BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
PHẠM HOÀNG PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN
KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM HOÀNG PHƯƠNG
Phạm Hoàng Phương
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục đề tài 2
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 2
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG
2.4. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI SỐ LƯỢNG NGƯỜI DÙNG HẠN
CHẾ MỖI CELL 41
2.4.1. Huấn luyện và hồi tiếp. 41
2.4.2. Sai số lượng tử hồi tiếp 46
2.5. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG
MỘT CELL 48
2.5.1. Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường xuống 48
2.5.2. Tổng kết kết quả với đa người dùng 50
2.6. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU ANTEN THU. 51
2.6.1. Mô hình hệ thống 51
2.6.2. Tiền mã hóa Block Diagonalization 52
2.6.3. Lượng tử không gian con 53
2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 54
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN
TRONG MẠNG 4G LTE 55
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 55
3.2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG 56
3.2.1. Mô hình tín hiệu phát 56
3.2.2. Đáp ứng kênh truyền theo mô hình BEM 57
3.2.3. Mô hình tín hiệu thu 58
3.3. HỒI TIẾP ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH BEM 59
3.3.1. Hồi tiếp hữu hạn sử dụng mô hình BEM 60
3.3.2. Tiền mã hóa BD 63
3.3.3 Thuật toán Greedy Scheduling 66
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 67
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN
KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 68
4.2. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN
TRONG MẠNG 4G LTE 68
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
3G
Third Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 3
3GPP
Third Generation Partnership
Project
Tổ chức chuẩn hóa các công
nghệ mạng thông tin di động
tế bào
4G
Fourth Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 4
AWGN
Additive White Gaussian
Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
BD Block Diagonalization
BEM Basis Expansion Model Mô hình mở rộng cơ sở
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit
BS Base Station Trạm gốc
CIR
FDD Frequency Division Duplex
Ghép kênh song công phân
chia theo tần số
FDM
Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số.
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo
tần số
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
GSM
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
GPRS General Packet Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói tổng
hợp
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ nghệ Điện và Điện
Tử
IFFT
công suất trung bình
PCM Pulse Code Mudulation Điều chế xung mã
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điều biên cầu phương
QPSK
Quadrature Phase Shift
Keying
Điều chế pha vuông góc
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
SC-FDMA
Single Carrier Frequency
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
tần số đơn sóng mang
SINR
Signal to Interference Noise
Ratio
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và
tạp âm
SDMA
Space Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
SISO Single Input Single Output
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
1.1
Các đặc điểm chính của công nghệ LTE
3
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
Tên hình Trang
1.1 Phổ của sóng mang con OFDM
7
1.2
So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung và kỹ
thuật sóng mang chồng xung
8
1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 9
1.4 Tiền tố lặp trong OFDM 13
1.5 Các tín hiệu đa đường 17
1.6
Mô hình hệ thống MIMO với N
t
anten phát và N
r
anten
thu
20
1.7 Mô hình SVD MIMO tối ưu 24
1.8
Kỹ thuật Beamforming
28
1.9 Ghép kênh không gian 29
1.10
74
4.6
Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng và tính toán
dung lượng hệ thống
75
4.7
Dung lượng hệ thống với số lượng người dùng khác
nhau
77
4.8
Dung lượng hệ thống với số lượng bit hồi tiếp khác
nhau
78
4.9
Dung lượng hệ thống với số lượng anten phát khác
nhau sử dụng tiền mã hóa BD và ZF
79
4.10
Dung lượng hệ thống với số hàm cơ sở DSP-BEM
khác nhau
80
4.11
Dung lượng hệ thống với tốc độ di chuyển của thuê
bao khác nhau
81
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bên cạnh những hình thức phân chia đã biết như: thời gian, tần số và mã
một số kỹ thuật sử dụng trong mạng 4G LTE: kỹ thuật MIMO, tiền mã hóa và
hồi tiếp hữu hạn.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh
truyền trong mạng MIMO đa người dùng sử dụng mô hình BEM.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền. Thực
hiện tính toán mô phỏng các vấn đề liên quan và đánh giá kết quả, đề xuất,
kiến nghị.
5. Bố cục đề tài
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển, tài liệu tham khảo,
phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau:
Chương 1: Một số kỹ thuật dùng trong mạng thông tin di động 4G LTE.
Chương 2: Tổng quan về hồi tiếp thông tin kênh truyền.
Chương 3:Thiết kế hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4G LTE.
Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4G
LTE.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo khoa học, các luận
văn thạc sĩ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với
các trang web tìm hiểu. Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót,
rất mong nhận được sự góp ý của hội đồng để luận văn trở thành một công
trình thực sự có ích.
3
CHƯƠNG 1
MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G LTE
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này trình bày những kiến thức chung về công nghệ LTE, các
Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4
Tốc độ dữ liệu đỉnh
trong 20MHz
Đường xuống: 173 và 326 Mb/s tương ứng
với cấu hình MIMO 2 * 2 và 4 * 4
Đường lên: 86Mb/s với cấu hình 1 * 2 anten
Điều chế
QPSK ; 16 QAM và 64 QAM
Mã hóa kênh
Mã tubo
Các công nghệ khác
Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng
; điều khiển công suất ; ICIC và ARQ hỗn
hợp
Mục tiêu của LTE là cung cấp một dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ
thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một
cách linh hoạt khi triển khai. Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với
mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt,
chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu.
Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ
tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO
(multiple input multiple output) trong 20MHZ băng thông. MIMO cho đường
lên là không được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE. Tốc độ
dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông. Ngoài viêc cải
thiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ
2 đến 4 lần của hệ thống HSPA phiên bản 6.
lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC
6
như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. VoIP sẽ dùng cho
dịch vụ thoại.
Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5 km LTE cung cấp tối
ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến
30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng, còn hiệu suất phổ thì lại
giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu
cầu về độ di động vẫn được đáp ứng.
Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại: Tuy nhiên
mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại.
Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không
cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
OFDMA, SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống
này hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-
FDMA. Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phân
chia thời gian TDD. Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các
người dùng với chi phí thấp. Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song
công đắt tiền trong UE. Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập
phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ
sóng đường lên.
Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi
phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các
dịch vụ. Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan
đến yếu tố chi phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các
trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề
cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít
năng lượng.
7
b
a
tgtfk
tgtf
dttgtfgf
)()(,
)()(,0
)()(),(
*
(1.1)
Trong đó: g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b là
chu kì của tín hiệu, k là một hằng số.
Hình 1.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung
và kỹ thuật sóng mang chồng xung.
Trong hệ thống đa sóng mang (MC), nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử
dụng tần số có dạng
t)fj(2
k
e
)1(
)(2
)1(
*
)().(
mnT
mn
,
#,0
(1.2)
Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n, m.
Từ hình 1.2 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời gian
T có dạng hàm Sin(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là điểm không của các
sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không gây nhiễu lẫn nhau.
Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng
thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất:
f
N
= NΔf (1.3)
Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía
thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng.
1.3.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM
T
N
n
n
với n=0,1,2…,N-1 (1.4)
Tín hiệu OFDM đưa vào có dạng như sau:
1
0
)(
N
n
tj
n
n
eSts
(1.5)
Khi lấy mẫu thứ k của tín hiệu OFDM ta có:
các sóng mang được điều chế, được cộng lại với nhau ở bộ biến đổi song song
nối tiếp (bộ P/S: Serial/Parrallel) ta sẽ thu được tín hiệu OFDM. Yêu cầu biến
đổi dạng tín hiệu số OFDM thành dạng tín hiệu tương tự để truyền lên kênh
vô tuyến được thực hiện nhờ bộ biến đổi số tương tự (bộ DAC)
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM
11
a. Mã hóa kênh
Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc
độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong
một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế
tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số
BER và thời gian trễ chấp nhận được. Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không
đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các
phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh.
Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu
bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa
thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều
hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải
đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần
phải truyền lại.
Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập
(convolutional code).
b. Khối xen rẽ Interleaver
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa
với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường
xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng fading lựa chọn tần số.
Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật
xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên
chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading. Về mặt thông
tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây
nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền
tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó. Bằng
cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP, và tín hiệu đa
Copyright: Tài liệu đại học ©