Trang i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
TRẦN THỊ THẢO NGUYÊN PHÂN TÍCH CÁC LOẠI KÊNH TRUYỀN MIMO VÀ THIẾT KẾ BỘ MÔ
PHỎNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRÊN NỀN FPGA
Chuyên ngành: Điện Tử Kỹ Thuật (Hướng Viễn Thông – Máy Tính)
Mã số chuyên ngành: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHƯƠNG
Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2012
Trang i
LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh sách các hình vii
Danh sách các bảng x
Lời nói đầu 1
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kênh truyền không dây 3
1.1 Giới thiệu kênh truyền không dây 3
1.2 Giới thiệu kênh truyền mimo 4
Chương 2: Phân tích các loại kênh truyền mimo 6
2.1 Phân loại mô hình kênh truyền 802.11n 6
2.2 Phân loại fading 8
2.2.1 Fading tầm rộng 9
2.2.2 Fading tầm hẹp 11
2.2.3 Phân loại các dạng kênh truyền trong fading tầm hẹp 14
2.1.3.1.Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số 15
2.1.3.2.Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số 16
2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng chất lượng kênh truyền 18
2.3.1 Hiện tượng nhiễu nhiệt (AWGN) 18
2.3.2 Hiện tượng đa đường 18
2.3.3 Hiệu ứng doppler 19
2.3.4 Suy hao trên đường truyền 21
2.3.5 Hiệu ứng bóng râm 21
2.4 Kênh truyền phân bố rayleigh 21
2.5 Phổ doppler 22
2.5.1 Thành phần doppler cơ sở theo thời gian: 22
2.5.2 Các thành phần phổ doppler do sự di chuyển 24
2.5.3 Các thành phần phổ doppler do ánh sáng quang gây ra 26
Trang iii
2.6 Sự tương quan không gian 27
5.2 Độ trễ công suất của các tap 69
5.3 Kiểm tra Rayleigh dùng CDF 70
5.4 Kiểm tra sự dịch chuyển Doppler của kênh truyền 74
5.5 Kết quả tổng hợp bộ mô phỏng kênh truyền 77
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 78
6.1. Kết luận 78
6.2. Hướng phát triển 79
Danh mục công trình của tác giả 81
Tài liệu tham khảo 82
Phụ lục - Thông số các mô hình 802.11n 84
Trang v
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Chữ viết tắt
Viết đầy đủ
1
ALUT
Adaptive Look-Up Table
2
ALM
Adaptive Logic Module
3
AoA
Angle-of-Arrival
4
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
15
i.i.d
independent, identically distributed
16
IIR
Infinite Impulse Response
17
LOS
Line-Of-Sight
18
LPF
Low Pass Filter
19
LFSR
Linear Feedback Shift Register
20
MIMO
Multiple-Input Multiple-Output
21
NLOS
Non-Line-Of-Sight
22
PAS
Power Angular Spectrum
23
PDP
Power Delay profile
24
Trang vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Kênh truyền MIMO với 2 anten phát, 2 anten thu 5
Hình 2.1: Mô tả môi trường truyền không dây bao gồm nhiều thành phần. 6
Hình 2.2: Khái niệm PAS đối với mô hình băng rộng[12]. 7
Hình 2.3: Phân loại kênh truyền fading 9
Hình 2.4: Minh họa về suy hao trên đường truyền [9] 10
Hình 2.5: Ví dụ kênh truyền MIMO 11
Hình 2.6: Ảnh hưởng trải Doppler và bước sóng 12
Hình 2.7: Ví dụ về độ trải trễ lớn nhất 13
Hình 2.8: Ví dụ flat fading: dùng khoảng sympol lớn 13
Hình 2.9: Kênh truyền multipath với hai tần số khác nhau 14
Hình 2.10: Phân loại các dạng fading tầm hẹp 15
Hình 2.12: Kênh truyền chọn lọc tần số (f
0
<W) 16
Hình 2.11: Kênh truyền không chọn lọc tần số(f
0
>W) 15
Hình 2.13: Phân loại kênh truyền [2] 18
Hình 2.14: Hiện tượng truyền sóng đa đường 19
Hình 2.15: Hàm truyền đạt của kênh [1] 20
Hình 2.16: Mật độ phổ của tín hiệu thu [1] 20
Hình 2.17: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 22
Hình 2.18: Phổ công suất Doppler hình chuông [10]. 23
Hình 2.19: Phổ công suất Doppler được đo đạc cho một tap delay đơn cùng với hàm
chuẩn hóa “Bell” shape 24
Hình 2.20: Ví dụ vể phổ Doppler hình chuông với một thành phần Doppler gây ra
Hình 4.1: Quy trình thiết kế của Synphony [4] 54
Hình 4.2: Bộ tạo AWGN 55
Hình 4.3: Bộ chia sẻ AWGN với 9 tap 56
Hình 4.4: Bộ chia sẻ AWGN với 8 giá trị AWGN khác nhau 57
Hình 4.5: Bộ mô phỏng ảnh hưởng Doppler 58
Hình 4.6: Sự tương quan trong không gian 58
Trang ix
Hình 4.7: Mô hình tương quan trong không gian 59
Hình 4.8: Tính toán nhân ma trận trong Synphony 60
Hình 4.9: Mô hình thiết kế mô phỏng Rician. 61
Hình 4.10: Tốc độ lấy mẫu của hệ số kênh truyền. 62
Hình 4.11: Interpolation trong mô hình kênh truyền TGn. 62
Hình 4.12: Thiết kế bộ Interpolation 63
Hình 4.13: Sơ đồ khối của bộ lọc kênh truyền. 64
Hình 4.14: Khối bộ lọc kênh truyền. 64
Hình 4.15: Bộ lọc FIR 64
Hình 4.16: Bộ lọc FIR thiết kế bằng Synphony 65
Hình 4.17: Kiến trúc của bộ nhân số phức 65
Hình 4.18: Bộ lọc FIR nhân số phức 66
Hình 4.19: Mô hình mô phỏng kênh truyền MIMO 66
Hình 5.1:Đáp ứng xung kênh truyền trên 1 tap 68
Hình 5.2: Hình đáp ứng xung kênh truyền trên 1 anten 9 tap 68
Hình 5.3: Đáp ứng xung của kênh truyền trên 2 anten 9 tap 69
Hình 5.4: PDP trên cả 2 anten 70
Hình 5.5: Kiểm tra Rayleigh dùng hàm khối xác suất PMF 71
Hình 5.6: So sánh CDF của giá trị các tap và lý thuyết 73
Hình 5.7: Kiểm tra Rayleigh dùng hàm phân bố tích lũy CDF 73
Hình 5.8: Phổ Doppler ở 1 giá trị H 74
Hình 5.9: Phổ Doppler trong khoảng -1 đến 1 Hz 75
hiệu, cũng như các phương pháp cân bằng kênh, lọc nhiễu và các kỹ thuật khác.
Thông thường, khi thiết kế hệ thống viễn thông, những nhà nghiên cứu không
thử nghiệm hệ thống trên môi trường truyền dẫn thực tế mà thử nghiệm hệ thống
trên môi trường truyền dẫn mô phỏng. Việc thử nghiệm hệ thống với kênh truyền
mô phỏng giúp giảm đi nhiều giá thành và độ phức tạp của việc thiết kế, tuy nhiên
hệ thống khi áp dụng thực tế sẽ không đạt kết quả cao. Chính vì lý do đó, luận văn
mô phỏng hệ thống kênh truyền sao cho có các tính chất gần giống với môi trường
truyền dẫn thực tế nhất. Các ảnh hưởng của kênh truyền như phân bố Rayleigh,
dịch tần Doppler, sự tương quan trong không gian giữa các anten, ảnh hưởng Rician
với các giá trị đã được đo đạc theo chuẩn TGn của IEEE.
Nội dung chính của luận văn là phân tích các mô hình kênh truyền, đặc biệt
là mô hình MIMO và thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền 802.11n trên nền FPGA.
Việc thiết kế trên nền FPGA sẽ hướng đến triển khai thử nghiệm hệ thống trên
Trang 2
FPGA board và khả năng tích hợp hệ thống trên một chip đơn (SoC) nhằm đảm bảo
tốc độ của hệ thống.
Nội dung luận văn được chia thành 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu về mục tiêu thực hiện đề tài, tổng quan kênh truyền
không dây và kênh truyền MIMO.
Chương 2: Tìm hiểu về mô hình kênh truyền IEEE 802.11 TGn, phân loại
kênh truyền, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền và cơ sở lý thuyết
phân bố Rayleigh, dịch chuyển Doppler, các khái niệm về cluster, sự tương quan
không gian, ảnh hưởng Rician.
Chương 3: Trình bày cơ sở lý luận để thiết kế hệ thống kênh truyền MIMO
và mô phỏng kênh truyền MIMO TGn bằng Matlab simulink.
Chương 4: Giới thiệu chương trình thiết kế Synphony HLS của hãng
Synopsys và trình bày các bước để thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền MIMO theo
mô hình TGn trên nền FPGA.
Chương 5: Trình bày các kết quả đo đạc và kiểm tra, tổng hợp hệ thống bằng
thu, tín hiệu phía phát tạo thành nhiều bản sao khác nhau. Nếu ảnh hưởng kênh
truyền quá lớn, tín hiệu phía phát có thể không phục hồi được.
Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền là yêu cầu cơ bản để có
thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc hệ thống, kích thước của các thành
phần và các thông số tối ưu hệ thống.
Hiện nay, hướng nghiên cứu về mô phỏng kênh truyền vẫn đang tiếp tục phát
triển, nhiều nhóm nghiên cứu gồm các giáo sư, tiến sĩ tại các trường đại học ở Mỹ,
Pháp, Đức, Nhật (Kyushu Institute), các hãng sản xuất phát triển viễn thông lớn đều
đưa ra các bộ mô phỏng kênh truyền để kiểm tra chất lượng hệ thống như
Octoscope, Azimuth (đưa ra sản phẩm vào tháng 7 năm 2012). Ngoài ra, các bài
báo [1], hội nghị, và một số tài liệu chuyên ngành [2] về thiết kế bộ mô phỏng kênh
truyền với các kỹ thuật khác nhau được đăng trên các tạp chí, hội nghị khoa học lớn
được tìm thấy dưới đây:
Trang 4
[1] Delangre, O.; De Doncker, P.; Lienard, M.; Gaillot, D.P.; Degauque, P.;
Dept. OPERA, Univ. Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium, “MIMO channel
emulator based on reverberation chambers” Intelligent Transport Systems
Telecommunications (ITST), 2009 9th International Conference.
[2] Chin, Kean Khoong (Ipoh, MY) Shaw, Jiann Der (Tao Yuen, TW) NG,
Yin Khai (Penang, MY), “MIMO Channel Simulator”, 2008.
1.2 GIỚI THIỆU KÊNH TRUYỀN MIMO
Kĩ thuật MIMO - đa anten phát, đa anten thu đang được xem là một giải pháp
cho thế hệ di động tiếp theo và mạng LAN không dây. Kĩ thuật này đòi hỏi một dải
băng tần rộng hơn, đáng tin cậy hơn so với hệ thống đơn anten thông thường. Hệ
thống đa anten có thể được chia thành 2 nhóm: hệ thống dựa trên anten thông minh,
và hệ thống đa ngõ ra đa ngõ vào dựa trên việc đa ghép không gian.
Hệ thống dựa trên anten thông minh lợi dụng đa anten nhận hoặc phát để
cung cấp độ lợi phân tập trong môi trường fading, độ lợi anten và triệt nhiễu ISI.
Trang 6
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC LOẠI KÊNH TRUYỀN MIMO
Chương 2 trình bày về phân loại các mô hình kênh truyền MIMO, giới thiệu
mô hình kênh truyền MIMO trong chuẩn IEEE 802.11 TGn gồm các loại như kênh
truyền phân bố Rayleigh, phổ công suất Doppler, các khái niệm về cluster, sự tương
quan trong không gian và phân bố Rician.
2.1 PHÂN LOẠI MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN 802.11N
Mô hình kênh truyền MIMO có thể được chia thành Mô hình băng rộng
(Wideband models) và Mô hình băng hẹp (Narrowband models) dựa trên băng
thông của hệ thống.
Ngoài ra, các mô hình kênh truyền MIMO còn được chia thành mô hình
physical và mô hình non-physical. Các mô hình non-physical mô tả kênh truyền
MIMO thông qua các đặc điểm thống kê dựa trên các dữ liệu được đo đạc thực tế.
Trong khi đó các mô hình physical dựa trên các thông số cấu hình và kết quả lý
thuyết. Nhìn chung các mô hình này sử dụng các thông số physical chủ yếu là AoA
(Angleof Arrival), AoD (Angle of Departure), tần số sóng mang, khoảng cách giữa
các anten [12].
Hình 2.1: Mô tả môi trường truyền không dây bao gồm nhiều thành phần.
Trang 7
Trong đó, tín hiệu truyền từ phía phát đến phía thu có nhiều đường đến khác
nhau. Tuy nhiên, trong thiết kế và thử nghiệm, mô hình kênh truyền không dây
thường giới hạn số đường từ 4 đến 24.
Băng thông không dây quyết định số đường cần thiết để tạo ra một mô hình
thích hợp. Mỗi đường được tạo thành từ các đường con (sub-paths) đại diện cho các
trong trường hợp này gần như là đều, và tạo thành Rayleigh Fading.
Tóm lại, khi băng thông tăng, khả năng của phía thu có thể phân giải các
đường khác nhau tăng, vì vậy một mô hình kênh truyền chính xác cũng yêu cầu
nhiều đường hơn. Do đó, khi số đường có thể quan sát tăng thì các đặc điểm thống
kê fading sẽ thay đổi.
Kết luận, mô hình băng hẹp xem đa đường là một đường đơn, thì mô hình
băng rộng xem là đa đường đúng nghĩa.
2.2 PHÂN LOẠI FADING
Medbo đưa ra 5 loại mô hình A-D từ mô hình trong môi trường văn phòng
đến mô hình trong môi trường có không gian mở rộng lớn.
IEEE sử dụng 3 loại mô hình A-C của Medbo và thêm 3 loại nữa đại diện
cho các môi trường nhỏ hơn (từ văn phòng nhỏ đến không gian mở rộng lớn). Mỗi
môi trường có các độ trải trễ (Delay Spread - DS) tương ứng.
Mô hình TGn bao gồm 6 mô hình từ A đến F đại diện cho các loại môi
trường trong nhà khác nhau. Trong đó, mô hình từ A đến C đại diện cho các môi
trường nhỏ như nhà ở với độ trãi trễ từ 0 đến 30ns, mô hình từ D đến F đại diện cho
các môi trường rộng lớn hơn như các không gian mở và văn phòng với độ trãi trễ từ
50 đến 150ns [4].
Trong mô hình kênh truyền không dây MIMO, mô hình truyền tín hiệu được
chia thành 2 loại là Fading tầm rộng và Fading tầm hẹp như hình 2.3.
Trang 9
Hình 2.3: Phân loại kênh truyền fading
2.2.1 Fading tầm rộng
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa
máy phát và máy thu. Ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê
về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ước lượng độ suy hao kênh truyền theo
Trang 10
Bảng 2.1: Các thông số của các mô hình [9]
Mô
hình
d
BP
(m)
Slope
before
d
BP
Slope
after
d
BP
Shadow
fading std.
dev.(dB)
before d
BP
(LOS)
Shadow fading
std. dev.(dB)
after d
BP
(LOS)
Số tap
2
3.5
3
6
18
F
30
2
3.5
3
6
18
Hình 2.4 minh họa về suy hao trên đường truyền với khoảng cách phía phát
và phía thu nhỏ hơn hoặc lớn hơn khoảng cách giới hạn d
BP
Hình 2.4: Minh họa về suy hao trên đường truyền [9]
Hàm phân phối xác suất zero-mean Gaussian:
(2.3)
truyền tối đa và tối thiểu. Hình 2.6 thể hiện ảnh hưởng trải Doppler với tần số tín
hiệu.
Hình 2.6: Ảnh hưởng trải Doppler
Nếu độ trễ được lan truyền rộng (gọi là phân tán thời gian) thì các symbol
truyền trở nên chồng khít nhau sau khi áp dụng nhân chập với kênh (thường được
gọi là nhiễu liên ký tự). Điều này dẫn đến một đáp ứng tần số phụ thuộc vào các
symbol trước đó được biết đến như fading chọn lọc tần số.
Để xác định các trường hợp xấu nhất có thể cho độ trải trễ, ta xét trong môi
trường văn phòng, trong nhà (khoảng cách khoảng 100 mét).
Ví dụ trong hình 2.7, ta thấy rằng đường ngắn nhất (LOS) là 20 m, trong khi
đường truyền khác có chiều dài 151.3m.
Trang 13
Hình 2.7: Ví dụ về độ trải trễ lớn nhất
Độ trễ tính bằng công thức:
(2.5)
(2.6)
Như vậy, theo hình 1.10, độ trải trễ nên được bé hơn: τ
ds
= (504,3 ns - 66,7
ns) = 437,7 ns.
Với độ trải trễ trên, độ trải trễ kênh truyền tạo ra nhiễu liên ký tự (ISI) sau
khi nhân chập với kênh. Tuy nhiên, với một thời gian symbol lớn hơn, đáng kể hơn
so với độ trải trễ này thì kết quả là flat fading được mô tả trong hình 2.8.
Hình 2.8: Ví dụ flat fading: dùng khoảng sympol lớn
Mối quan hệ giữa độ trải trễ và flat fading cũng làm phát sinh các khái niệm
thông của tín hiệu phát, độ trải trễ hoặc Coherence time và chu kỳ symbol mà ta có
các loại kênh truyền như hình 2.10 gồm:
+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
+ Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm.
Copyright: Tài liệu đại học ©