Thạc Sĩ Thiết kế hệ thống mimo-ofdm sdm trên nền fpga

LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài năm gần đây, các thiết bị di động phát triển rất mạnh mẽ với sự xuất
hiện của các điện thoại thông minh (smart-phone), máy tính bảng (tablet), các máy
tính cá nhân siêu di động (ultrabook) , dẫn đến nhu cầu của người dùng di động
ngày càng tăng. Song song với nhu cầu sử dụng tăng thì nhu cầu về chất lượng dịch
vụ cũng tăng theo. Vì vậy, các nhà nghiên cứu cố gắng đưa ra những kỹ thuật
truyền mới với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và tầm phủ sóng xa hơn nhằm đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Kỹ thuật MIMO (Multi-Input Multi-Output) trong truyền thông là kỹ thuật sử
dụng nhiều an-ten phát, nhiều an-ten thu để truyền và nhận dữ liệu. Ưu điểm của
MIMO là tăng độ phân tập của kênh truyền fading, nên có thể giảm xác suất lỗi
(BER hay FER .) và tăng dung lượng của kênh truyền từ đó có thể tăng được tốc độ
dữ liệu.
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) là một trường
hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ
trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn
lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ
làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật
điều chế thông thường. Ngoài ra, hệ thống OFDM còn có thể loại bỏ hoàn toàn
nhiễu phân tập đa đường (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI).
Sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO-OFDM được xem là một giải pháp công
nghệ nổi lên với việc truyền được dữ liệu tốc độ cao, đã và đang áp dụng vào các hệ
thống hiện nay như 4G, WiMAX, và Wifi.
Chính vì tính ưu việt của kỹ thuật MIMO-OFDM nên đây là hướng nghiên
cứu rộng mở nhất trên thế giới, cũng như tại Bộ môn Viễn thông và Mạng, Khoa
Điện tử Viễn thông, Trường ĐH KHTN. Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu thường
chỉ thiết kế và đánh giá hệ thống trên các phần mềm mô phỏng như Matlab
Simulink mà chưa quan tâm đến việc thực hiện trên phần cứng để phân tích kết quả
một cách khách quan hơn, chính xác hơn vì mô phỏng và thực tế cách nhau rất xa.
Chính vì vậy tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế trên nền FPGA và thực hiện
trên ngôn ngữ phần cứng hệ thống MIMO-OFDM SDM hoàn chỉnh.
Luận văn nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tiến hành mô phỏng, đánh giá hệ thống
MIMO-OFDM trên Matlab Simulink. Sau đó thiết kế hệ thống bằng ngôn ngữ phần
cứng trên nền FPGA sử dụng công cụ Synphony của hãng Synopsys. Cuối cùng
dùng phần mềm Synplify để tổng hợp và xác định board FPGA phù hợp có thể sử
dụng để thực hiện và kiểm tra.
Nội dung luận văn được chia thành 6 chương:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống MIMO-OFDM được nghiên cứu và phát
triển hiện nay và xu thế trong tương lai.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về hệ thống MIMO và hệ thống OFDM.
Chương 3: Trình bày lý thuyết và mô hình mô phỏng từng khối chức năng
trong hệ thống MIMO-OFDM SDM trên Matlab simulink cũng như đưa ra các kết
quả đánh giá hệ thống với các loại kênh truyền khác nhau.
Chương 4: Trình bày ý tưởng và nội dung thiết kế hoàn chỉnh của hệ thống
MIMO-OFDM SDM trên ngôn ngữ phần cứng.
Chương 5: Trình bày các kết quả đo đạc và kiểm tra hệ thống.
Chương 6: Tổng kết các kết quả đã thực hiện và hướng phát triển của đề tài.

Về mặt thực hiện thực tế, do hạn chế khách quan là không có thiết bị phần
cứng phù hợp nên phần thực thi trên board FPGA sẽ không được thực hiện. Tuy
nhiên, đề tài đã biên dịch thành công toàn bộ hệ thống sang ngôn ngữ máy để sẵn
sàng nạp nếu có điều kiện. Đây là một đề tài có tính nghiên cứu, ứng dụng cao. Các
kết quả có thể trực tiếp được ứng 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 hệ thống truyền thông thiết kế 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 1

1.1. Giới thiệu 1
1.1.1. Lịch sử phát triển 1
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản . 3
1.2. Một số ứng dụng tiêu biểu . 5
1.2.1. Chuẩn 802.11n (WiFi) 5
1.2.2. Chuẩn 802.16 (WiMAX) . 6
1.2.3. Công nghệ 4G . 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1. Hệ thống MIMO 9
2.1.1. Khái niệm hệ thống MIMO . 9
2.1.2. Các kỹ thuật phân tập 10
2.1.3. Các độ lợi trong hệ thống MIMO 11
2.2. Mã hóa không gian thời gian STC . 12
2.2.1. Mô hình hệ thống 13
2.2.2. Dung lượng hệ thống . 13
2.2.3. Mã hoá không gian thời gian khối STBC 15
2.2.4. Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST 19
2.3. Ghép kênh phân chia không gian (Spatial Division Multiplexing) . 20
2.3.1. Ghép kênh phân chia không gian sử dụng thuật toán Zero Forcing 22
2.3.2. Thuật toán MMSE . 23
2.4. Hệ thống OFDM 24
2.4.1. Nguyên lý OFDM . 24
2.4.2. Tín hiệu OFDM 25
2.4.3. Thực hiện hệ thống OFDM bằng phép biến đổi IFFT/FFT 26
2.4.4. Cyclic Prefix . 27

Mục lục

iv
2.4.5. Bộ giải điều chế OFDM 29
2.4.6. Các ưu và nhược điểm . 31
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM SDM 2X2 TRÊN
MATLAB SIMULINK 32

3.1. Lý thuyết các khối chức năng 34
3.1.1. Khối giả ngẫu nhiên (Khối Randomizer) . 34
3.2. Khối mã hoá kênh (Khối Channel Coding) 35
3.2.1. Mã hoá Convolutional Code 35
3.2.2. Khối điều chế số (Khối Modulation) và Khối giải điều chế số . 39
3.2.3. Khối phân tập và giải phân tập sử dụng thuật toán MMSE (MMSE
Decoder) . 40
3.2.4. Điều chế và giải điều chế OFDM 41
3.2.5. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic Prefix 42
3.2.6. Khối ước lượng kênh truyền (bộ Estimation) . 43
3.2.7. Khối giải mã SDM (bộ SDM Decoder) . 45
3.3. Mô hình kênh truyền 45
3.3.1. Nhiễu AWGN . 45
3.3.2. Mô hình kênh truyền SUI 46
3.3.3. Mô hình kênh truyền TGn . 47
3.3.4. Đánh giá kết quả của hệ thống . 48
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN HỆ THỐNG MIMO-OFDM SDM 2X2 TRÊN
NỀN FPGA 55

4.1. Bộ tạo thông tin điều khiển (khối Controller_TX) 56
4.2. Bộ tạo dữ liệu (khối Data TX) . 57
4.3. Bộ ngẫu nhiên hoá (khối Randomizer) và giải ngẫu nhiên hoá dữ liệu (khối
De-Randomizer) . 58
4.4. Bộ mã hoá kênh và bộ giải mã kênh 60
4.4.1. Bộ mã hoá kênh (khối Channel Encoder) 60
4.4.2. Bộ giải mã kênh (khối Channel Decoder) 62
4.5. Bộ điều chế số và bộ giải điều chế số. 63
4.5.1. Bộ điều chế số (khối Modulation) . 63
4.5.2. Bộ giải điều chế số (khối De-Modulation) . 65
4.6. Bộ phân tập an-ten (khối De-MUX) . 66
4.7. Bộ tạo symbol OFDM (khối OFDM Symbol) và bộ tách symbol OFDM (khối
OFDM Data) 66
4.7.1. Bộ tạo symbol OFDM . 66
4.7.2. Bộ tách symbol OFDM . 71
4.8. Bộ giả lập kênh truyền (khối Channel) . 72
4.9. Bộ ước lượng kênh truyền (khối Estimation) . 73
4.10. Bộ giải mã SDM (khối SDM decoder) 75
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ . 79

5.1. Bộ điều khiển 79
5.1.1. Tín hiệu động bộ . 79
5.1.2. Tín hiệu chỉ dẫn 80
5.2. Khối ngẫu nhiên hoá 81
5.3. Khối mã hoá kênh 82
5.4. Khối điều chế và giải điều chế số. 83
5.5. Khối phân tập an-ten 83
5.6. Ghép symbol OFDM . 84
5.7. Khối tạo nhiễu: 85
5.8. Khối ước lượng kênh. 86
5.9. Khối giải mã MMSE 87
5.10. Tỉ lệ lỗi của hệ thống với nhiễu AWGN: . 87
5.11. Tài nguyên phần cứng của hệ thống. . 88
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89

6.1. Kết luận . 89
6.2. Hướng phát triển 90