MiMo.
 Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về
dung năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó.
 Năm 1998 sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao
được làm bởi Bell labs


 Năm 2001 sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Iospan Wireless Inc
dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh
không gian.
 Năm 2006 một số công ty Broadcom, Intel.. đưa ra giải pháp MIMOOFDM theo chuẩn IEEE 802.11n. Cũng trong thời gian này Beceem
Commmnications, Samsung,.. cũng phát triển MIMO-OFDMA dựa trên
IEEE 802 16e là WIMAX. Tất cả đi đến hệ thống 4G đều dùng công nghệ
MIMO.
Điểm lại các sự kiện lịch sử như vậy để thấy rằng lý thuyết cũng như công
nghệ MIMO mới được phát triển đột phá trong hơn thập kỷ qua nhằm tăng tốc
độ và độ tin cậy trên đường truyền vô tuyến vốn chịu nhiều tác động của can
nhiễu và bị giới hạn lý thuyết ở mức thấp theo công thức Shannon (1948) cổ
điển. Dưới đây luận văn sẽ trình bày mô hình hệ thống MIMO tổng quát sau đó
tập trung phân tích riêng về thuật toán D-Blast cho kênh fading chậm.


Tài liệu Tham khảo
Tài liệu tiếng việt:
[1] Nguyễn Văn Khoa (2008) “Thuật toán D-Blast cho kênh MIMO
fading chậm” Luận án tốt nghiệp đại học, Trường đại học công nghệ - Đại học
quốc gia Hà nội, tr. 32 – 36.
[2] Trịnh Anh Vũ (2008) “ Nghiên cứu kỹ thuật Mimo ứng dụng trong
thông tin vô tuyến thế hệ thứ 4 ” ,tr. 27.
Tài liệu tiếng anh :
[3] Eduardo Zacaras, (Autum 2004) “BLAST Architectures” B.Post
Graduate Course in Radio Communication pp, 45-50.
[4] Georgios B. Giannakis ZhiQiang Liu Xiaolima Shenglizhou (2007).
“Space – Time coding for broad band wireless Communication”.New Jersey
Published
[5] Gerard J.Foschini, Fellow, Dmitry Chizhik, Michael J. Gans Fellow,
IEEE. “Analysis and Performance of Some Basic Space–Time Architectures”,
pp.30-38.
[6] G. J. Foschini, (Autumn 1996) “Layered space–time architecture for
wireless communication in fading environments when using multiple antennas,”
Bell Labs Tech. J., vol. 1, no. 2, pp. 41–59.
[7] Hamid Jafarkhani. (2005) “Space-Time Coding Theory and Practice”
Cambridge Universtiy Press.
[8] Huan Yao (2003) “Efficient Signal, Code, and Receiver Designs for
MIMO communication Systems”, Cambridge Universtiy Press.
[9] Haykin (2009) ”Sellathurai_Space-Time Layered Information
Processing for Wireless Communications Mathini Sellathurai”, Simon Pub
lished by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey Published
simultaneously in Canada.
[10] Mohinder Jankiraman (2004) “Space-Time Codes and MIMO
Systems” Artech house universal personal communication series.
[11](Jun. 2005) ”Space Time Processing for MIMO Communications”,
Artech house pp 238-330.
[12] Yavuz Yapici, V-BLAST/MAP: A new symbol detection algorithm
for MIMO channels, 2005.


[13] David Tse, University of California, Berkeley, Pramod Viswanath,
University of Illinois, Urbana-Champaign; Fundamentals of Wireless
Communications; 2004.
[14] Một số nguồn tư liệu lấy từ một số trang Web trên internet !



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×