Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống ofdma trong mạng lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO CHO HƯỚNG XUỐNG OFDMA TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS PHẠM NGỌC NAM Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA mạng LTE” thân nghiên cứu thực Mọi tham khảo sử dụng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian địa điểm cơng bố Nếu có chép khơng hợp lệ, khơng trung thực hay vi phạm quyền tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả Nguyễn Đức Thắng i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO CHO HƢỚNG XUỐNG OFDMA TRONG MẠNG LTE Tác giả luận văn: NGUYỄN ĐỨC THẮNG Khóa: 2012B Người hướng dẫn: PGS.TS PHẠM NGỌC NAM NỘI DUNG TÓM TẮT 1) Lý chọn đề tài Mạng LTE dần thay công nghệ 2G 3G trước lĩnh vực thông tin di động phục vụ nhu cầu trao đổi thông tin người Luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA mạng LTE” nghiên cứu vấn đề kỹ thuật mạng LTE Nhấn mạnh đến kỹ thuật OFDMA áp dụng cho hướng xuống mạng LTE 2) Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập cho hướng xuống mạng LTE, kỹ thuật OFDMA nêu giải pháp tối ưu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cấu trúc hệ thống thông tin di động, đặc biệt mạng thông tin di động hệ thứ – mạng LTE Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật OFDMA áp dụng cho hướng xuống mạng LTE ii 3) Nội dung đóng góp tác giả Luận văn trình bày tảng kỹ thuật thông tin số, hệ thông thông tin di động, cấu trúc hệ thống LTE, nguyên lý điều chế giải điều chế, OFDM kỹ thuật áp dụng OFDMA cho hướng xuống mạng LTE Từ OFDMA giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập hướng xuống mạng LTE Luận văn có sử dụng mơ cấu trúc thu phát tín hiệu OFDM đơn giản thông qua phần mềm mô Matlab Luận văn trình bày theo nội dung gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan mạng LTE Trình bày hình thành phát triển hệ thống thông tin di động Giới thiệu đặc điểm dải tần hoạt động mạng LTE Chương 2: Cấu trúc mạng LTE kỹ thuật sử dụng mạng LTE Trình bày cấu trúc mạng LTE, vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến khả triển khai hoạt động mạng LTE Đặt giải pháp kỹ thuật truy nhập cho hướng lên hướng xuống Chương 3: Kỹ thuật OFDMA mạng LTE Trình bày tảng kỹ thuật điều chế giải điều chế thông tin số, nghiên cứu vấn đề trực giao, kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA, áp dụng OFDMA cho hướng xuống kỹ thuật LTE Chương 4: Mơ phát thu tín hiệu dựa kỹ thuật OFDM Mơ mơ hình đơn giả hệ thống phát thu tín hiệu OFDM thơng qua phần mềm mô Matlab iii 4) Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu dựa tảng kỹ thuật thông tin số, nguyên lý kỹ thuật OFDMA thực mô thông qua phần mềm Matlab 5) Kết luận Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA mạng LTE”, tác giả rút kết luận sau:  Mạng thông tin di động không ngừng phát triển nhằm phục vụ nhu cầu trao đổi thông tin người Trong mạng LTE hệ thống thông tin di động hệ với khả truyền dẫn tốc độ cao chất lượng dịch vụ ưu việt  Kỹ thuật OFDM dựa phương pháp điều chế đa sóng mang, sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Chính điều khiến cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường  Kỹ thuật đa truy nhập dựa ghép kênh phân chia theo tần số trực giao công nghệ đa sóng mang phát triển dựa tảng kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, số sóng mang con, không thiết phải nằm kề nhau, gộp lại thành kênh (sub-channel) user truy cập vào tài nguyên cấp cho hay nhiều kênh để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể  Kỹ thuật OFDMA giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập hướng xuống mạng LTE iv MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xiv MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1.1 Giới thiệu hệ thống điện thoại di động 1.1.2 Các kỹ thuật sử dụng hệ thống thông tin di động 1.1.3 Hệ thống CDMA 1.1.4 Hệ thống GSM 10 1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .18 1.2.1 Thế hệ công nghệ điện thoại di động (1G) 18 1.2.2 Thế hệ thứ hai công nghệ điện thoại di động (2G) 19 1.2.3 Thế hệ thứ ba công nghệ điện thoại di động (3G) 21 1.2.4 Thế hệ thứ tư công nghệ điện thoại di động (4G) 23 1.2.5 Thế hệ thứ năm công nghệ điện thoại di động (5G) [16] 25 1.3 GIỚI THIỆU VỀ LTE 27 1.3.1 Đặc điểm mạng LTE 29 1.3.2 Dải tần hoạt động mạng LTE 31 v CHƢƠNG II: CẤU TRÚC MẠNG LTE VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE 33 2.1 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN MẠNG LTE 33 2.1.1 Trễ Fading 33 2.1.2 Dịch tần Doppler 34 2.2 CẤU TRÚC MẠNG LTE [3] 35 2.2.1 Lớp vật lý mạng LTE 35 2.2.2 Cấu trúc mạng LTE 73 2.3 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG MẠNG LTE 87 2.3.1 Kỹ thuật đa truy nhập cho hướng lên LTE 87 2.3.2 Kỹ thuật đa truy nhập cho hướng xuống OFDMA LTE 88 CHƢƠNG III: KỸ THUẬT OFDMA TRONG LTE 90 3.1 NỀN TẢNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 90 3.1.1 Điều chế tín hiệu phương pháp điều chế 90 3.1.2 Các phương pháp điều chế đơn sóng mang, đa sóng mang 94 3.1.3 Giới thiệu kỹ thuật OFDM 97 3.1.4 Trực giao OFDM [9] 100 3.1.5 Các kỹ thuật điều chế băng tần sở 102 3.2 ĐA TRUY NHẬP DỰA TRÊN KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 106 3.2.1 Sơ đồ hệ thống OFDM 106 3.2.2 Phương pháp điều chế OFDM [9] 107 3.2.3 Phương pháp giải điều chế OFDM [9] 113 3.2.4 Cân kênh cho hệ thống OFDM [9] 119 3.3 KỸ THUẬT OFDMA CHO HƢỚNG XUỐNG TRONG MẠNG LTE 120 vi CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG PHÁT VÀ THU TÍN HIỆU DỰA TRÊN KỸ THUẬT OFDM 124 4.1 SƠ ĐỒ THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM 124 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 126 4.2.1 Mô phát OFDM 126 4.2.2 Mô thu OFDM 130 4.2.3 Tín hiệu OFDM phổ tín hiệu OFDM 134 4.3 KẾT LUẬN 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1G The First Generation 2G Second Generation 3G Third Generation 3GPP Third Generation Partnership Project ACK Acknowledgement ADC Analog-to Digital Conversion ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AM Amplitude Modulation AMPS Advanced Mobile Phone Sytem ASK ASK Amplitude-Shift Keying BCCH Broadcast Control Channel BCH Broadcast Channel BCF Base station Control Function BS Base Station BSS Base Station Subsystem BPF Band Pass Filter BPSK Binary Phase Shift Keying BTS Base Transceiver Station viii BW Bandwidth CCE Control Channel Element CCCH Common Control Channel CDM Code Division Multiplexing CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix CPICH Common Pilot Channel CQI Channel Quality Information CRC Cyclic Redundancy Check CS Circuit Switched D-BHC Dynamic Broadcast Channel DCCH Dedicated Control Channel DCI Downlink Control Information DFT Discrete Fourier Transform DL Downlink DL-SCH Downlink Shared Channel EDGE Enhance Data rate for GSM Evolution E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access FD Frequency Domain ix k‟ = k – (Kmax + Kmin)/2 Khoảng bảo vệ chèn cách thêm vào đầu chuỗi ký hiệu thành phần N𝛥/Tu (Thành phần phía sau mẫu tín hiệu có ích Tu đó, 𝛥 độ dài thời gian khoảng bảo vệ) PT(4.3) tương ứng với biến đổi IDFT: Xn = 𝑁 𝑁−1 𝑞=0 𝑛𝑞 Xq 𝑒 𝑗 2𝜋 𝑁 4.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.2.1 Mơ phát OFDM Trong chương trình mơ phỏng, giả sử ta lựa chọn tần số fc = 920 MHz (Band 8), bề rộng băng thông kênh truyền 10 MHz Ta chọn Tu = 66,7 μs, khoảng cách sóng mang (1/Tu = 15 kHz) Số lượng khối truyền 50 khối, với 12 sóng mang khối truyền Hình 4.2 Tín hiệu phát điểm B Ta có nhận xét sau qua biến đổi IFFT, Ns symbol thơng tin gửi lên số lượng sóng mang trực giao tương đương Phổ tín hiệu sau biến đổi IFFT mơ hình 4.3 126 Hình 4.3 Phổ tín hiệu phát B Hình 4.4 Xung g(t) Tín hiệu C thu tín hiệu phát B nhân với xung g(t), hình 4.5 mơ tín hiệu điểm C Phổ biên độ cơng suất mơ hình 4.6 Mục đích việc nhân với xung g(t) lọc truyền biến đổi tín hiệu rời rạc thành 127 tín hiệu liên tục miền thời gian, lọc truyền đóng vai trị biến đổi D/A (Transmit Filter hình 4.1 nằm điểm B C) Hình 4.5 Tín hiệu phát C Hình 4.6 Phổ tín hiệu phát C 128 Tín hiệu D tín hiệu D đưa qua lọc thơng thấp Sau qua LPF, tín hiệu mơ hình 4.7 4.8 Hình 4.8 cho ta thấy thành phần tần số lựa chọn phát D, thành phần tần số khác bị loại bỏ Hình 4.7 Tín hiệu phát D Hình 4.8 Phổ tín hiệu phát D Tín hiệu D điều chế với sóng mang fc phát Phổ tín hiệu phát E biểu diễn kết mô hình 4.9 129 Hình 4.9 Phổ tín hiệu E 4.2.2 Mơ thu OFDM Hình 4.10 Tín hiệu thu F 130 Hình 4.11 Phổ tín hiệu F Vậy ta nhận tín hiệu F phổ tín hiệu nhận F thu hồn tồn giống với tín hiệu phổ tín hiệu phát E Hình 4.12 Tín hiệu thu G 131 Hình 4.13 Phổ tín hiệu G Tín hiệu phổ tín hiệu G tương ứng với tín hiệu điểm D phát Hình 4.14 Tín hiệu H 132 Hình 4.15 Phổ tín hiệu H Tín hiệu phổ tín hiệu điểm H thu tương ứng với tín hiệu phổ tín hiệu điểm B Hình 4.16 Chịm điều chế băng tần sở info_h 133 Hình 4.17 Chịm điều chế băng tần sở a_hat 4.2.3 Tín hiệu OFDM phổ tín hiệu OFDM Kết mơ cho ta tín hiệu OFDM phổ tín hiệu OFDM sau: Hình 4.18 Tín hiệu sau điều chế OFDM 134 Hình 4.19 Phổ tín hiệu OFDM Từ phổ tín hiệu OFDM thu qua mô ta nhận thấy hai sườn đồ thị phổ tín hiệu độ dơc lớn chứng tỏ hiệu suất phổ hệ thống tăng lên, đồng thời giảm nhiễu liên kênh hệ thống khác 4.3 KẾT LUẬN Từ kết mô ta rút nhận xét sau: - Tín hiệu phổ tín hiệu phát OFDM điểm A, B, D, E giống với tín hiệu vào điểm tương ứng thu OFDM theo thứ tự sau I, H, G, F Hay nói cách khác, thu việc sử dụng biến đổi FFT cơng việc khơi phục lại tín hiệu phát từ phát sau biến đổi IFFT hoàn toàn khả thi đơn giản - Ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM sử dụng phép biến đổi FFT cho giải điều chế OFDM thay thực phép điều chế OFDM thông qua phép biến đổi IDFT phép giải điều chế OFDM thông qua phép biến đổi DFT Điều làm cho kỹ thuật điều chế giải điều chế OFDM không đơn giản hơn, dễ thực mà mang lại lợi ích kinh đáng kể vào việc nghiên cứu, chế tạo điều chế/giải điều chế OFDM 135 - Từ thực tế mô ta nhận thấy cấu trúc thu OFDM đơn giản - Ta rút tín hiệu sau điều chế OFDM phổ tín hiệu sau điều chế OFDM phù hợp với sở lý thuyết nghiên cứu Chương Từ phổ tín hiệu OFDM hình 4.19 ta nhận thấy hai sườn phổ tín hiệu dốc từ rút nhận xét hiệu suất phổ tín hiệu hệ thống tăng lên làm giảm nhiễu liên kênh ICI với hệ thống khác Vì OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần nên thời gian truyền ký tự OFDM kéo dài Đặc biệt ta chèn thêm khoảng bảo vệ GI (thường lớn thời gian trễ tối đa kênh truyền) ký tự OFDM nhiễu ISI bị loại bỏ hoàn toàn - Áp dụng kỹ thuật đa truy nhập vào kênh truyền OFDM cho hướng xuống mạng LTE, hay nói cách khác kỹ thuật OFDMA Theo đó, khơng gian sóng mang chia cho nhiều thuê bao sử dụng thời điểm Từ kết mô ta đánh giá: Kỹ thuật đa truy nhập dựa tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao kỹ thuật tối ưu áp dụng cho hướng xuống mạng LTE OFDM OFDMA Hình 4.20 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang trực giao 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA mạng LTE”, tác giả rút kết luận sau:  Mạng thông tin di động không ngừng phát triển nhằm phục vụ nhu cầu trao đổi thông tin người Trong mạng LTE hệ thống thơng tin di động hệ với khả truyền dẫn tốc độ cao chất lượng dịch vụ ưu việt  Kỹ thuật OFDM dựa phương pháp điều chế đa sóng mang, sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Chính điều khiến cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường  Kỹ thuật đa truy nhập dựa ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cơng nghệ đa sóng mang phát triển dựa tảng kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, số sóng mang con, khơng thiết phải nằm kề nhau, gộp lại thành kênh (sub-channel) user truy cập vào tài nguyên cấp cho hay nhiều kênh để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể  Kỹ thuật OFDMA giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập hướng xuống mạng LTE Từ luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA mạng LTE” tác giả đề xuất số kiến nghị mở rộng sau:  Nghiên cứu kỹ thuật SOFDMA áp dụng cho hướng lên mạng LTE  Nghiên cứu vấn đề quy hoạch mạng LTE 137 Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS.TS Phạm Ngọc Nam định hướng rõ khuyết điểm em giúp em kịp thời sửa chữa suốt trình thực luận văn Em gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo Viện Điện tử - Viễn Thông, Đại học Bách khoa Hà nội giúp đỡ em suốt trình học tập trình thực luận văn thạc sỹ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Harri Holma, Antti Toskala, (2009), LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access, 2nd edition, John Wiley & Sons Publisher, Unitied Kingdom [2] Martin Sauter, (2011), From GSM to LTE An Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband , 1st edition, John Wiley & Sons Publisher, United Kingdom [3] Harri Holma, Antti Toskala, (2009), LTE for UMTS OFDMA and SCFDMA Based Radio Access, 1st edition, John Wiley & Sons Publisher, Unitied Kingdom [4] Farooq Khan, (2009), LTE For 4G Mobile Broadband_Air Interface Technologies And Performance, 1st edition , Cambridge University Press publisher, New York - United States of America [5] Dr Mary Ann Ingram, Guillermo Acosta, OFDM Simulation Using Matlab, August, 2000 [6] ROHDE & SCHWARZ, UMTS Long Term Evolution (LTE), September 2012 [7] R.V Nee and R.Rrasad, OFDM Wireless Multimedia Communications, Norwood, MA: Artech House, 2000 [8] Dr Mary Ann Ingram, OFDM Simulation Using Matlab, Guillermo Acosta, August, 2000 Tiếng Việt [9] Viện Điện tử - Viễn thông Đại học Bách khoa Hà nội, (2007), Bộ sách kỹ thuật thông tin số, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội – Việt Nam 139 [10] Viện Điện tử - Viễn thông Đại học Bách khoa Hà nội, Giáo trình sở mạng thông tin, Nhà xuất Đại học Bách khoa Hà nội, Hà Nội-Việt Nam [11] Đỗ Trọng Tuấn – Viện Điện tử-Viễn thông – Đại học bách khoa Hà nội, Bài giảng thông tin di động [12] Trần Trung Dũng, Nguyễn Thúy Anh, (2004) Lý thuyết truyền tin, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Các trang web [13] https://www.ieee.org/ [14] http://niviuk.free.fr/ [15] http://www.gsacom.com/ [16] http://www.mobileworldlive.com/ [17] http://www.wikipedia.org/ [18] http://vntelecom.org/ [19] http://www.thongtincongnghe.com/ [20] http://www.mathworks.com/ [21] http://www.telecoms.com/ 140 ... ? ?Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA mạng LTE? ?? nghiên cứu vấn đề kỹ thuật mạng LTE Nhấn mạnh đến kỹ thuật OFDMA áp dụng cho hướng xuống. .. tin số, nghiên cứu vấn đề trực giao, kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA, áp dụng OFDMA cho hướng xuống kỹ thuật LTE Chương 4: Mô phát thu tín hiệu dựa kỹ thuật. .. thuật OFDMA mạng LTE Trình bày tảng kỹ thuật điều chế giải điều chế thông tin số, nghiên cứu vấn đề trực giao, kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA, áp dụng OFDMA