Thạc Sĩ Phân tích các loại kênh truyền mimo và thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền mimo trên nền fpga

LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn này được gợi ý từ đề tài của giáo sư người Nhật Hiroshi Ochi của đại học Kyushu Technology Institute, Nhật Bản. Tác giả đã kế thừa và phát triển từ nhiều tài liệu do giáo sư và tiến sĩ Yuhei Nagao cung cấp. Đây là đề tài có tính ứng dụng cao và là một phần rất quan trọng trong dự án lớn của phòng thí nghiệm DSP tại trường đại học Kyushu. Được sự hợp tác, giúp đỡ và hỗ trợ từ trường Đại Học Kyushu và giáo sư Ochi, tác giả đã có thời gian ngắn nghiên cứu và thử nghiệm kết quả đề tài tại Nhật Bản.
Kênh truyền là thành phần cơ bản nhất quyết định đến chất lượng của hệ thống không dây, đặc biệt trong hệ thống đa anten phát đa anten thu MIMO (Multi Input Multi Output), kênh truyền chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và nhạy cảm hơn các loại kênh truyền trong môi trường khác. Vì vậy, trước khi thiết kế một hệ thống không dây, việc nghiên cứu các đặc tính kênh truyền là nhiệm vụ đầu tiên. Dựa trên các đặc tính kênh truyền để lựa chọn các kỹ thuật mã hóa kênh, kỹ thuật điều chếtín 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 chương trình Synplify Premier của Synopsys.
Chương 6: Tổng kết các nội dung chính đã hoàn thành và hướng phát triển của đề tài.
Về mặt thực hiện thực tế, do một số hạn chế về kỹ thuật và thiết bị phần cứng phù hợp nên phần thực thi trên board FPGA sẽ không được thực hiện. Tuy nhiên, đây là một đề tài có tính nghiên cứu, ứng dụng cao, và nhiều thử thách. Các kết quả có thể trực tiếp được sử dụng trong giảng dạy các môn học viễn thông ở cấp bậc đại học hoặc cao hơn. Quan trọng hơn, đề tài có thể phục vụ cho mục đích kiểm tra, thử nghiệm các thiết kế hệ thống truyền thông và mở ra khả năng phát triển hệ thống ở dạng phần cứng nhằm cho ra các kết quả có ý nghĩa thực tiễn. Tác giả mong nhận được các ý kiến đánh giá, trao đổi nhằm góp phần hoàn thiện đề tài.

MỤC LỤC
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
2.6.1 Các mô hình kênh truyền 802.11n: . 27
2.6.2 Xây dựng ma trận hệ số kênh truyền MIMO với sự tương quan trong không gian: . 30
2.6.3 Số cluster . 32
2.6.4 Góc AoA (AoD) trung bình của mỗi cluster: 34
2.7 Phân bố rician 35
Chương 3: Mô phỏng mô hình kênh truyền mimo TGn bằng Matlab Simulink . 37
3.1. Mô hình hóa kênh truyền MIMO TGn . 37
3.2. Thành phần tạo hệ số kênh truyền 40
3.2.1. Bộ sinh phân bố Rayleigh 43
3.2.2. Bộ tạo kênh truyền biến đổi theo thời gian 45
3.2.3. Bộ tạo sự tương quan trong không gian . 45
3.2.4. Bộ tạo Rician K-factor . 47
3.2.5. Bộ power delay profile và interpolation 49
3.3. Bộ lọc fir ghép tín hiệu phát và hệ số kênh truyền . 51
Chương 4: Thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền MIMO TGn trên nền FPGA 53
4.1 Công cụ thiết kế 53
4.2 Thiết kế hệ thống kênh truyền MIMO TGn trên nền FPGA . 55
4.2.1 Bộ tạo phân bố Rayleigh 55
4.2.2 Bộ tạo Doppler 57
4.2.3 Bộ tạo sự tương quan trong không gian . 58
4.2.4 Bộ mô phỏng ảnh hưởng Rician . 60
4.2.5 Bộ interpolation . 61
4.2.6 Bộ ghép tín hiệu phát và hệ số kênh truyền . 63
4.2.7 Mô hình mô phỏng kênh truyền MIMO hoàn chỉnh 66
Chương 5: Kết quả mô phỏng . 67
5.1 Đáp ứng xung của kênh truyền . 67
Trang iv
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