DSpace at VNU: Mô hình kênh Mimo và thuật toán V-BLAST

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Trung Kiên

MÔ HÌNH KÊNH MIMO
VÀ THUẬT TOÁN V-BLAST

Ngành: Công nghệ Điện tử – Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. TRỊNH ANH VŨ

Hà nội - 2007


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trịnh Anh Vũ - Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, người thầy đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo
cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Tôi xin cảm ơn GS.TSKH. Huỳnh Hữu Tuệ, GS.TSKH. Nguyễn Đình
Thông, PGS.TS. Nguyễn Viết Kính, PGS.TS. Nguyễn Kim Giao, PGS.TS. Nguyễn
Cảnh Tuấn, TS. Ngô Thái Trị,... những người thầy đã truyền đạt những kiến thức
quý báu cho chúng tôi trong suốt khoá học. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn

trong lớp K11-Đ1 đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tự đáy lòng mình, tôi xin gửi lòng biết ơn chân thành nhất tới gia
đình tôi, những người đã luôn ở bên cạnh ủng hộ, khuyến khích và động viên tôi
trong suốt thời gian vừa qua.
Hà Nội, tháng 12 năm 2007
Vũ Trung Kiên


iii

MỤC LỤC
Danh mục các hình vẽ ..................................................................... vi
Danh mục các thuật ngữ viết tắt................................................... viii

MỞ ĐẦU ..................................................................................... 10
CHƢƠNG I: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MIMO......... Error!
Bookmark not defined.
1.1. Khái niệm hệ thống MIMO và lịch sử phát triển Error! Bookmark
not defined.
1.2. Mô hình hệ thống MIMO.................. Error! Bookmark not defined.
1.3. Nhiễu ................................................ Error! Bookmark not defined.
1.4. Fading .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.5. Kênh fading Rayleigh ..................... Error! Bookmark not defined.
1.6. Các ràng buộc công suất và tỷ số SNR ....... Error! Bookmark not
defined.
1.7. Phân loại nghiên cứu MIMO ........... Error! Bookmark not defined.
1.7.1. Mã trƣớc ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.7.2. Hợp kênh không gian ............................ Error! Bookmark not defined.
1.7.3. Phân tập .................................................. Error! Bookmark not defined.

1.8. Các kỹ thuật kết hợp phân tập ....... Error! Bookmark not defined.
1.8.1. Kết hợp chọn lọc - SC ........................... Error! Bookmark not defined.
1.8.2. Kết hợp tỉ số cực đại - MRC ................. Error! Bookmark not defined.
1.8.3. Kết hợp độ lợi cân bằng - EGC ............ Error! Bookmark not defined.

1.9. Ứng dụng của MIMO ....................... Error! Bookmark not defined.
1.10. Kết luận chƣơng ........................... Error! Bookmark not defined.


iv

CHƢƠNG II: MÔ HÌNH KÊNH MIMO ............. Error! Bookmark not
defined.
2.1. Mô hình kênh toán học ................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Dung năng biểu diễn qua giá trị riêng . Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Hạng và số điều kiện ............................. Error! Bookmark not defined.

2.2. Mô hình kênh vật lý ......................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Kênh nhìn thấy ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Kênh MIMO với một đƣờng phản xạ ... Error! Bookmark not defined.

2.3. Kết luận chƣơng ............................. Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG III: THUẬT TOÁN V-BLAST ......... Error! Bookmark not
defined.
3.1. Hệ thống MIMO với cấu trúc V-BLAST ........ Error! Bookmark not
defined.
3.1.1. Cấu trúc V-BLAST .................................. Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Hệ thống hợp kênh không gian ............ Error! Bookmark not defined.
3.1.3. Bộ phát ................................................... Error! Bookmark not defined.

3.1.4. Bộ thu V-BLAST ..................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.5. Lựa chọn ăngten .................................... Error! Bookmark not defined.

3.2. Thuật toán V-BLAST ....................... Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Thuật toán tách kênh V-BLAST/ZF....... Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Thuật toán tách kênh V-BLAST/LLSE .. Error! Bookmark not defined.

3.3. Kết luận chƣơng ............................. Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG IV: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ... Error! Bookmark
not defined.


v

4.1. Mô hình và kịch bản mô phỏng ...... Error! Bookmark not defined.
4.1.1. Mô hình ................................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.2. Kịch bản mô phỏng ............................... Error! Bookmark not defined.

4.2. Các kết quả mô phỏng .................... Error! Bookmark not defined.
4.3. Bình luận kết quả ............................ Error! Bookmark not defined.
4.4. Kết luận chƣơng ............................. Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ........................................ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 11
PHỤ LỤC .......................................... Error! Bookmark not defined.


vi

Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Các cấu hình ăngten của các hệ thống không gian – thời gian ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3: Ảnh hưởng của fading Rayleigh đến BER trong điều chế BPSK .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.4: Ảnh hưởng của fading Rayleigh tới BER trong điều chế QAM ...... Error!
Bookmark not defined.
SC
Hình 1.5: Cdf của  s đối với kết hợp chọn lọc ..... Error! Bookmark not defined.

Hình 1.6: Cdf của  sSC đối với kết hợp tỉ số cực đại MRC .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.1: Phép biến đổi SVD biến kênh MIMO thành kênh song song [5] .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.2: Cấu trúc SVD của kênh MIMO ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3: Phân bố công suất theo thuật toán đổ nước ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.4: Mô hình kênh SIMO nhìn thấy ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5: Mô hình kênh MISO nhìn thấy ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6: Mô hình mảng ăngten nhìn thấy .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7: Khối thể hiện kênh. .................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8: Kênh MIMO trong môi trường phản xạ ... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9: Các vật phản xạ gần ăngten thu hơn (a) và gần ăngten phát hơn (b).
.................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1: Cấu trúc V-BLAST .................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Hợp kênh không gian cho hệ thống MIMO 2x2 .... Error! Bookmark not
defined.

vii

Hình 3.3: Hệ thống MIMO không có hiểu biết về kênh tại bộ phát [1] ........... Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.1: V-BLAST với (M,N) = (4;8) .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.2: V-BLAST với (M,N) = (8;12) .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.3: V-BLAST với (M,N) = (12;16) ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.4: So sánh SER giữa các bộ thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ZF
và V-BLAST/LLSE với (M,N) = (4;8) ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.5: So sánh SER giữa các bộ thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ZF
và V-BLAST/LLSE với (M,N) = (8;12) .... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.6: So sánh SER giữa các bộ thu dùng thuật toán ZF, LLSE, V-BLAST/ZF
và V-BLAST/LLSE với (M,N) = (12;16) .. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.7: So sánh SER của các bộ thu V-BLAST/ZF, V-BLAST/LLSE và ML
.................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.8: Ảnh hưởng của fading Rayleigh tới SER trong điều chế 16-QAM . Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.9: Phân tập ăngten trong hệ thống SIDO dùng điều chế 16-QAM ...... Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.10: Phân tập không gian - SC với số ăngten khác nhau (16-QAM) .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.11: Phân tập không gian - EGC với số ăngten khác nhau (16-QAM) . Error!
Bookmark not defined.


viii

Danh mục các thuật ngữ viết tắt
AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BS

Base Station

CDF

Cumulative density function

CSI

Channel state information

EGC

Equal Gain Combining

iid

Independent identically distributed

ISI

Inter symbol interference

LAN

Local Area Network

LLSE

Linear Least Square Estimation

LoS

Light of Sight

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MIMO-MU

Multiple Input Multiple Output – MultiUser

MISO

Multiple Input Single Output

ML

Maximum likelihood

MRC

Maximal Ratio Combining

OFDM

Orthogonal frequency division multiplexing

PDF

Probability density function

rms

root-mean-square

SC

Slective Combining

SER

Symbol Error Rate

SVD

Singular Value Decomposition

SIMO

Single Input Multiple Output

ix

SISO

Single Input Single Output

SNR

Signal to Noise Ratio

SM

Spatial Mutiplexing

V-BLAST

Vertical Bell-Labs Layered Space-Time

WLAN

Wireless Local Area Network

ZF

Zero Forcing


10

MỞ ĐẦU
Trong một thập kỷ vừa qua, truyền thông vô tuyến đã đóng góp một phần không
nhỏ vào sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền thông với những cải tiến mang tính
đột phá và số người có nhu cầu sử dụng các dịch vụ truyền thông hiện đại, đa phương
tiện ngày càng tăng nhanh. Tuy nhiên, tần số là nguồn tài nguyên quốc gia có hạn được
hoạch định và quản lý một cách chặt chẽ. Vì vậy, để đáp ứng được các yêu cầu ngày càng
khắt khe về chất lượng dịch vụ và sự đa dạng về loại hình dịch vụ thì việc nghiên cứu các
giải pháp sử dụng hiệu suất phổ cao trong vô tuyến là điều tất yếu.
Lý thuyết thông tin đã chỉ ra rằng có thể đạt được tốc độ truyền tin và độ tin cậy
cao trong một băng tần hạn chế khi sử dụng nhiều ăngten ở cả đầu vào và đầu ra. Hệ
thống này đang rất được quan tâm phát triển để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông vô
tuyến tốc độ cao. Các mạng WLAN hiện tại có tốc độ nhỏ bé so với các mạng LAN khác.
Song mạng WLAN thế hệ mới sử dụng kĩ thuật MIMO có thể đạt tốc độ 100 – 200 Mbps.
Các hệ thống MIMO là sự mở rộng các hệ thống ăngten thông minh, trong đó sử
dụng nhiều ăngten ở cả nơi phát và nơi thu. Việc sử dụng nhiều ăngten ở nơi phát kết hợp
với các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến ở cả nơi phát và thu sẽ mang lại lợi thế đáng kể
so với các hệ thống ăngten thông minh truyền thống – về cả hai mặt dung năng và phân
tập.
Trong số các thuật toán đưa ra nhằm khai thác hết dung năng kênh MIMO. Có
thuật toán V-BLAST sử dụng cấu trúc lớp, cung cấp hiệu suất lỗi tốt hơn rất nhiều so với
các bộ thu tuyến tính thông thường và nó cũng ít phức tạp hơn. Đây chính là thuật toán
mà luận văn chọn làm chủ đề nghiên cứu trên cơ sở mô hình giải tích và mô phỏng.
Nội dung luận văn này được chia thành 4 chương như sau:


11

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] PGS.TS. Nguyễn Viết Kính, Truyền thông số, ĐH Công nghệ - ĐH QGHN.

[2] Nguyễn Quốc Trung (2003), Xử lý số tín hiệu và lọc số, NXB KH KT.
[3] TS. Trịnh Anh Vũ (2005), Thông tin di động, ĐH Công nghệ - ĐH QGHN.

Tiếng Anh:
[1] Aida Botonjic, MIMO channel models, 2004.
[2] Andreas Constantinides, Assaf Shacham; MIMO Wireless Systems; May-2004.
[3] Alberto, Leon-Garcia; Probability and Random Processes for Electrical Engineering;
Addition-Wesley Publishing Company; 1994.
[4] B.P.LATHI, Modern Digital and Analog Communication Systems.
[5] David Tse, University of California, Berkeley, Pramod Viswanath, University of
Illinois, Urbana-Champaign; Fundamentals of Wireless Communications; 2004.
[6] Fredric J Harris, Multirate Signal Processing for Communication Systems, Prentice
Hall, May-2004.
[7] Hiroshi Harada, Ramjee Prasad, Simulation and software radio for mobile
communications, Artech House, 2002.
[8] Martin S.Roden; Analog and Digiatal Communication Systems; PRENTICE HALL;
1996.
[9] Nevio Benvenuto and Giovanni Cherubini, Algorithms for Communications Systems
and Their Applications. John Wiley & Sons, 2002.
[10] Simon Haykin and Michael Moher, Modern Wriless Comminications. Upper Saddle
River, Prentice Hall, 2005.


12

[11] William H.Tranter, K.Sam Shanmugan, Theodore S.Rappaport, Kurt L.Kosbar;
Principles of Communication Systems Simulation with Wireless Applications; Prentice
Hall.
[12] Yavuz Yapici, V-BLAST/MAP: A new symbol detection algorithm for MIMO
channels, 2005.