Nghiên cứu giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4g

Hỗ trợ tính di động tốt Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước đáng kể và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến.. Không cần liên kết điều

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-Nguyễn Hồng Dương

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GẠT NHIỄU TRONG MẠNG 4G

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Dư Đình Viên

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một lĩnh vực phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Hiện nay trên thị trường viễn thông đang có sự phát triển vượt bậc của các công nghệ thông tin di động với 2,5G, 3G

Mặc dù các hệ thống thông tin di động 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã tiến hành triển khai thử nghiệm và đã chuẩn hóa chuẩn di động 4G Công nghệ 4G mang lại những tiện ích vượt trội cho người dùng mọi lúc, mọi nơi kể cả khi đang di chuyển với tốc độ cao Đó chính là điểm khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ ba (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với các mạng di động 3G hiện nay

Mục đích của đề tài là nghiên cứu về nhiễu và các biện pháp gạt nhiễu trong mạng 4G Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan mạng 4G

Chương 2: Nhiễu trong mạng 4G

Chương 3: Giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4G

Kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất, kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG 4G

1.1 Giới thiệu chương

Để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng mọi nơi (anywhere), mọi lúc (anytime), mọi dịch vụ (anyservice), mạng di động thế hệ thứ tư – 4G (Fourth Generation) đã được đề xuất nghiên cứu và triển khai Chương này trình bày tổng quan về mạng 4G, tiêu chuẩn chất lượng mạng 4G và các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống

Các đặc điểm nổi bật của công nghệ 4G là:

1.2.1 Hỗ trợ lưu lượng IP

Sự xuất hiện của dịch vụ VoIP cho thấy việc truyền thoại có thể dễ dàng thực hiện qua mạng IP chuyển mạch gói Kiến trúc mạng 4G được xây dựng với mục tiêu cung cấp dịch vụ IP chất lượng cao

1.2.2 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau

Trong các hệ thống 4G, sử dụng nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau Xu hướng hiện nay là sử dụng phổ tần trong băng tần không cần cấp phép ISM (Industrial, scientific and medical radio bands): công nghệ Bluetooth (IEEE 802.15.1), tiêu chuẩn IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g Nút mạng 4G có thể thích ứng các khả năng để khai thác một cách hiệu quả cả các dải tần còn trống

1.2.3 Hỗ trợ tính di động tốt

Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước đáng kể

và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến Người dùng phải có khả năng liên lạc bằng một số nhận dạng duy nhất Như vậy, mạng 4G sẽ phải có một phương tiện phù hợp để

nhận dạng người dùng và cho phép người dùng điều khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ một cách hiệu quả đến điểm đích chung

1.2.4 Không cần liên kết điều khiển

Trong trường hợp của băng tần ISM thì có thể lập mạng Adhoc từ một nhóm nút, cho phép các nút giao tiếp trực tiếp với nhau, thậm chí các nút có thể cộng tác với nhau, chuyển tiếp lưu lượng của nhau

1.2.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối

Trong các mạng 4G, yêu cầu về bảo mật lớn hơn rất nhiều so với mạng 3G do mạng 4G có kiến trúc mở Do đó cần phải có một môđun bảo mật tích hợp để bảo vệ dữ liệu giữa các mạng khác nhau và hơn nữa là một mô hình bảo mật để bảo vệ nhiều thực thể Các nút

di động và cố định sẽ tương tác với nhau không cần liên hệ với điều hành mạng Các giao thức và thủ tục phải có khả năng cho phép người dùng trong các nút mạng này nhận thực đủ thông tin để nhận dạng người dùng và có thể kết nối Đây chính là tính năng bảo mật đầu cuối – đầu cuối

1.3 Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G

Bảng 1.1 liệt kê các yêu cầu của IMT – Advanced đặt ra bởi ITU:

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IMT – Advanced [1]

1.4 Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống

1.4.1 Kết hợp băng thông

Giải pháp này nhằm mục đích đạt được yêu cầu về tốc độ dữ liệu đỉnh (peak data rate) Việc kết hợp băng thông 100MHz có tương lai không chắc chắn lắm do chi phí phát sinh và sự phức tạp đối với UE Việc kết hợp băng thông ở các kênh tần số 20 MHz là phương án khả quan hơn vì dễ tìm kiếm phổ tần[12]

1.4.2 Hệ MIMO bậc cao và định hướng búp sóng

LTE phiên bản 8 hỗ trợ tới 4 máy thu và máy phát trên eNB, tới 2 máy phát và 4 máy thu cho UE Khả năng tăng độ lợi thu từ các hệ MIMO và từ điều khiển búp sóng (beamsteering) là hàm của số lượng các ăngten Đề xuất có thể tăng con số này của hệ thống lên đến 8x8 với eNB và 4x4 cho UE Tại eNB, ăngten 4x đang được sử dụng Nếu tăng lên 8x phải lắp đặt thêm một số thiết bị trên cột để tránh chi phí khi tăng thêm cáp Sự tiêu hao công suất của hệ thống MIMO cũng là một yếu tố cần phải xem xét Một vấn đề nữa đó là

sự cân bằng thích hợp giữa số ăngten trên một sector và số sector trên một cell Ngoài ra tại

UE, vấn đề chính với hệ MIMO bậc cao là không gian yêu cầu cho các ăng ten, có thể giải quyết bằng sử dụng ăng ten trực giao

1.4.3 Hệ MIMO phối hợp

Sự khác biệt giữa hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp được thể hiện trên hình 1.1:

Hình 1.1: Hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp

Sự khác nhau rõ ràng nhất là ở hệ MIMO phối hợp, thiết bị phát không đặt gần nhau

về mặt vật lý Hệ MIMO nhiều người dùng trong đường uplink cũng có các thiết bị phát độc lập theo các UE khác nhau nhưng không có khả năng chia sẻ dữ liệu giữa các UE để phục

vụ mục đích phối hợp tiền mã hóa Tình huống này có thể khả thi trong đường downlink vì không thể chia sẻ dữ liệu băng gốc giữa các UE riêng biệt Mặc dù hệ MIMO phối hợp đường downlink là khả thi, nó cũng đặt ra thách thức mới cho việc truyền tin của inter-eNB

(giao diện X2) Có thể coi MIMO phối hợp là một dạng nâng cấp của kỹ thuật phân tập vĩ

mô (macro diversity) được dùng để chuyển giao mềm

1.4.5 Mạng tự tối ưu hóa

Ngày nay các hệ thống thông tin di động tế bào ngày càng được tập trung và việc đưa thêm các node vào mạng sẽ gây tốn kém về tài chính và thời gian Một tính năng đang được xem xét của LTE – Advanced là khái niệm “Mạng tự tối ưu hóa” (Self Optimizing Network – SON) Lợi ích của nó là giúp giảm ảnh hưởng của việc đưa thêm các node mới vào mạng Các khái niệm này được đề cập đến ở phiên bản 8 và tiếp tục trong các phiên bản 9 và 10

1.4.6 Sử dụng Femtocell

Một giải pháp hiệu quả cho việc nâng cao chất lượng dịch vụ là sử dụng “femtocell” hay Home Node B (HNB) hoặc Home eNB 3GPP làm việc với femtocell bao gồm cả trong UMTS vẫn đang tiến triển ở phiên bản 8 và tiếp tục ở phiên bản 9 với Home eNB Khả năng

xuất hiện femtocell trong công nghệ LTE ngay từ ban đầu là cao hơn so với việc đưa vào

một hệ thống đã tồn tại như UMTS hay GSM Trên quan điểm triển khai vô tuyến, femtocell

hoạt động trên một diện tích nhỏ trong một cell lớn Khái niệm femtocell về cơ bản khác biệt so với relaying vì femtocell kết nối trở lại với mạng lõi được cung cấp cục bộ bởi một

đường kết nối Internet DSL có sẵn chứ ít khi kết nối qua không gian về macrocell Phần lớn

femtocell được triển khai trong nhà nên có sự cách ly giữa femtocell và macrocell Việc triển

khai femtocell/hotspot không phải là để cạnh tranh với micro/macro cell mà là để bổ sung,

đảm bảo chất lượng hệ thống

Hình 1.3 Femtocell trong LTE

1.4.7 Điều phối và gạt nhiễu

Sự áp dụng công nghệ OFDMA vào hệ thống thông tin di động tổ ong (bắt đầu từ 802.16e và tiếp tục với LTE/SAE) đã làm thay đổi lớn về gạt nhiễu ở biên tế bào Trong kỹ thuật OFDMA khả năng lập lịch chọn tần với kênh truyền đã mở ra khả năng về tối ưu hóa các thông số trong tế bào nhưng nhiễu đồng kênh trong tế bào trở nên biến đổi nhiều hơn Việc nghiên cứu các tác động của loại nhiễu này vẫn đang được tiến hành

Phương pháp bảo vệ khỏi nhiễu của các tế bào trong hệ thống CDMA bằng cách làm trắng nhiễu dựa trên mã trộn tần không khả dụng trên truyền tin OFDMA băng hẹp, làm tăng nguy cơ xuất hiện nhiễu giữa các tín hiệu băng hẹp Biện pháp khắc phục loại nhiễu này bao gồm việc tạo ra một đường truyền ổn định bằng cách trải thông tin trên một sự cấp phát rộng hơn Các phương pháp khác để gạt nhiễu vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 2 NHIỄU TRONG MẠNG 4G

2.1 Giới thiệu chương

Các tín hiệu nhiễu trong mạng không dây có thể chia thành hai loại: nhiễu do hiện tượng tự nhiên và nhiễu do con người Trong chương này, chúng ta đi vào phân tích loại tín hiệu nhiễu do con người gây ra, có thể can thiệp, điều khiển: nhiễu trong hệ thống thông tin

di động và nhiễu trong mạng 4G LTE – Advanced, đưa ra mô hình toán học của nhiễu và nêu sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và các mạng thế hệ trước

Nhiễu đồng kênh là loại nhiễu quan trọng có ảnh hưởng lớn cần quan tâm phòng tránh để đảm bảo chất lượng của hệ thống thông tin di động tế bào

2.2.1.2 Nhiễu kênh lân cận (Adjacent Channel Interference: ACI)

Nhiễu kênh lân cận có thể được chia thành: nhiễu trong băng (inband) và nhiễu ngoài băng (out of band) Nhiễu trong băng là nhiễu có tần số trung tâm của tín hiệu nằm trong dải thông của tín hiệu thông tin Nhiễu ngoài băng là nhiễu có tần số trung tâm nằm ngoài dải thông của tín hiệu thông tin

Nếu so sánh ACI với CCI ở cùng một mức công suất của tín hiệu nhiễu, bao giờ ảnh hưởng của ACI cũng yếu hơn

2.2.1.3 Nhiễu xuyên điều chế (Intermodulation Interference)

Nhiễu xuyên điều chế (IMI) có ba dạng cơ bản: IMI do máy thu, IMI do máy phát và IMI do các phát xạ khác

2.2.1.4 Nhiễu giữa các ký hiệu (Intersymbol Interference)

Tín hiệu vô tuyến truyền lan từ máy phát đến máy thu qua nhiều đường khác nhau do các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ… gọi là truyền lan đa đường, do khoảng cách từ máy phát

đến ăngten máy thu ở các đường truyền khác nhau là khác nhau cho nên các tín hiệu từ các đường khác nhau đến ăngten thu không cùng một thời điểm Hiện tượng này gọi là hiện tượng trải trễ đường truyền Ở đầu vào máy thu, các tín hiệu đến sau được coi như tín hiệu can nhiễu của tín hiệu đến đầu tiên Hiện tượng này gọi là ISI (Intersymbol Interference), cần được loại bỏ trước khi tách sóng để đảm bảo chất lượng truyền dẫn

2.2.2 Nhiễu trong hệ thống LTE – Advanced

2.2.2.1 Nhiễu giữa các người dùng

Hình 2.3 Nhiễu giữa các người dùng

Trong hình 2.3, tế bào phục vụ đồng thời cả hai UE sử dụng cùng tài nguyên thời gian – tần số UE1 nhận được dữ liệu và nhiễu của dữ liệu hướng đến UE2, tức là nhiễu giữa các người dùng

2.2.2.2 Nhiễu giữa các tế bào

Hình 2.4 UE ở biên tế bào ảnh hưởng bởi nhiễu từ tế bào bên cạnh

Trong hình 2.4, UE1 ở biên tế bào được phục vụ bởi cell 1 qua kênh H1(1) và với ma

cạnh cell 2 phục vụ UE2 với ma trận tiền mã hóa B2

2.2.2.3 Nhiễu đồng kênh trong truyền SC FDMA uplink

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single – carrier frequency division multiple access: SC – FDMA) được lựa chọn cho uplink của chuẩn LTE/LTE – Advanced

Để nâng cao hiệu suất phổ tần, hệ số tái sử dụng tần số của 1 được sử dụng Điều này dẫn đến nhiễu đồng kênh mạnh từ các cell bên cạnh như hình 2.5

Hình 2.5 Nhiễu đồng kênh trong đường uplink

ăng ten phát và tín hiệu được nhận bởi N r ăng ten như hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình nhiễu đồng kênh

2.2.2.4 Nhiễu do triển khai mạng không đồng nhất

Trong HetNets đồng kênh, tồn tại nhiều cấp độ của cell (ví dụ: macrocell, picocell, femtocell) vận hành cùng thời điểm trong cùng băng tần, một UE có thể không thể truy nhập cell mạnh nhất nhưng có thể kết nối tới các cell yếu hơn Hai tình huống điển hình có thể xảy ra là:

- Cell mạnh nhất là một femtocell với một nhóm thuê bao đóng (Closed Subscriber Group: CSG)

- UE cần thiết phải kết nối tới một cell cụ thể để mở rộng vùng phủ sóng

2.2.2.5 Biểu diễn toán học của nhiễu trong mạng 4G

Để biểu diễn nhiễu, người ta có thể dùng mô hình tạp âm lớp A Mô hình tạp âm lớp

A là mô hình kinh điển, bất biến với nguồn nhiễu riêng biệt và kết hợp với các tham số định

lượng Trên cơ sở mô hình tạp âm lớp A, ta có thể áp dụng xây dựng mô hình nhiễu trong các trường hợp cụ thể

2.3 Sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và nhiễu trong mạng 3G, 2G

2.3.1 Sự khác nhau giữa mạng 4G và mạng 3G

2.3.1.1 Về tốc độ dữ liệu

Mạng 4G đã giải quyết được vấn đề giới hạn về tốc độ dữ liệu của mạng 3G với tốc

độ dữ liệu có thể đạt đến 1Gbps đối với người dùng tốc độ di chuyển thấp Đây chính là điểm khác biệt chính giữa mạng 4G và mạng 3G

2.3.1.2 Về công nghệ chuyển mạch

Trong mạng 4G, toàn bộ sử dụng chuyển mạch gói trong khi mạng 3G vẫn kết hợp chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Kiến trúc hạ tầng mạng 4G hoàn toàn dựa trên IP, trong đó IPv6 là phiên bản với toàn bộ giao thức hệ thống sẽ điều hành các dạng chuyển mạch khác nhau trong truyền dữ liệu Chuyển mạch trong 4G tinh vi và phức tạp hơn nhiều

so với mạng 3G

2.3.1.3 Về công nghệ truy nhập

Mạng 3G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập WCDMA không phải là công nghệ truy nhập phù hợp cho mạng băng rộng Trong khi đó, mạng 4G sử dụng công nghệ OFDM là công nghệ phù hợp với mạng băng rộng

2.3.1.4 Về chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ mạng 4G tốt hơn nhiều so với mạng 3G Điều này có được nhờ mạng 4G có băng thông rộng hơn, chất lượng của hệ thống IPv6 tốt hơn so với IPv4, quá trình thu phát được cải thiện nhờ hệ MIMO dựa trên ăng ten thông minh

2.3.1.5 Về quản lý tài nguyên

Quản lý tài nguyên trong mạng 4G tốt hơn nhiều so với mạng 3G nhờ sử dụng các kỹ thuật thích nghi thông minh trong quản lý tài nguyên đem lại sự tối ưu hóa từ kỹ thuật điều chế, mã hóa đến cấp phát băng thông

2.3.2 Sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và nhiễu trong mạng 3G

Trong mạng 3G UMTS giao diện vô tuyến dựa trên kỹ thuật CDMA sử dụng các hệ

số trải phổ biến đổi Các chuỗi trải phổ có đặc tính tự tương quan kém do sự giảm hiệu năng máy thu Rake gây ra bởi ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự Trong khi đó, mạng 4G sử dụng

công nghệ OFDM do đó khắc phục được nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) nhờ khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu

Khi triển khai mạng 4G có khả năng xảy ra nhiễu với mạng dịch vụ FWA (Fixed Wireless Access: Truy nhập cố định không dây), hệ thống truyền hình kỹ thuật số, hệ thống định vị toàn cầu

Ngoài ra, trong hệ thống LTE – A còn có các loại nhiễu đặc thù do triển khai mạng không đồng nhất

2.4 Kết luận chương

Chương 2 tập trung nghiên cứu các loại nhiễu trong hệ thống thông tin di động nói chung và nhiễu trong hệ thống 4G LTE – Advanced nói riêng, đưa ra mô hình toán học của nhiễu theo mô hình ồn lớp A trong đó đi sâu vào nhiễu đồng kênh đường truyền SC – FDMA uplink, là cơ sở để xây dựng giải pháp gạt nhiễu