Kỹ thuật ofdma ứng dụng trong mạng viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Dương Thị Lợi KỸ THUẬT OFDMA ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thơng NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Dỗn Tĩnh Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 11 MỞ ĐẦU 14 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 16 I Giới thiệu công nghệ LTE 16 1.1 K ến tr 1.2 Đặ đ ểm m n LTE 16 m n LTE 18 1.3 Tình hình triển khai 4G LTE t i Việt Nam 19 II Kiến trúc hệ thống LTE theo tiêu chuẩn 3GPP 20 2.1 Kiến trúc hệ thống LTE cải tiến 3GPP 20 2.2 Cấu hình kiến trúc hệ thốn m ng truy nhập E-UTRAN 22 2.2.1 Tổng quan kiến trúc hệ thốn 22 2.2.2 Các thành phần logic kiến tr c a hệ thống 23 2.2.2.1 Thiết bị người dùng cuối (UE) 23 2.2.2.2 E-UTRAN Node B (eNodeB) 24 2.2.2.3 Thực thể quản lý di động- MME 26 2.2.2.4 Serving Gateway (S-GW) 28 2.2.2.5 Packet Data Network Gateway (P-GW) 30 2.2.2.6 Policy and Charging Resource Function(PCRF) 32 2.2.2.7 Home Subscription Server (HSS) 34 III Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE 34 3.1 G th ệu hƣơn 34 3.2 RLC: radio link control – đ ều khiển liên kết vô tuyến 37 3.3 MAC: đ ều khiển truy nhập mô trƣờng (Medium Access Control) 39 3.3.1 Kênh logic kênh truyền tải (Logical Channels and Transport Channels) 39 3.3.2 Ho h định đƣờng xuống 42 3.3.3 Ho h định đƣờng lên 44 3.3.4 Hybrid ARQ 47 3.4 PHY: physical layer - lớp vật lý 51 3.5 Các tr ng thái LTE 54 3.6 Luồng liệu 56 IV Tổng kết hƣơn 57 CHƢƠNG I I : C NG NGHỆ ĐA TRUY NH P ĐƢỜNG XU NG OFDMA 58 2.1 Tổng quan OFDM 58 2.1.1 Nguyên lý OFDM 59 2.1.2 Tính trực giao OFDM 62 2.1.3 Các thông số c a OFDM 63 2.2 K thuật đ truy nhập ph n h th o tần số trự o OFDMA 66 2.3 Sơ đồ truyền dẫn đƣờn xuốn OFDMA 67 2.3.1 Tài nguyên vật lý đƣờng xuống 67 2.3.2 Các tín hiệu tham khảo đƣờng xuống 72 2.3.3 Các tín hiệu kênh vật lý đƣờng xuống 74 2.3.4 Kiến trúc máy phát tín hiệu vật lý 74 2.3.5 Ghép số liệu đƣờng xuống 75 2.3.6 Xáo trộn 78 2.3.7 Sơ đồ đ ều chế 79 2.3.8 Thông tin lập lị h đƣờng xuống 79 2.3.9 Mã hóa kênh 79 2.3.10 T o tín hiệu OFDM 79 CHƢƠNG III: NGHI N C U NG DỤNG GIẢM PAPR VÀ N NG CAO DUNG LƢ NG HỆ TH NG OFDM TRONG LTE 81 3.1 Giới thiệu 81 3.2 Khái niệm PAPR 81 3.3 Hàm phân bố tích lũy bù CCDF 82 3.4 Giới thiệu tổng quan phƣơng pháp giảm PAPR 83 3.5 K thuật làm biến d n tín h ệu 84 3.5.1 Cắt biên độ (Amplitude Clipping) 84 3.5.2 Cửa sổ đỉnh (Peak Windowing) 84 3.5.3 Chia tỷ lệ đƣờng bao (Envelope Scaling) 85 3.5.4 Cập nhật pha ngẫu nhiên (Random phase update) 86 3.5.5 Ph p b ến đổ n n ả Comp nd n Tr ns orm 88 3.6 K thuật xáo trộn tín h ệu 91 3.6.1 Khơng có thơng tin biên 91 3.6.1.1 Công thức biến đổi Hadamard 91 3.6.1.2 Chèn dãy mã giả (Dummy sequence insertion) 93 3.6.2 Sử dụn thông tin biên 94 3.6.2.1 Lược đồ chọn mức (Selective Level Mapping) 94 3622 3623 tru n ri ng p n (PTS: Partial Transmit Sequence) 95 t u tg p niqu 97 n Int rl ving t m i u d nh riêng (Tone Reservation) 98 3.6.2.5 t u t Đơn ánh Tone (Tone Injection Technique) 99 3.6.2.6 Mở rộng khơng gian tín i u (Active constellation extention) 100 3.6.2.7 Lược đồ mã hóa k ối (Block Coding Schemes) 102 3.6.2.8 Lược đồ mã hóa k ối (Sub block coding scheme) 103 3.6.2.9 Lược đồ mã hóa k ối ết hợp sửa lỗi (Block coding scheme with error porrection) 105 3.7 Các tiêu chí lựa chọn phƣơng pháp giảm PAPR 106 3.7.1 Khả năn giảm PAPR 106 3.7.2 Tăng công suất tín h ệu truyền 106 3.7.3 Tăng BER nhận 107 3.7.4 Giảm tố độ l ệu 107 3.7.5 Mức độ tính tốn phức t p 107 3.7.6 So sánh vài phƣơng pháp giảm PAPR 108 3.8 Kết luận 108 CHƢƠNG IV M PH NG C C PHƢƠNG PH P GIẢM PAPR 110 4.1 Mô tả hệ thống mô phỏn 110 4.1.1 Tham số hệ thống mô 110 4.1.2 Sơ đồ khố hệ thốn mô phỏn 110 4.2 Phƣơng pháp clipping để giảm PAPR 111 4.2.1 So sánh khả giảm PAPR 112 4.2.2 So sánh tỷ số BER 113 4.2.2.1 Kênh AWGN 113 4.2.2.2 Kênh Fading Rayleigh 114 4.2.2.3 So sánh BER ủ kênh AWGN kênh Fading Rayleigh 115 4.3 Sử dụng phƣơng pháp lƣợc đồ chọn mức SLM 116 4.3.1 Thuật toán sử dụn lƣợc đồ họn mức SLM 116 4.3.2 Khả năn giảm PAPR 117 4.4 Tổn kết đánh giá phƣơng pháp giảm PAPR mô 118 KẾT LU N 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đo n Luận văn Th s k thuật tô n h ên ứu đƣợ thự h ện dƣớ hƣớn dẫn kho họ TS Ph m Doãn Tĩnh Cá kết tô tự n h ên ứu th m khảo từ n uồn tà l ệu ũn nhƣ ơn trình n h ên ứu kho họ đƣợ trí h dẫn đầy đ Nếu ó vấn đề s ph m quyền, tô x n hoàn toàn hịu trá h nh ệm trƣớ Nhà trƣờn H Nội, ng …… t áng…… năm 2014 Học viên Dƣơng Thị Lợi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Long Term Evolution M n Wideband Code Division Multiple Đ truy nhập ph n h th o mã Access băn rộn 3GPP The 3rd Generation Partnership Project Dự án đố tá hệ thứ ACK Acknowledgement Công nhận ARQ Automatic Repeat Request Yêu ầu lặp l tự độn Bearer Binding and Event Reporting Hàm báo áo k ện kết nố Function vận huyển BCCH Broadcast Control Channel Kênh đ ều kh ển quản bá BCH Broadcast Channel Kênh quản bá BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗ b t BW Band Width Băn thông Complementary Cumulative Hàm ph n phố tí h lũy bổ Distribution Function sung CDMA Code division multiple access Đ truy nhập ph n h th o mã CP Control Plane Ph n hệ đ ều kh ển DCCH Dedicated Control Channel Kênh đ ều kh ển huyên dụn DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh h sẻ đƣờn xuốn DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lƣu lƣợn DVB Digital Video Broadcasting Quản bá truyền hình số EPC Evolved Packet Core Network M n lõ eNodeB E-UTRAN Node B Nút B c a E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Truy nhập vô tuyến mặt đất Access tổn quát ả t ến LTE WCDMA BBERF CCDF E-UTRAN ả t ến dà h n G o thứ ấu hình máy h độn hun dụn ó ả t ến Gh p kênh ph n h th o tần FDD Frequency-division duplexing FFT Fast Fourier Transforms B ển đổ Four r nh nh GPRS General packet radio service Dị h vụ vơ tuyến ó hun GRE Generic Routing Encapsulation Đón GTP GPRS Tunneling Protocol G o thứ đƣờn hầm GPRS HSGW HRPD Serving Gateway Cổn phụ vụ HRPD HSPA High Speed Packet Access Truy nhập ó tố độ HSS Home Subscription Server ICI Inter Carrier Interchange Nh ễu l ên són m n IFFT Inverse Fast Fourier Transform B ến đổ n ƣợ Four r nh nh IMS IP Multimedia Subsystem Ph n hệ đ phƣơn t ện IP IMSI International Mobile Subscriber Identity ISI Inter Symbo Interchange MAC Medium Access Control số ó định tuyến hun o Trun t m quản lý thuê b o m n h Nhận d ện thuê b o d độn quố tế Nh ễu l ên kí h ệu Đ ều kh ển truy nhập trun bình Multicast-broadcast single-frequency M n đơn tần quản bá đ network hƣớn MCCH Multicast Control Channel Kênh đ ều kh ển đ hƣớn MM Mobility management Quản lý d độn MME Mobility Management Entity Thự thể quản lý d độn MTCH Multicast Traffic Channel Kênh lƣu lƣợn đ hƣớn NAK Non-Acknowledgement Khôn phản hồ OFCS Offline Charging System Hệ thốn tính ƣớ s u Orthogonal Frequency-Division Đ truy nhập ph n h th o tần Multiple Access số trự MBSFN OFDMA o P- GW Packet Data Network Gateway Cổn m n l ệu ó PAPR Peak-To-Average Power Ratio Tỉ lệ ơn suất đỉnh-trung bình PCC Policy and Charging Control PCCH Paging Control Channel Kênh đ ều kh ển tìm ọ Policy and Charging Enforcement Hàm ƣỡn bứ Function tính ƣớ Policy and Charging Resource Hàm tài nguyên sách Function tính ƣớ PDCP Packet Data Convergence Protocol G o thứ hộ tụ l ệu ó PDN Packet Data Network M n l ệu ó P-GW Packet Data Network Gateway Cổn m n l ệu ó PMIP Proxy Mobile IP PSD Power Spectral Density Mật độ phổ ôn suất PHY Physical Layer Lớp vật lý QAM Quadrature amplitude modulation Đ ều hế b ên độ vuôn QoS Quality of Service Chất lƣợn dị h vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khó dị h ph RF Radio frequency Tần số vô tuyến RLC Radio Link Control Đ ều kh ển l ên kết vô tuyến RRC Radio Resource Control Đ ều kh ển tà n uyên vô tuyến RRM Radio resource Management Quản lý tà n uyên vô tuyến SAE System Architecture Evolution K ến tr Single Carrier Frequency Division Đ truy nhập ph n h th o tần Multiple Access số đơn són m n SDU Service Data Unit Đơn vị l ệu dị h vụ S-GW Serving Gateway Cổn phụ vụ PCEF PCRF SC-FDMA Đ ều kh ển hính sá h tính ƣớ hệ thốn hính sá h ó ó ả t ến Gh p kênh ph n h th o thờ TDD Time-division duplexing TDMA Time Division Multiple Access TD- Time Division Synchronous Code Đ truy nhập ph n h theo SCDMA Division Multiple Access thờ UE User Equipment Th ết bị n ƣờ dùn UICC Universal Integrated Circuit Card Thẻ v m h phổ dụn UL-SCH Uplink shared channel Kênh h sẻ đƣờn lên Universal Mobile Telecommunications Hệ thốn thôn t n d độn System tổn quát UP User Plane Ph n hệ n ƣờ sử dụn USIM Universal Subscriber Identity Module UMTS UTRAN WiMAX WCDMA gian Đ truy nhập ph n h th o thờ an n đồn mã Mô đun nhận d ện thuê b o chung Universal Terrestrial Radio Access M n truy nhập vô tuyến mặt Network đất tổn quát Worldwide Interoperability for L ên h ệp mở rộn truy nhập v Microwave Access sóng Wideband Code Division Multiple Đ truy nhập phân chia theo mã Access băn rộng CHƢƠNG IV M PH NG C C PHƢƠNG PH P GIẢM PAP Trong Chƣơn IV, h n t mô phỏn số phƣơng pháp giảm giảm PAPR đƣợ chƣơn III Cụ thể, mô phỏn hai phƣơng pháp giảm PAPR bằn clipping, phƣơn pháp sử dụn lƣợ đồ chọn mức SLM 4.1 Mô tả hệ thống mô Luận văn mô dựa phần mềm Matlab R2009A Version 7.8 Trƣớ đ vào phần mô ụ thể th ệu sơ lƣợ qua hệ thốn OFDM đƣợ sử dụn để mô 4.1.1 Tham số hệ thống mơ + Số sóng mang = độ lớn symbol OFDM + K ểu đ ều hế : 64 : QPSK +Sử dụn hai lo kênh để mô phỏn kênh Fading Rayleigh kênh AWGN +Kết để đánh giá ngõ mô phỏn là: mức giảm PAPR đánh giá bằn đồ hàm phân bố tích lũy bù CCDF, đố vớ phƣơn pháp clipping có đồ thị BER dựa tỷ số tín h ệu nh ễu SNR (Signal to Noise R t o để đánh giá mức độ ảnh hƣởn clipping tớ hất lƣợn hệ thốn 4.1.2 Sơ đồ khối hệ thống mô Phƣơn thức Monter Carlo đƣợ sử dụn cho v ệ mô tả hệ thốn OFDM đánh giá thông số quan tâm Sau sơ đồ khố mơ phỏn chung cho hệ thốn OFDM Hìn 1: Mơ ìn mơ p ng t o p ương p áp Mot r rlo Hình 4.1 cho thấy sơ đồ ần phả mô phỏn gồm phận máy phát, máy thu, mơ hình kênh 110 Sau chi t ết sơ đồ mô ụ thể cho khố Hìn 2: Sơ đồ má p át Hìn 3: Mơ ìn k n Hìn 4: Sơ đồ má t u 4.2 Phƣơng pháp clipping để giảm PAPR Theo lý thuyết b ểu thức mơ tả cho quy luật clipping nhƣ sau:  S (t ); S (t )  A Sc (t )   j (t )  Ae ; S (t )  A (4.1) Sc t tín h ệu l pp n ; S t tín h ệu ố ; A mứ  (t ) ph b ên độ; St Ngƣờ ta định n hĩ hỉ số ọ tỷ số CR (Clipping Ratio) để đ d ện ho ấp clipping Tỷ số CR tỷ số cơng suất lớn tín h ệu l pp n cơng suất trung bình CR  tín h ệu trƣớ clipping A2 mean[ S (t ) ] 111 Quá trình thực h ện mô phỏn thực công việ nhƣ mơ tả khố trình bày, nhiên có hai cơng việ thêm vào là: - Thứ nhất: Sau biến đổ IFFT máy phát thực h ện clipping tín h ệu vẽ đồ thị CCDF để so sánh tín h ệu khơng clipping tín h ệu clipping mức CR khác Quá trình clipping bằn cách thay biên độ c tín h ệu OFDM dựa b ểu thức (4.1) - Thứ hai: T phía thu ta vẽ thêm b ểu đồ BER (Bit Error Rate) để so sánh BER phƣơn pháp 4.2.1 So sánh khả giảm PAPR M-file có tên PAPR_clipping.m lƣu trữ chƣơng trình vẽ hàm phân bố tích lũy bù CCDF so sánh trƣờng hợp giảm PAPR Hàm phân bố tích lũy bù CCDF PAPR đƣợ vẽ để đánh giá mức giảm PAPR tín hiệu khơn sử dụn clipping tín h ệu sử dụng clipping, mức clipping khác Đối vớ v ệ đánh giá khả năn giảm PAPR phƣơn pháp hai kênh AWGN Fading Rayleigh cho kết phƣơng pháp thự h ện vớ tín h ệu t đầu phát khơng ảnh hƣởn bở kênh truyền Hìn 5: Đồ t ị m F v i tín i u gố v 112 mứ lipping k n u Nhận xét: Trên đồ thị có bốn đƣờng mơ tả hàm CCDF cho bốn tín h ệu là: tín h ệu ố , tín h ệu clip vớ CR=5, clip với CR=2, clip vớ CR=1 Nhìn vào đồ thị nhận thấy vớ mức xác suất là10-3 tín hiệu ố phả có PAPR lớn 11dB để đ t đƣợ mức xác suất này, với CR=5 PAPR ần lớn 7.8dB, CR=2 PAPR ần lớn 4.8dB, CR=1 PAPR hỉ ần lớn 3dB Điều cho thấy ta clipping tín h ệu PAPR đƣợ giảm đán kể Vớ CR=5 PAPR giảm đƣợ 3.2dB, CR=2 PAPR giảm đƣợ 6.2 dB, CR=1 giảm đƣợ 8dB Có thể thấy CR nhỏ giảm PAPR lớn ả thích mức clipping A nhỏ CR nhỏ mức đỉnh lớn dĩ nhiên PAPR àn đƣợ giảm 4.2.2 So sánh tỷ số BER Có hai lo kênh truyền đƣợ mơ kênh truyền nh ễu trắng AWGN kênh Fading Rayleigh có kết hợp nh ễu trắn AWGN So sánh tỷ số BER cho thấy đánh đổ tỷ số BER thấp h ệu năn sử dụn khuế h đ i cao tần (phụ thuộ vào tỷ số PAPR cao hay thấp 4.2.2.1 Kênh AWGN M-file có tên clipping_AWGN.m mơ BER vớ kênh truyền nh ễu trắn AWGN 113 Hình 4.6: BER ủ tín i u lipping v k ông lipping qu k n tru n WGN Nhận xét: Hình 4.6 cho ta thấy để đ t đƣợc tỷ số BER - tín h ệu khơng clipping ần có SNR 7dB Nhƣng cũn để đ t đƣợ BER - tín h ệu l pp n mức CR=1 ần SNR khoản 10.8dB, CR=2 cần SNR khoản 7.8dB CR=5 ũn hỉ ần SNR 7dB Nhƣ clipping, tỷ số BER tăn lên Để đ t đƣợ tỷ số BER mong muốn phả tăn mức SNR c a tín h ệu lên tức tăn SNR lên Mức clipping CR nhỏ clipping lớn BER tăn lên vớ mức SNR Mức CR=5 ta thấy BER khơng tăn đ ều cho thấy ta clippin vớ CR mức đ cao thay đổ BER khơng đán kể hay số lƣợn đỉnh cao bị l pp n không nhiều Và đ ều chứng tỏ số lƣơng đỉnh cao nhiều lần cơng suất trung bình khơng nh ều 4.2.2.2 Kênh Fading Rayleigh M-file có tên clipping_FadingRayleigh.m mô phỏn nh ễu trắn Fading nh ều tia có phân bố Rayleigh 114 BER vớ kênh truyền Hình 4.7: BER ủ tín i u lipping v k ông lipping qu k n Fading Rayleigh Nhận xét: Hình 4.7 cho thấy để đ t đƣợ BER 10-2 tín h ệu khơng clipping ần có SNR khoản 18dB Cịn tín hiệu clipp n mức CR=5 ũn ốn không clipping hỉ ần SNR mức 18.5dB, CR=2 cần tăn SNR vớ mức bé em nhƣ khơng đán kể CR=1 ần SNR 20dB Vậy muốn giảm BER trƣờn hợp clipping cần tăng SNR Vớ kênh fading rayleigh BER đ t đƣợ cao nh ều so vớ kênh hỉ có tác độn c AWGN 4.2.2.3 So sánh BER kênh AWGN kênh Fading Rayleigh M-file có tên BER_AWGN_FadingRay_clipping.m vẽ đồ thị BER so sánh BER hai kênh AWGN Fading Rayleigh clipping tín h ệu vớ mức CR=2 115 Hìn 8: ER ủ tín i u lipping v i R =2 k i qu k n WGN v F ding Rayleigh Nhận xét: Trên hình 4.8 cho ta kết mơ phỏn b ểu đồ BER so sánh hai kênh AWGN Fading Rayleigh trƣờng hợp clipping mức CR=2 Từ đồ thị ta thấy mọ giá trị SNR BER BER kênh Fading Rayleigh cao kênh AWGN Điều cho thấy để đ t đƣợ số BER kênh Fading Rayleigh ần ó SNR lớn ví dụ Để đ t BER 10-3 vớ kênh AWGN cần có SNR 5.5 dB, kênh Fading Rayleigh cần tới 25dB Vậy: Mức clipping CR nhỏ PAPR đƣợ giảm tín hiệu t đầu thu có BER cao Kênh Fading Rayleigh cho BER cao kênh nh ễu trắn AWGN 4.3 Sử dụng phƣơng pháp lƣợc đồ chọn mức SLM Vớ phƣơn pháp ũn hỉ tập trung đánh giá khả năn ảm PAPR qua đồ thị CCDF Số symbol mô phỏn 10000, độ lớn IFFT/FFT Nsubc 4.3.1 Thuật toán sử dụng lƣợc đồ chọn mức SLM - Chuyển đổ dãy l ệu thành N dãy song song h ều dài 116 - T o N dãy ph nh u - Nh n N l ệu son son vớ N dãy ph nh u - B ến đổ IFFT từn dãy kết s u kh nh n ph - Tính PAPR từn dãy họn dãy ó PAPR nhỏ 4.3.2 Khả giảm PAPR M-file có tên SLM vẽ hàm CCDF mô phỏn khả năn giảm PAPR, so sánh PAPR tín h ệu ố trƣờn hợp sử dụng lƣợ đồ chọn mức SLM vớ số dãy pha khác Hình 4.9: Đồ t ị àm CCDF ủ P PR k i sử dụng p ương p áp SLM Nhận xét: Nhìn vào đồ thị hình 4.9 ta thấy xác suất 10-3 tín h ệu ố đ t đƣợ xác suất PAPR lớn khoản 10.2 dB, sử dụn SLM vớ số dãy pha N=4 PAPR ần lớn khoản 8dB, vớ số dãy pha N=10 PAPR ần lớn khoản 6.8 dB, vớ số dãy pha N=20 PAPR ần lớn khoản 6.1 dB Cá kết cho thấy sử dụn phƣơng pháp SLM PAPR tín h ệu đƣợ ảm ụ thể vớ N=4 có PAPR giảm 2.2 dB, N=10 có PAPR giảm 3.4 dB, N=20 có PAPR giảm 4.1 dB Ta thấy rằn ta tăng số lƣợn dãy pha PAPR đƣợ giảm nh ều 117 4.4 Tổng kết đánh giá phƣơng pháp giảm PAPR mô Vớ phƣơn pháp clipping ta thấy vớ mức CR nhỏ cho PAPR thấp, ó thể giảm PAPR đƣợ lớn, nhiên ta thấy giảm th ểu CR q nhỏ gây méo d n tín hiệu lớn làm tăn BER t đầu thu Vớ phƣơn pháp lƣợ đồ họn mức SLM ta thấy mức giảm PAPR phụ thuộ vào số lƣợn dãy pha, số lƣợng dãy pha lớn PAPR đƣợ giảm, ngồi ta cũn thấy vớ PAPR0