Tách sóng mimo-v-blast đa người dùng

1
ĐỀ TÀI KHCN CẤP HỌC VIỆN
ĐỀ TÀI KHCN CẤP HỌC VIỆN
KHOA VIỄN THÔNG 1
KHOA VIỄN THÔNG 1
NGHIÊN CỨU:
NGHIÊN CỨU:
MÃ SỐ ĐỀ TÀI
MÃ SỐ ĐỀ TÀI
: 01-HV-2009-RD-VT
: 01-HV-2009-RD-VT

2
Đề cương KHCN
Đề cương KHCN
Mục tiêu:
Mục tiêu:
Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, chương trình mô phỏng tách tín hiệu
trong hệ thống MIMO-V-BLAST, phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo
của Học viện.
Nội dung:
Nội dung:

Tổng quan hệ thống MIMO: Mô hình hệ thống và phân loại

Mô hình kênh MIMO.

Nghiên cứu MIMO-V-BLAST kết hợp với máy thu đa người dùng.

Nghiên cứu các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống MIMO

Giải thuật: V-BLAST/ZF
Giải thuật: V-BLAST/LLSE
Giải thuật: V-BLAST/ZF/MAP.
Giải thuật: V-BLAST/LLSE/MAP.

Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng MIMO-V-BLAST
gồm: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP; V-LAST/LLSE/MAP.

Kiến nghị ứng dụng chương trình mô phỏng vào nghiên cứu khoa học & đào tạo ở
Học viện.
Kết quả:
Kết quả:
Tài liệu khoa học; Mô hình hệ thống-Giải thuật-Chương trình mô phỏng trên đĩa CD;
Bài báo khoa học được đăng trên tạp chí hoặc hội nghị khoa học.

3
Chương 1
Chương 1: Đặc tính kênh vô tuyến di động và mô
hình truyền sóng MIMO
Chương 2
Chương 2: Mô hình và hiệu năng hệ thống MIMO
Chương 3
Chương 3: MIMO-VBLAST kết hợp máy thu đa
người dùng
NỘI DUNG
NỘI DUNG
Chương 4
Chương 4: Giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống
MIMO
Kết luận:

Kết luận:

4
Tổng quan hệ thống MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO

5
Tổng quan hệ thống MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO

6
M và M
M và M
-1
-1
phải được thiết kế để đảm bảo đạt được hiệu năng tối
phải được thiết kế để đảm bảo đạt được hiệu năng tối
ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tin cậy) với độ
ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tin cậy) với độ
phức tạp cho phép.
phức tạp cho phép.
Khái niệm MIMO
Khái niệm MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO
Bit
Bit
Symbol
Symbol
Bit

Symbol
Symbol
Bit
M M
-1

7
Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộ
Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộ
điều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế.
điều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế.
Chuyển đổi
mức và điều
chế
Giải điều chế
và giải
chuyển đổi
mức
Số liệu Số liệu
Kênh
H
anten phát anten thu
t
n
r
n
Phân loại sơ đồ MIMO
Phân loại sơ đồ MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO

8
Chuyển đổi
mức và
điều chế
Giải điều
chế và giải
chuyển đổi
mức
Số liệu
Số liệu
Kênh
H
anten phát
anten thu
Chuyển đổi
mức và
điều chế
Giải điều
chế và giải
chuyển đổi
mức
S/P
P/S
S/P: Nối tiếp
thành song
song
P/S: Song
song thành
nối tiếp

t
n
r
n
Phân loại sơ đồ MIMO
Phân loại sơ đồ MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO

9
Sơ đồ ghép kênh không gian BLAST
Sơ đồ ghép kênh không gian BLAST
b
1
b
2
b
3
b
4
b
5
b
6
...
b
1
b
4
...

b
2
b
5
...
b
3
b
6
...
Chuyển đổi mức và điều chế
...
...
...
...
b
1
b
4
b
2
b
5
b
3
b
6
b
1
b

2
b
3
b
4
b
5
b
6
Xử lý tín hiệu số
A
1
A
2
A
3
B
1
B
2
B
3
C
1
C
2
C
3
A
1

A
2
A
3
B
1
B
2
B
3
C
1
C
2
C
3
Tổng quan hệ thống MIMO
Tổng quan hệ thống MIMO

10
Đặc tính pha đinh vô tuyến
Đặc tính pha đinh vô tuyến
di động và mô hình kênh
di động và mô hình kênh
MIMO
MIMO

11
Mô
hình

elip
của
Parsons
và
Bajwa
τ = τ + ∆τ = −

 
0
, 0,1,.....,L 1
⇒ ⇒
 
⇒ ⇒ τ
 
⇒ ⇒
 

1 4 4 2 4 4 3
1 4 4 2 4 4 3
x x
x x
gãc tíi kh¸c nhau
TÇn sè Doppler kh¸c nhau
T R
C¸c ®­êng truyÒn cïng ®é dµi cïng
T R
C
A
⇒ ⇒
 

⇒ ≠ ⇒ τ ≠
 
⇒ ⇒
 

1 4 4 2 4 4 3
1 4 4 2 4 4 3
x x
x x
gãc tíi b»g nhau
TÇn sè Doppler b»ng nhau
T R
C¸c ®­êng truyÒn ®é dµi TrÔ
T R
A
B
B
A
Rx
Tx
C
0
0
1
1
2
2
3
3
Hướng chuyển động

Thành phần LOS
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

12
-
y(t) = x(t -τ).h(t, τ).dτ = x(t) h(t, τ)
∞
∞
⊗
∫
∫ ) ∫ ) ∫ )
0
0
∑
∑
∑
x(t)
0
0
1
1
L 2L
L
L 1
L
L
y(t)
0
00 1

0
0
1
1 1 
L 2
(L 2)
(
( L 2 )
L 1
(L 1)
(
( L 1 )
1
1
L 2L
L
L 1L
L
Mô hình hóa kênh vô tuyến di động
Mô hình hóa kênh vô tuyến di động
Mô hình đường trễ đa nhánh
Mô hình đường trễ đa nhánh
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

13
( )
( ) ( )
( )
( , )

( )
, ( )
( )
( , )
,
.
( , ).
. ( )
, ( ) .
−
ψ τ
=
−
=
π τ
ψ τ
π τ
τ =
⇔ τ =
β τ
β
δ τ − τ
τ
∑
∑


 








c
c
L
i t
L
j f t
i
j f
h t
h t
t e
e t
e e
t t
t
t t
1
0
1
0
2
2

t
0

t
1
t
2
t
3
t
4
t
( )t
β
0
( )t
β
1
( )t
β
2
( )t
β
3
( )tβ
4
( )t
β
0 0
( )t
β
1 0
( )t

β
2 0
( )t
β
0 1
( )t
β
1 1
( )t
β
2 1
( )t
β
3 1
)
(
L
t
−
β
1 1
)
(
L
t
−
β
1 0
)
(

t
β
3 0
( )t
β
0 2
( )t
β
1 2
( )t
β
2 2
( )t
β
3 2
( )
L
t
−
β
1 2
( )t
β
0 3
( )t
β
1 3
( )t
β
2 3

( )t
β
3 3
( )
L
t
−
β
1 3
( )t
β
0 4
( )t
β
1 4
( )tβ
42
( )t
β
3 4
( )
L
t
−
β
1 4
0
0
1
1

2
2
3
3
3
3
L 1L
L
0
(t )(
1
(t )(
2
(t )(
3
(t )(
4
(t )(
Đáp
Đáp
ứng
ứng
xung
xung
kim
kim
phụ
phụ
thuộc
thuộc

thời
thời
gian
gian
( ) ( ) ( )
2 2
1 2
t, a t, (t) t, (t)
β τ = µ τ + µ τ
    
( )
( )
t, :
t, : c
(t) :
β τ


ψ τ


τ

Biªn ®é
pha ña ®­êng truyÒn thø
trÔ
 




Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

14
Trung bình hóa
( , )h t
τ

1
( )t
τ
2
( )t
τ
Lý lịch
trễ đa
đường
τ
3
( )t
τ
1
τ
2
τ
3
τ
4
τ
5

τ
1
τ
2
τ
3
τ
4
τ
5
τ
t
1
t
1
t
1
t
Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ
Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ
Các đường truyền khả phân giải
Các đường truyền khả phân giải
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

15
Đặc
Đặc
tính
tính

kênh
kênh
vô
vô
tuyến
tuyến
di
di
động
động
m
Kh
Ph
C
C
ax
C
d
C
¸i niÖm t­¬ng quan; nhÊt qu¸n
©n t¸n trong miÒn thêi gian ,
hän läc trong miÒn tÇn sè (B )
Ph©n t¸n trong miÒn tÇn sè f ,
hän läc trong miÒn thêi gian (T )
τ
⇒
⇒
1 4 4 4 4 4 4 4 2 4 4 4 4 4 4 43
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

16
Tính phụ thuộc
Tính phụ thuộc
thời gian
thời gian
τ
τ
−
1
t
1
t
( , )h t
t
t
1
( , )h t
t
t
τ
τ
−
2
t
2
t
( , )h t
t
t

2
( , )h t
t
t
Đầu
vào
Đầu
vào
b) Đáp ứng xung kim của hệ thống thay đổi theo thời gian
t
τ
τ
−
1
t
1
t
( )h
t
t
( )h
t
t
τ
−
2
t
2
t
Đầu

vào
Đầu
vào
t
a) Đáp ứng xung kim của hệ thống không thay đổi theo thời gian
1 2
( , ) ( , )
( )
h t h t
h
t t
t
t
t
t t
t
1 2
( , ) ( , )h t h t
t t
t
t t
Dạng
hàm
không
thay đổi
Dạng
hàm
thay đổi
PSD
đầu vào

PSD
đầu ra
2
0
( ) ( )
xx
S f A f f
d
d f
df
2
0
( ) . ( )
yy
hh
S f A S f f= −
 

f
0
f
0
f
f
0
0
B∆
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

17
Trễ rất nhỏ
Trễ rất lớn
Kênh
Tín
hiệu
vào
x(t)
Tín
hiệu
ra
y(t)
Hàm truyền đạt
của kênh
X(f)
X(f)
Hàm truyền đạt
của kênh
Y(f)
Hàm truyền đạt kênh phẳng trong
băng tần tín hiệu (kênh phađinh
phẳng)
Hàm truyền đạt kênh không
phẳng trong băng tần tín hiệu
(kênh phađinh chọn lọc tần số )
Y(f)
Tính phụ thuộc tần số
Tính phụ thuộc tần số
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

18
B
B
là độ rộng băng tần tín hiệu;
là độ rộng băng tần tín hiệu;
B
B
C
C
là băng thông nhất quán;
là băng thông nhất quán;
f
f
d
d
là trải Doppler;
là trải Doppler;
T
T
là chu kỳ ký hiệu; và
là chu kỳ ký hiệu; và
σ
σ
τ
τ
trải trễ trung bình quân phương.
trải trễ trung bình quân phương.
T<<
T<<

T
T
C
C
; B>>
; B>>
f
f
d
d
Phađinh chậm
Phađinh chậm
T>
T>
T
T
C
C
; B<
; B<
f
f
d
d
Phađinh nhanh
Phađinh nhanh
Trải Doppler
Trải Doppler
B>B
B>B

C
C
; T<10
; T<10
σ
σ
τ
τ
Phađinh chọn lọc tần số
Phađinh chọn lọc tần số
B<<
B<<
B
B
C
C
; T
; T
≥
≥
10
10
σ
σ
τ
τ
Phađinh phẳng
Phađinh phẳng
Trải trễ đa đường
Trải trễ đa đường

Điều kiện
Điều kiện
Loại Phađinh
Loại Phađinh
Cơ sở phân loại
Cơ sở phân loại
Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp
Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp
Mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

19
Sơ đồ tổng quát kênh MIMO
Sơ đồ tổng quát kênh MIMO
Nguồn phát
Nguồn thu
Điều chế và
mã hóa
Giải điều chế
và giải mã
1
n
1
n
t
r
h
11
r t

n n
h
r
n 1
h
t
1n
h
t
t
r r r r t t r
11 12 1n
1 1 1
21 22 2n
2 2 2
n n 1 n 2 n n n n
h h h
y x
h h h
y x
y h h h x
é ù
é ù
é ù é ù
h
ê ú
ê ú
ê ú ê ú
ê ú
ê ú h

ê ú ê ú
ê ú
   Û
ê ú
ê ú ê ú
ê ú
ê ú
ê ú ê ú
ê ú
ê 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
y Hx h
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
r t
n n
h

20

Các hàm kênh MIMO
Các hàm kênh MIMO


1
(2 ( )) ( , ))
0
( , ) ( , ) ( ( ))
−
+
=
= −
∑
 
 

c
L
j f t t
h t a t e t
π τ φ τ
τ τ δ τ τ

Đáp ứng xung kim kênh SISO
Đáp ứng xung kim kênh SISO

Đáp ứng xung kim kênh MIMO
Đáp ứng xung kim kênh MIMO
( )
( )

,
, , , ,
1,1 1,2 1,
2,1 2,2 2,
,
1 ,2 .
1
2 ( ) ( , )
, , , , ,
0
....
....
.
.
....
( , ) ( , ) ( )
t
t
r r r t
c n m n m
n
n
n m
n n n n
L
j f t t
n m n m n m
h h h
h h h
H h

h h h
h t a t e t
π τ φ τ
τ τ δ τ τ
−
+
=
 
 
 
= =
 
 
 
 
 
= −
∑
 
 

Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO
Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO

21
T
x
1
T
x

2
T
x
m
R
x
1
R
x
2
R
x
n
1,1
h
2,1
h
2,2
h
,n m
h
,1n
h
x x
n ,m
i,j R ,T
h hh
hhj R,T
1,2
h

1,m
h
1,m
h
,2n
h
1 1, 1
1
( ) ( ). ( ) ( )
m
j j
j
y k h k x k w k
=
= +
∑
2 2, 2
1
( ) ( ). ( ) ( )
m
j j
j
y k h k x k w k
=
= +
∑
,
1
( ) ( ). ( ) ( )
m

n n j j n
j
y k h k x k w k
=
= +
∑

,
,
1
( ) ( ). ( ) ( )
R T
x x
m
i i j j i
j
y k h k x k w k
=
= +
∑
1
1 1 1 1 1
X ( ):
(1) (2) (3)... ( )... ( )
k N symbols
x x x x k x N
x xx x kx Nls ...(
2
2 2 2 2 2
X ( ):

(1) (2) (3)... ( )... ( )
k N symbols
x x x x k x N
x xx x kx Nls ...(
X ( ):
(1) (2) (3)... ( )... ( )
m
m m m m m
k N symbols
x x x x k x N
x xx x kx Nls ...(
X ( ):
(1) (2) (3)... ( )... ( )
i
i i i i i
k N symbols
x x x x k x N
x xx x kx Nls ...(
Y
1
(k)
Y
2
(k)
Y
n
(k)X
m
(k)
X

2
(k)
X
1
(k)
Mô hình kênh MIMO SVD
Mô hình kênh MIMO SVD

22
Nguån
ph¸t
Nguån
thu
S/P P/S
V U
H
H
x

x
y
y

x Vx=

y Hx W= +
H
y U y=

1

2
r
r 1
x (k)
x (k)
:
x (k)
x
×
 
 
 
 
 
 



1 4 2 43

1
2
m
m 1
x (k)
x (k)
:
x (k)
X
×

 
 
 
 
 
 
1 4 2 4 3
1
2
r
r 1
y (k)
y (k)
:
y (k)
y
×
 
 
 
 
 
 



1 4 2 43

1
2

n
n 1
y (k)
y (k)
:
y (k)
y
×
 
 
 
 
 
 
1 4 2 43
Mô hình kênh MIMO SVD
Mô hình kênh MIMO SVD

23
SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận
SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận
kênh H
kênh H
 
1/ 2
1
1/ 2
h h h
2
1 N 1 N

1/ 2
N
0 0
0 0
... ...
0 0
0 0
é ù
l
ê ú
ê ú
l
é ù
ê ú
 
ë û
ê ú
ê ú
l
ê ú
ë û
H UDV u u v v
L
L
M O
L
Trong đó U và V là các ma trận nhất phân, “h” là
Trong đó U và V là các ma trận nhất phân, “h” là
chuyển vị Hermitian và
chuyển vị Hermitian và

 
r t
N min n ,n
Mô hình kênh MIMO SVD
Mô hình kênh MIMO SVD

24
V V
H
U U
H
x

x
1
η
N
η
y
y

Kªnh MIMO
1
2
1
λ
1
2
N
λ

1
2
N
N 1
x (k)
x (k)
:
x (k)
x
×
 
 
 
 
 
 



1 4 2 4 3

1
2
N
N 1
x (k)
x (k)
:
x (k)
X

×
 
 
 
 
 
 
1 4 2 4 3
1
2
N
N 1
y (k)
y (k)
:
y (k)
y
×
 
 
 
 
 
 



1 4 2 4 3

1

2
N
N 1
y (k)
y (k)
:
y (k)
y
×
 
 
 
 
 
 
1 4 2 4 3
U.U
U.U
H
H
= U
= U
H.
H.
U = I
U = I
V.V
V.V
H
H

= V
= V
H
H
.V = I
.V = I
N = min(n
N = min(n
r
r
,n
,n
t
t
)
)
( )
( )
nUxD
nUxVUDVU
nUxUDVU
nxUDVU
nHxUy
H
HHH
HHH
HH
H
+=
+=

+=
+=
+=
~
~
~




Mô hình kênh MIMO SVD
Mô hình kênh MIMO SVD

25
Hiệu năng hệ thống MIMO
Hiệu năng hệ thống MIMO
Dung lượng kênh SISO-SIMO-MIMO
Dung lượng kênh SISO-SIMO-MIMO
Hiệu năng hệ thống MIMO
Hiệu năng hệ thống MIMO