Đồ Án Các phương pháp mã hoá kênh trong thông tin di động 4g

LỜI MỞ ĐẦU
Mục đích của các công nghệ truyền thông di động thế hệ thứ 4 là thực hiện truyền thông vô tuyến ở tốc độ cao bằng với tốc độ trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang hiện tại. Tuy các hệ thống truyền thông di động 4G được dự đoán sẽ được áp dụng trong tương lai, nhưng các công nghệ tiền thân và các dịch vụ của nó hiện đã được giới thiệu. Với việc tích hợp Internet và các ứng dụng đa truyền thông trong các hệ thống viễn thông thế hệ 4G, yêu cầu về các dịch vụ truyền thông tốc độ cao băng rộng ngày càng tăng. Nhưng vì phổ tần số sẵn có bị giới hạn nên để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn thì chỉ còn cách nghiên cứu và đưa ra những kỹ thuật xử lý tín hiệu mới, hiệu quả hơn.
Những nghiên cứu gần đây về lý thuyết thông tin đã cho thấy rằng các kênh vô tuyến có dung lượng lớn có thể đạt được trong hệ thống MIMO (multiple-input multiple-output). Kênh MIMO được xây dựng với nhiều anten phần tử ở cả hướng phát lẫn hướng thu. Mã không gian-thời gian (space-time coding) là một tập hợp các kỹ thuật sắp xếp tín hiệu thực tế nhằm đạt được mục đích là tiến đến gần giới hạn dung lượng lý thuyết của các kênh MIMO. Nền tảng của mã hóa không gian-thời gian được đặt ra bởi Tarokh, Seshadri và Calderbank vào năm 1998. sự kết hợp giữa mã hóa không gian-thời gian và xử lý tín hiệu MIMO đã sớm trở thành một phạm vi nghiên cứu sôi nổi nhất trong truyền thông vô tuyến.
Mã hóa không gian thời gian dựa vào mối quan hệ tương quan giữa các tín hiệu được phát ở cả 2 miền không gian và thời gian. Bằng phương pháp này, ta sẽ đạt được đồng thời độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa, cũng có nghĩa là đạt được hiệu quả phổ tần cao. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc thiết kế mối quan hệ phụ thuộc không gian-thời gian ở tín hiệu phát với mong muốn đạt được độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa cao. Nhưng gần đây, các nghiên cứu lại chuyển sang hướng tín hiệu chỉ được mã hóa trong miền thời gian và được phát bởi nhiều anten độc lập. Lúc này, nhiệm vụ chính của nghiên cứu là triệt nhiễu tại máy thu.
Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G và hướng đi lên
Chương 2: Các phương pháp mã hoá đã dung trong 3G
Chương 3: Mô hình kênh fading và dùng lượng hệ thống MIMO
Chương 4: Các phương pháp mã hoá kênh đề xuất sử dụng trong 4G
Nghiên cứu về mã hoá kênh là đề tài quan trọng và có ý nghĩa nhất là trong thời kỳ các hệ thống viễn thông đang tiến đến 4G. Nghiên cứu về mã hoá kênh giúp cho nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tài nguyên tần số ngày càng hạn hẹp
Trong thời gian làm đồ án, vì thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót. Mong các thầy, cô giáo đóng góp để em được hoàn thiện hơn.
Em chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tưòng Thành đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án để em có được ngày hôm nay.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện cho em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua.

MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương 1:
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 3
1.1 Hướng đến hệ thống 4G 3
1.2 Tìm hiểu sơ lược về hệ thống 4G 7
1.3 Mạng 4G và môi trường vô tuyến đa hợp 7
1.4 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống 4G 10
1.4.1 Thông tin băng rộng 10
1.4.2 Chi phí thấp 11
1.4.3 Vùng phủ sóng rộng 11
1.4.4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng 11
1.4.5 Mục tiêu thiết kế 12
1.5 Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G 13
1.5.1 Những vấn đề kỹ thuật 13
1.5.1.1 Dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao 13
1.5.1.2 Chi phí thấp hơn 14
1.5.1.3 Kết nối liên mạng dựa trên công nghệ IP 15
1.5.2 Cấu hình hệ thống 15
1.5.2.1 Cấu hình hệ thống dựa trên IP 15
1.5.2.2 Phân loại và cấu hình cell theo môi trường truyền dẫn 16
1.5.2.3 Thông tin đa phương tiện 17
1.6 Công nghệ cho 4G 18
1.7 Kết luận chương 20
Chương 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA ĐÃ DÙNG TRONG 3G 21
2.1 Mã hóa kênh: quá trình mã hóa và nguyên lý 21
2.1.1 Quá trình mã hóa 21
2.1.2 Nguyên lý mã hóa 22
2.2 Mã khối 23
2.3 Mã xoắn 26
2.4 Mã Turbo 28
2.5 Kết luận chương 30
Chương 3:
MÔ HÌNH KÊNH FADING VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO 31
3.1 Mô hình kênh fading 31
3.1.1 Truyền dẫn đa đường 31
3.1.2 Hiệu ứng Doppler 31
3.1.3 Mô hình hệ thống kê kênh fading 32
3.1.3.1 Fading Rayleigh 32
3.1.3.2 Fading Rician 34
3.2 Dẫn nhập 35
3.3 Tổng quan về hệ thống thông tin di động MIMO 36
3.3.1 Giới thiệu 36
3.3.2 Mô hình hệ thống MIMO 37
3.3.3 Dung lượng hệ thống MIMO 40
3.4 Kết luận chuơng 46
Chương 4:
CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA KÊNH ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG TRONG 4G 47
4.1 Đặc tính mã hóa không gian-thời gian 47
4.1.1 Giới thiệu 47
4.1.2 Các hệ thống mã hóa không gian-thời gian 47
4.1.3 Phân tích đặc tính của mã không gian-thời gian 50
4.2 Mã khối không gian-thời gian (STBC) 54
4.2.1 Giới thiệu 54
4.2.2 Mã không gian-thời gian Alamouti 54
4.2.2.1 Mã hóa không gian-thời gian Alamouti 55
4.2.2.2 Giải mã Maximum Likelihood và Combining 57
4.2.2.3 Hệ thống Alamouti với nhiều anten thu 59
4.2.2.4 Đặc tính của hệ thống Alamouti 60
4.2.3 Mã khối không gian-thời gian (STBC) 63
4.2.4 STBC cho chòm sao tín hiệu thực 67
4.2.5 Giải mã STBC 70
4.2.6 Đặc tính của mã STBC 75
4.2.7 Ảnh hưởng của đánh giá kênh không hoàn hảo đến đặc tính 78
4.3 Mã trellis không gian-thời gian (STTC) 80
4.3.1 Hệ thống mã hóa không gian-thời gian 80
4.3.2 Tiêu chuẩn thiết kế từ mã không gian-thời gian 83
4.3.3 Thiết kế mã trellis không gian-thời gian trên kênh fading chậm 86
4.3.3.1 Xác suất lỗi trên kênh Fading chậm 86
4.3.3.2 Các tiêu chuẩn mẫu cho STTC Rayleigh Fading chậm 87
4.3.3.3 Mã hóa/giải mã STTC trên kênh fading phẳng giả tĩnh 93
4.3.4 Thiết kế mã trellis không gian-thời gian trên kênh fading nhanh 96
4.3.4.1 Xác suất lỗi trên kênh Fading nhanh 96
4.3.4.2 Trường hợp khi δHnR ≥ 4 98
4.3.4.3 Trường hợp khi δHnR < 4 99
4.4 So sánh giữa STBC và STTC 100
4.5 Kết luận chương 104
KẾT LUẬN 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106