Nghiên cứu lớp vật lý Mimo -OFDM của hệ thống thông tin di động 4G

- Nguyễn Minh Trang NGHIÊN CỨU LỚP VẬT LÝ MIMO - OFDM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- HÀN HUY DŨNG Trang phụ bìa Hà Nội – 2017 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 2 Nguyễn Minh Trang – CB130631 LỜI CAM ĐOAN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tài.
- Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên như tôi có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu.
- Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra.
- Tác giả Nguyễn Minh Trang Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 3 Nguyễn Minh Trang – CB130631 MỤC LỤC Trang phụ bìa.
- 9 Chương 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G.
- 12 1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G.
- 12 1.2 Lớp vật lý của hệ thống 4G.
- 20 1.3 Đường xuống kênh vật lý.
- 36 Chương 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM.
- 37 2.1 Hệ thống MIMO.
- 49 2.2 Hệ thống OFDM.
- Tổng quan hệ thống OFDM.
- 55 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 4 Nguyễn Minh Trang – CB .
- 56 2.3 Hệ thống MIMO-OFDM.
- 58 Chương 3 ƯỚC LƯỢNG KÊNH MÙ VÀ MÔ PHỎNG.
- 59 3.2 Ước lượng kênh mù.
- 84 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 5 Nguyễn Minh Trang – CB130631 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Kin trúc ca m ng 4G.
- 13 Hình 1.2: Các kt ni ca eNodeB.
- 15 Hình 1.3: Cu to eNodeB (Samsung.
- 16 Hình 1.4: Cu trúc khung FDD (Loi 1.
- 18 Hình 1.5: Ch ng xung (FDD.
- 18 Hình 1.6: Cu trúc khung TDD (Loi 2.
- 19 Hình 1.7: Ví d v vic ch ng xung cho hong TDD.
- 20 Hình 1.8: Kin trúc giao thc vô tuyn quanh lp vt lý.
- 21 Hình 1.10: Quá trình mã hóa kênh truyn ti cho DL-SCH.
- 23 Hình 1.11:Cu trúc b mã hóa turbo t.
- 26 Hình 1.12:Rate matching cho mã hóa turbo kênh truyn ti.
- 27 Hình 1.13: Mô hình kênh DL-SCH.
- 30 Hình 1.14: Ánh x lp vi 2 codeword và 4 layer.
- 33 Hình 1.15: Ánh x lp vi 2 codeword và 8 layer.
- 33 Hình 1.16: Bi.
- 35 Hình 2.1: H thng MIMO.
- 40 Hình 2.3: Gim nhiu trong MIMO.
- 42 Hình 2.4: Máy phát Alamouti.
- 44 Hình 2.6: Cu trúc D-BLAST.
- 48 Hình 2.8: Tng quan h thng OFDM.
- 51 Hình 2.10: Dng sóng ca mt ký hiu OFDM.
- 52 Hình 2.11: Nguyên lý giu ch OFDM.
- 53 Hình 2.12: Chèn CP vào ký hiu OFDM.
- 54 Hình 2.13: Chèn khong bo v trit tiêu nhiu ISI.
- 70 Hình 3.2: Chòm sao ca 1ˆsvà 2ˆs.
- 72 Hình 3.3: So sánh NMSE khi ghép kênh không gian.
- 77 Hình 3.4: So sánh SER khi ghép kênh không gian.
- 78 Hình 3.5: So sánh NMSE khi s dng mã hóa Alamouti.
- 79 Hình 3.6: So sánh SER khi s dng Mã hóa Alamouti.
- 80 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 6 Nguyễn Minh Trang – CB130631 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bng 1.1: Bng t.
- 31 Bng 1.4: Các ch.
- 80 Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 7 Nguyễn Minh Trang – CB130631 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ARP Automatic Repeat Request AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate CCI Co-Channel Interference CDD Cyclic Delay Diversity CRC Cyclic Redundancy Check CSI Channel State Information DFT Discrete Fourier Transform DL-SCH Downlink Shared Channel DU Digital Unit EM Expectation - Maximinization FDD Frequency Division Duplex FFT Fast Fourier Transform HARQ Hybrid Automatic Repeat Request HOS Higher Order Statistics HSPA High Speed Packet Access HSUPA High Speed Uplink Packet Access ICA Independent Componet Analysis IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform IP Internet Protocol ISI InterSymbol Interference LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control MCH Multicast Channel MIMO Multi-Input Multi-Output MME Mobility Manage Entity NMSE Normalized Mean Square Error NOSTBC Non-Orthogonal STBC OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OSTBC Orthogonal STBC PCH Paging Channel PDCP Packet Data Convergence Protocol PMI Precoding Matrix Indicator QOSTBC Quasi-Orthogonal STBC RLC Radio Link Control Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 8 Nguyễn Minh Trang – CB130631 RRM Radio Resource Management RS Reference Signal RU Radio Unit SAE System Architecture Evolution SD Steepest Descent SER Symbol Error Rate S-GW Serving Gateway SISO Single Input Single Output SM Spatial Multiplexing SNR Signal to Noise Ratio SOS Second Order Statistics STBC Space - Time Block Coding TTI Transmission Time Interval TDD Time Division Duplex Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 9 Nguyễn Minh Trang – CB130631 MỞ ĐẦU 1.
- Lý do chọn đề tài: Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu thông tin vô tuyến đã phát triển rất nhanh, đáp ứng được nhu cầu phát triển nhanh của các dịch vụ tốc độ cao và chất lượng được cải thiện.
- Tuy nhiên, băng thông dành cho các thiết bị đầu cuối truy nhập hệ thống vô tuyến bị giới hạn.
- Suốt nhiều năm qua, các nhà nghiên cứu đã không ngừng phát triển các thiết bị vô tuyến chuẩn 4G (thế hệ mạng di động thứ 4) hỗ trợ các ứng dụng dữ liệu đa phương tiện tốc độ cao với chìa khóa công nghệ là hệ thống MIMO-OFDM.
- Hệ thống MIMO mạng lại lợi ích kép, vừa tăng dung lượng nhờ ghép kênh không gian và triệt fading nhờ phân tập thu/phát.
- Nhưng trong hệ thống MIMO, vấn đề ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến này là nhiệm vụ khó khăn từ yêu cầu của thiết bị đầu cuối khi phân tập tăng, số lượng các tham số cần ước lượng tăng một khoảng là tích số ăng ten phát và ăng ten thu.
- Vì vậy, cần tìm hiểu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G và đề xuất ước lượng kênh mù nhằm tăng dung lượng kênh nhưng vẫn đảm bảo đô tin cậy của tín hiệu phía thu.
- Tình hình nghiên cứu MIMO là công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây và nó nhanh chóng trở thành một đề tài rất được quan tâm.
- Đã có rất nhiều công trình khoa học, luận văn các cấp nghiên cứu vấn đề này dưới nhiều góc độ .
- Với công nghệ OFDM, những nghiên cứu còn lâu, nhiều và đầy đủ hơn.
- Tuy vậy, do mới được phát triển trong vài năm trở lại đây, công nghệ kết hợp MIMO-OFDM vẫn còn nhiều điều đáng được quan tâm, nghiên cứu.
- Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 10 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Ước lượng kênh truyền là thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống vô tuyến nào.
- Khác với một mạng truyền dẫn có dây, tín hiệu kênh truyền trong thông tin vô tuyến bị tác động bởi nhiều yếu tố như: fading, nhiễu xạ hay tán xạ do các các công trình kiến trúc nằm giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tương quan tín hiệu do ảnh hưởng các kênh phát kề nhau, ảnh hưởng bởi tần số phát kề nhau giữa các kênh, nhiễu liên kí tự, …Do đó vấn đề ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMO-OFDM cũng là một vấn đề cần sự đầu tư nghiên cứu nhiều.
- Hiện nay có rất nhiều các phương pháp ước lượng kênh vô tuyến và có thể chia làm 3 loại: ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện.
- ước lượng kênh bán mù và ước lượng kênh mù.
- Ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện và ước lượng kênh bán mù đã có rất nhiều tài liệu nghiên cứu tìm hiểu, cũng thấy rõ được ưu điểm của các phương pháp này là độ tính toán ít phức tạp, tín hiệu thu được có thể khôi phục dựa vào chuỗi huấn luyện đính kèm thông tin phát, tuy nhiên sẽ tốn băng thông kênh truyền dẫn tới giảm tốc độ truyền dữ liệu trong khi các công nghệ vô tuyến mới ra đời nhằm mục đích nâng cao tốc độ dữ liệu người dùng.
- Phương pháp ước lượng kênh mù không sử dụng việc chèn chuỗi huấn luyện vào tín hiệu phát, tín hiệu được khôi phục dựa vào thông tin thu được nên cho hiệu quả băng thông cao.
- Tuy nhiên, do không sử dụng chuỗi huấn luyện nên lượng thông tin cần xử lý rất lớn, độ tính toán cao.
- Luận văn sẽ tập trung vào tìm hiểu và đưa ra thuật toán ước lượng kênh mù nhằm múc đích tăng số bít thông tin có ích được phát qua giao diện vô tuyến khi các thiết bị đầu cuối ngày càng phát triển, khả năng xử lý tín hiệu ngày càng nhanh.
- Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Khi phát triển các công nghệ vô tuyến, người ta quan tâm đến hiệu quả sử dụng băng thông, cải tiến về chất lượng tín hiệu (lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa NMSE, tỉ lệ lỗi ký hiệu SER).
- Do vậy, luận văn này tìm hiểu và đưa ra các giải pháp ước lượng kênh mù truyền nhằm cải tiến các phương pháp truyền thống.
- Ngoài ra, luận văn cũng đề ra yêu cầu cho các kết quả nghiên cứu phải có tính ứng dụng cao, phù hợp cho các triển khai thiết bị phần cứng thực tế.
- Các thuật toán đề Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 11 Nguyễn Minh Trang – CB130631 xuất nhằm giảm độ phức tạp tính toán so với giải pháp ước lượng mù đã có trước đây.
- Luận văn này nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống mạng thông tin di động thế hệ thứ 4.
- Tổng quan về lớp vật lý của hệ thống thông tin di động 4G  Những ưu và nhược điểm của hệ thống MIMO-OFDM  Áp dụng ước lượng kênh mù cho hệ thống MIMO-OFDM Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 12 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Chương 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G Smartphone đã thành tâm điểm trong kỷ nguyên Internet di động, sẵn sàng cung cấp mọi thông tin cho người sử dụng bất cứ lúc nào.
- Với gần 7 tỷ thuê bao di động, sắp bằng dân số thế giới, và con số vẫn tiếp tục tăng, đặt ra thách thức lớn cho các nhà mạng di động trong việc xử lý lưu lượng dữ liệu khổng lồ.
- Vấn đề cấp bách của ngành công nghiệp viễn thông là băng thông của mạng di động không đáp ứng được nhu cầu tăng rất nhanh của dữ liệu từ phía người dùng khiến mạng bị nghẽn, thiết bị đầu cuối dễ rơi vào tình trạng mất dịch vụ, giảm chất lượng trải nghiệm của người dùng.
- Đòi hỏi các nhà mạng trên thế giới phải mở rộng mạng, tăng cường băng thông đẩy nhanh tốc độ với mạng thế hệ mới 4G Mạng di động qua các thế hệ Trước hết chúng ta hãy điểm qua tiến trình phát triển của các thế hệ mạng di động: 1G (thập kỷ 1980): Truyền tín hiệu tương tự (analog) liền mạch với các trạm phát sóng sử dụng phổ vô tuyến riêng.
- mở ra dịch vụ đàm thoại di động.
- 3G (thập kỷ 2000): Chuyển mạch gói tốc độ cao.
- 4G (thập kỷ 2010): Băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, hỗ trợ các dịch vụ di động cao cấp như truyền hình trực tuyến, video HD, game online cao cấp, đáp ứng cùng lúc nhiều người sử dụng.
- Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 13 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Tính năng của hệ thống 4G Quá trình phát triển lên mạng thông tin di động 4G có hai phần chính là: LTE (Long Term Evolution : Phát triển dài hạn) cho phần vô tuyến  Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ  Đơn giản hoá mạng vô tuyến  Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như MBMS và IMS SAE (System Architecture Evolution : Phát triển kiến trúc hệ thống ) cho phần mạng lõi.
- Hình 1.1: Kin trúc ca m ng 4G Hình 1.1.
- mô tả kiến trúc tổng quát của mạng thông tin di động 4G.
- Các thiết bị đầu cuối người dung giao tiếp với hệ thống qua eNB, eNB truyền tải thông tin tới S-GW và các MME.
- Kết quả nghiên cứu của LTE là được chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên gọi là E- UTRAN là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận tiện cho việc nâng Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 14 Nguyễn Minh Trang – CB130631 cấp mạng từ 3G lên 4G.
- Mục tiêu mà 3GPP đặt ra cho LTE (Release 8) gồm: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu.
- Cụ thể như sau: Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink - DL) cao nhất ở băng thông 20MHz có thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP Release 6) và tốc độ tải lên (Uplink - UL) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ 2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 ăng ten thu và 1 ăng ten phát ở thiết bị đầu cuối.
- Bng 1.1: Bng t.
- Tốc độ đỉnh tải xuống (64 QAM) Số ăng ten thu phát SISO 2x2 MIMO 4x4 MIMO Tốc độ đỉnh (Mbps Tốc độ đỉnh tải lên (SISO) Hệ số điều biến QPSK 16 QAM 64 QAM Tốc độ đỉnh (Mbps Bảng 1.1 mô tả tốc độ đỉnh tải dữ liệu theo hướng xuống (khi sử dụng các loại ăng ten thu phát khác nhau) và tốc độ đỉnh hướng lên khi sử dụng một ăng ten phát, một ăng ten thu với các mức điều chế khác nhau.[13] Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms.
- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, và vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần.
- Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 15 Nguyễn Minh Trang – CB130631 Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo.
- 1.2 Lớp vật lý của hệ thống 4G 1.2.1 Giới thiệu về eNB Sự phát triển vượt bậc của mạng 4G so với các mạng thế hệ trước được thể hiện rõ nét trong lớp truy nhập vật lý với việc tích hợp nhiều kỹ thuật công nghệ mới.
- Trong khi mạng lõi tiếp tục sử dụng mạng gói được tối ưu bằng cách giảm số node mạng cần thiết, tách phần truyền dẫn và phần xử lý thông tin nhằm đạt được tốc độ cao nhất với độ trễ thấp nhất.
- Lớp vật lý chịu trách nhiệm cho việc mã hóa, xử lý Hybrid ARQ lớp vật lý, điều chế, xử lý đa ăng ten và ánh xạ tín hiệu tới những tài nguyên thời gian, tần số vật lý thích hợp.
- Lớp truy nhập vật lý của mạng 4G là các eNodeB, là các trạm gốc được tăng cường mới, có tên đầy đủ là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP, chúng chịu trách nhiệm truyền dẫn vô tuyến với các UE trong một hoặc nhiều cell.
- Hình 1.2: Các kt ni ca eNodeB Hình 1.2 minh họa sự kết nối giữa eNB với MME, S-GW và UE.
- Đồng thời kết nối với S-GW bằng giao thức S1-U trên S1 interface Nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G 16 Nguyễn Minh Trang – CB130631 cho đường dữ liệu người dùng.
- So với mạng 3G, kiến trúc của mạng 4G được rút gọn hơn xuống còn 1 phần tử duy nhất làm giảm giá thành và sự phúc tạp khi triển khai cũng như bảo trì hệ thống mạng đồng thời cũng tăng tốc độ truyền dẫn và giảm trễ qua các node mạng.[15.
- Hình 1.3: Cu to eNodeB (Samsung) Hình 1.3 minh họa cấu tạo của eNB: gồm 2 thành phần chính là DU- Digital Unit và RU-Radio Unit.
- Nghiên cứu lớp vật lý của mạng 4G chính là nghiên cứu hoạt động của RU.
- Kiểm soát tính di động: eNB có trách nhiệm kiểm soát sự di động cho thiết bị đầu cuối trong trạng thái hoạt động

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt