Thạc Sĩ Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng ten MIMO

MỞ ĐẦU

Ngày nay, đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G). Có thể nói cấu trúc kết hợp kỹ thuật sửa sai mã Turbo và MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là một trong những đề xuất làm nền tảng kỹ thuật có thể được áp dụng để triển khai cho thế hệ thông tin di động hiện tại và tương lai. Bên cạnh đó, nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau cũng được triển khai như FDMA, TDMA, SDMA, CDMA ( Frequency, Time, Space, Code Division Multiple Access). Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, nhu cầu ruyền dẫn dữ liệu không ngừng tăng lên và yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng cao.
Tuy nhiên trong một số điều kiện thực tế, với các hạn chế về năng lượng, băng thông , nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật ứng dụng mới đã được triển khai để khắc phục những khó khăn này. Một trong số đó là kỹ thuật phân tập MIMO với nhiều ăng-ten ở đầu phát lẫn đầu thu kết hợp với mã chống lỗi Turbo. Khả năng kết hợp cả hai trong một hệ thống hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Luận văn nhằm mục đích đánh giá khả năng phối hợp giữa hai kỹ thuật này để nâng cao chất lượng truyền dẫn dữ liệu. Dịch vụ truyền thông đa phương tiện như truy cập Web, video theo yêu cầu, điện thoại IP đang ngày càng trở nên phổ biến. Hệ thống đa ăng-ten thu - phát MIMO đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trong các hệ thống liên lạc không dây trong thế hệ thông tin di động thứ 3 (3G). Hệ thống này áp dụng kỹ thuật phân tập, kết hợp kỹ thuật mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Để giải quyết tốt các ảnh hưởng đặc trưng của môi trường truyền dẫn không dây và di động, ngoài việc tận dụng ưu thế của hệ thống MIMO, luận văn nghiên cứu kết hợp mã chống lỗi
Turbo vào trong hệ thống này. Kết quả nghiên cứu đã xác định được các đặc trưng cơ bản đem lại kết quả tốt cho hệ thống kết hợp.
Cấu trúc luận văn bao gồm các phần sau:
Chương I : Giới thiệu và nêu tổng quan vấn đề.
Chương II : Tóm lược các đặc trưng của hệ thống MIMO.
Chương III : Trình bày các vấn đề liên quan đến mã chống lỗi Turbo.
Chương IV : Xây dựng hệ thống kết hợp giữa mã Turbo và MIMO.
Chương V : Trình bày về việc truyền dẫn dữ liệu multimedia sử dụng hệ thống Turbo-MIMO.
Chương VI : Nêu các kết luận chính và hướng phát triển của đề tài.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8
MỞ ĐẦU 13
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 15
1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ. . 15
1.2 MỤC ĐÍCH CHÍNH CỦA LUẬN VĂN . 16
CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG MIMO . 18
2.1 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN. 18
2.2 ĂNG-TEN THÔNG MINH. 18
2.3 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN Ở ĐẦU PHÁT VÀ ĐẦU THU 19
2.4 TOÁN HỌC TRONG HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 21
2.4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SISO . 21
2.4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO 21
2.5 CÁC KIỂU KÊNH TRUYỀN. 24
2.5.1 KÊNH NHIỄU TRẮNG PHÂN BỐ GAUSSIAN 24
2.5.2 KÊNH TRUYỀN NHIỄU RAYLEIGH 24
2.6 DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN MIMO . 28
2.6.1 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG
TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH CHẬM 35
2.6.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG KÊNH TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH NHANH VÀ FADING KHỐI . 36
2.7 KỸ THUẬT PHÂN TẬP 37
2.7.1 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN. . 38
2.7.2 PHÂN TẬP THỜI GIAN . 41
2.7.3 PHÂN TẬP TẦN SỐ. . 42
2.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP THU 42
2.9 KẾT LUẬN. 44
CHƯƠNG 3 - MÃ HÓA TURBO 45
3.1 GIỚI THIỆU 45
3.2 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA TURBO CODES. 45
3.3 MÃ HÓA. . 47
3.3.1 BỘ MÃ XOẮN TRUY HỒI RSC 48
3.3.2 BỘ TRỘN INTERLEAVER 49
3.3.3 BỘ LƯỢC BIT 51
3.3.4 BỘ KẾT THÚC . 53
3.4. BỘ GIẢI MÃ TURBO. 54
3.5 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG BỘ GIẢI MÃ TURBO 62
3.5.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA THUẬT TOÁN SOFT IN/SOFT OUT 62
3.5.2 THUẬT TOÁN MAP. 63
3.5.3 THUẬT TOÁN MAX LOG-MAP . 68
3.5.4 THUẬT TOÁN LOG –MAP 71
3.6 BỘ TRỘN TRONG TURBO CODES 74
3.6.1 BỘ TRỘN KHỐI (BLOCK INTERLEAVER) 76
3.6.2 BỘ TRỘN BERROU-GLAVIEUX . 77
3.6.3 BỘ TRỘN BÁN NGẪU NHIÊN 78
3.6.4 BỘ TRỘN GIẢ NGẪU NHIÊN . 79
3.6.5 BỘ TRỘN UMTS. . 80
3.6.6 BỘ TRỘN BIT TỐI ƯU 81
3.7 KẾT LUẬN. .82
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 3 HVTH: Nguyễn Quang Anh
CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG KẾT HỢP GIỮA MÃ CHỐNG LỖI
TURBO VÀ ĂNG-TEN MIMO. .83
4.1 GIỚI THIỆU 83
4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG . 83
4.2.1 MÔ PHỎNG DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO. 84
4.2.2 MÔ PHỎNG PHÂN TẬP THU – PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĂNGTEN
MIMO 86
4.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP TURBO-MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ
PHỎNG. . 90
4.3.1 MÔ PHỎNG SO SÁNH HỆ THỐNG TURBO-MIMO VỚI HỆ
THỐNG TURBO ĐƠN THUẦN 94
4.3.2 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN GIẢI MÃ TRONG HỆ THỐNG TURBO-MIMO 98
4.3.3 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC KÍCH THƯỚC BỘ TRỘN BIT KHÁC NHAU 100
4.3.4 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC TỐC ĐỘ MÃ HÓA KHÁC NHAU. 101
4.3.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG FADING RAYLEIGH CHẬM . 102
4.4 KẾT LUẬN. . 105
CHƯƠNG 5 - TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU MULTIMEDIA SỬ DỤNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO . 107
5.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU . 107
5.2 MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU. 107
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 110
5.3.1 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG TEXT . 110
5.3.2 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG HÌNH ẢNH TĨNH 115
5.4 KẾT LUẬN. . 120
CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 121
6.1 KẾT LUẬN CHUNG. . 121
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO 124