Nghiên cứu các kỹ thuật định vị trong mạng 4g lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã ngành: 60520203 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG 4G-LTE HỌC VIÊN THỰC HIỆN: LÊ THẾ TUẤN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG Hà Nội, 5/2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết luận văn tham khảo, tìm tịi, học hỏi thân hướng dẫn tận tình PGS.TS Lê Nhật Thăng Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác (nếu có) trích dẫn cụ thể Đề tài luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chưa công bố phương tiện Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan trên! Hà nội, ngày tháng 05 năm 2021 Người cam đoan Lê Thế Tuấn i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước tiên, xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến PGS.TS Lê Nhật Thăng tận tình giúp đỡ tơi suốt trình nghiên cứu thực đề tài luận văn Tôi chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, Thầy Cô giáo Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin Trường Đại học Mở Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn tất người thân quan tâm động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Với khả nghiên cứu thân cịn nhiều thiếu sót, tơi xin kính mong dẫn đóng góp chuyên gia, Thầy Cô bạn đồng nghiệp để đề tài hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MẠNG 4G-LTE 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Hệ thống 1G (hệ thống tương tự) 1.1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1.2 Đặc điểm hệ thống 1.1.2 Hệ thống 2G (Digital) 1.1.2.1 Lịch sử phát triển [1] 1.1.3 Mạng thông tin di động 3G 1.1.3.1 Đặc điểm kỹ thuật 1.1.4 Thế hệ 3.5G 1.2 Mạng thông tin di động hệ thứ (4G LTE) 1.2.1 Tổng quan mạng 4G LTE 1.2.2 Kiến trúc, đặc điểm mạng 4G LTE 1.2.2.1 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến 1.2.2.2 Kiến trúc mạng lõi 1.2.3 Các kỹ thuật cho truy nhập vô tuyến LTE [2] 12 1.2.3.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM OFDMA 12 1.2.3.2 Công nghệ đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA 19 1.2.3.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination) .21 1.2.4 Các băng tần hỗ trợ [2] 22 1.2.5 Công nghệ đa ăng ten MIMO LTE [2] 22 1.2.6 Các kiến trúc giao thức mạng LTE [2] 26 1.2.6.1 Điều khiển liên kết vô tuyến RLC (Radio Link Control) 26 1.2.6.2 Điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) 28 1.2.7 Các thủ tục truy nhập LTE [2] 29 1.3 Kết luận chương 32 CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG 4G LTE 34 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu hỗ trợ (A-GNSS) 34 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GNSS 34 2.1.2 Hệ thống định vị toàn cầu hỗ trợ (A-GNSS) [3] 36 iii 2.1.3 Đánh giá công nghệ định vị A-GNSS .38 2.2 Nhận dạng di động nâng cao (ECID) 38 2.3 Dấu vân tay vô tuyến (RF Fingerprinting) .40 2.4 Sự khác biệt thời gian đến quan sát (OTDOA) .40 2.5 Kết hợp A-GNSS OTDOA 41 2.6 Độ chênh lệch thời gian tới tín hiệu phát lên BS (UTDOA) .41 2.7 So sánh ưu nhược điểm phương pháp định vị 42 2.8 Kết luận chương 43 CHƯƠNG MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TÍCH HỢP BỘ LỌC KALMAN 44 3.1 Phương pháp định vị OTDOA 44 3.1.1 Phép đo chênh lệch thời gian tín hiệu tham chiếu (RSTD) 44 3.1.2 Bản đồ đo lường RSTD .45 3.1.3 Phương trình định vị OTDOA .45 3.1.4 Tín hiệu tham chiếu định vị (PRS) 46 3.1.5 Kiến trúc OTDOA mạng 4G-LTE 47 3.2 Giới thiệu Bộ lọc Kalman 48 3.2.1 Một số lý thuyết ước lượng 48 3.2.1.1 Kỳ vọng (Expectation) .48 3.2.1.2 Phương sai (Variance) 48 3.2.1.3 Độ lệch chuẩn .49 3.2.1.4 Hiệp phương sai (Covariance) 49 3.2.1.5 Ma trận hiệp phương sai .50 3.2.2 Bộ lọc Kalman 51 3.3 Kỹ thuật định vị OTDOA có tích hợp Bộ lọc Kalman 54 3.3.1 Mơ hình mạng 54 3.3.1.1 Cấu trúc liên kết mạng 54 3.3.1.2 Mơ hình lan truyền sóng vô tuyến 54 3.3.1.3 Xác định vị trí UE OTDOA .58 3.3.1.4 Áp dụng lọc Kalman 61 3.4 Mô Phỏng 62 3.4.1 Kết mô .62 3.4.2 Đánh giá, nhận xét .65 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC I 68 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kiến trúc mạng 4G LTE Hình 1.2 Mạng truy nhập vơ tuyến: Các nút giao diện Hình 1.3 Kiến trúc EPS Hình 1.4 Kiến trúc EPS phục vụ nút gỗ trợ GPRS/EDGE Hình 1.5 Cấu hình cho EPS hỗ trợ 3GPP bao gồm truy cập UMTS / HSPA Hình 1.6 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE 10 Hình 1.7 Khung liệu OFDM 13 Hình 1.8 Sơ đồ thu phát OFDM 16 Hình 1.9 Xử lý số liệu OFDM 17 Hình 1.10 Khoảng bảo vệ 18 Hình 1.11 Sơ đồ OFDMA 19 Hình 1.12 Điều chế SC-FDMA cho truyền hướng lên 21 Hình 1.13 Danh sách băng tần LTE 22 Hình 1.14 Nguyên tắc truyền MIMO 23 Hình 1.15 Kỹ thuật Beamforming 25 Hình 1.16 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 25 Hình 1.17 Phân tập khơng gian giúp cải thiện SNR 26 Hình 1.18 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 26 Hình 1.19 Phân đoạn móc nối 27 Hình 1.20 Thí dụ xếp kênh logic lên kênh truyền tải 29 Hình 1.21 Tín hiệu đồng sơ cấp thứ cấp 31 Hình 1.22 Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 32 Hình 2.1 Hệ thống định vị tồn cầu GPS 35 Hình 2.2 Định vị A-GNSS 37 Hình 2.3 Phương pháp định vị ECID 39 Hình 3.1 vị trí UE theo tính tốn 03 eNodeB 44 Hình 3.2 Tín hiệu tham chiếu định vị 46 Hình 3.3 Kiến trúc định vị OTDOA 47 Hình 3.4 Mơ hình đo lường ước lượng lọc Kalman 51 Hình 3.5 Ví dụ Tín hiệu thu trước sau lọc Kalman 52 Hình 3.6 Sơ đồ khối phát eNodeb 56 v Hình 3.7 Kênh pha đinh MIMO + nhiễu AWGN 57 Hình 3.8 Sơ đồ máy thu LTE (UE) 58 Hình 3.9 Minh họa xác định vị trí UE 59 Hình 3.10 Khởi tạo vị trí eNB UE 60 Hình 3.11 Tương quan tín hiệu eNB vị trí UE nhận 60 Hình 3.12 Giao điểm đường Hybebol vị trí UE 61 Hình 3.13 Hai bước xử lý lọc Kalman 62 Hình 3.14 Khởi tạo 90 eNodeB 63 Hình 3.15 Kết mơ OTDOA ước lượng vị trí UE 63 Hình 3.16 Vị trí xác, vị trí ước lượng OTDOA, Kalman Filter 64 Hình 3.17 Vận tốc thực tế vận tốc ước lượng 65 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 So sánh ưu/nhược điểm phương pháp định vị 42 Bảng 3.1 Ý nghĩa ký hiệu dùng thuật toán Kalman 53 Bảng 3.2 Cấu hình trễ EPA 55 Bảng 3.3 Tần số Doppler tối đa .55 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 2G 2th Generation Thế hệ thứ 3G 3th Generation Thế hệ thứ 3GPP Third Generation Partnership Project Nhóm dự án đối tác hệ thứ 4G 4th Generation Thế hệ thứ AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BSC Base Station Controller Bộ điểu khiển trạm gốc BSIC Basic station Indentity Code Mã nhận dạng trạm gốc BTS Base Transceiver station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CP Control Plane Mặt phẳng điều khiển CPCH Common Physical Channel Kênh vật lý chung CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã dịch vòng CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CSCF Call state Controll Function Chức điều khiển gọi CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh thị trạng thái CPCH CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DPCCH Dedicatde Physical Control Channel Kênh vật lý riêng DPCH Dedicate Physical Channel Downlink Kênh vật lý đường xuống DPDCH Physical Channel Dedicated Physical Kênh vật lý số liệu riêng DRNC Data Channel Drift Radio Network Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi DS SS Controller Direct Sequence Spread Trải phổ chuỗi trực tiếp viii DS-CDMA Spectrum Direct Sequence-Code Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp DSCH Division Multiple Access Downlink Kênh chia sẻ đường xuống EDGE Shared Channel Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị ETSI European Telecommunication Standard Institute Fast Assocrated Viện tiêu chuẩn viễn thông châu âu FACCH Control Channel Forward Access Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên hầm GPRS HLR Home Location Register Bộ định vị thường trú HSS Home Subscriber Server Dịch vụ thuê bao thường trú IF Intermediate Frequency Trung tần IMSI Internation Mobile Station Identity Nhận dạng trạm di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Sendee Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ IWF Intel-working Function Chức tương tác mạng LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MCC Mobile Country Code Mã nước ME Mobile Equipment Thiết bị di động MME Mobile Managerment Entity Thực thể quản lý di động MGW Media Gateway Cổng phương tiện MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di đông MS Mobile Station Trạm di động MSIN Mobile Station Identity Number Số nhận dạng trạm di động MSRN Mobile Station Random Number Số lưu động trạm di động ix NeNodeB = 90; % Number of eNodeB % Create eNodeB configurations enb = cell(1,NeNodeB); load('pos_eNodeB.mat'); cellIDs_Test =[]; for i=1:NeNodeB enb{i}=lteRMCDL('R.6'); % Get configuration based on RMC enb{i}.NCellID = mod((i-1)*2,504); % Set arbitrary cell identity cellIDs_Test = [cellIDs_Test enb{i}.NCellID]; enb{i}.TotSubframes = 1; % Number of subframes to generate enb{i}.NPRSRB = 2; enb{i}.IPRS = 0; % Bandwidth of PRS in resource blocks % PRS configuration index enb{i}.PRSPeriod = 'On'; % PRS present in all subframes enb{i}.Position = pos_eNodeB{i}; % eNodeB position end % Use the first eNodeB configuration for general settings info = lteOFDMInfo(enb{1}); %% Plot Location of eNodeBs and UE % The positions of the eNodeBs and the UE are plotted for reference The UE % lies at (0,0) and the eNodeBs are distributed around the UE %Plot the basestation distribution figure('name','cell position'); hold on for i=1:NeNodeB plot(enb{i}.Position(1),enb{i}.Position(2),'*b','HandleVisibility','off'); hexagon(250*2/3,enb{i}.Position(1),enb{i}.Position(2)); hold on end %Set up fading channel channel.Seed = 1; channel.NRxAnts = 1; 69 channel.DelayProfile = 'EVA';%EPA EVA ETU channel.DopplerFreq = 70; channel.MIMOCorrelation = 'Low'; channel.SamplingRate = info.SamplingRate; channel.InitTime = 0; %Set up AWGN SNRdB = 22; % Desired SNR in dB SNR = 10^(SNRdB/20); % Linear SNR %% Generate Transmissions % For each eNodeB, a transmission is made consisting of the PRS, Primary % Synchronization Signal (PSS), Secondary Synchronization Signal (SSS) and % Cell-specific Reference Signal (Cell RS) An empty resource grid is % created and a PRS is generated and mapped onto the grid using % and The PSS, SSS and Cell RS are added in a similar fashion % The resultant grid is OFDM modulated to produce a transmit waveform tx = cell(1,NeNodeB); for i = 1:NeNodeB grid = []; for nsf = 0:19 enb{i}.NSubframe =mod(nsf,10); sfgrid = lteDLResourceGrid(enb{i}); % Empty subframe sfgrid(ltePRSIndices(enb{i})) = ltePRS(enb{i}); % PRS REs sfgrid(ltePSSIndices(enb{i})) = ltePSS(enb{i}); % PSS REs sfgrid(lteSSSIndices(enb{i})) = lteSSS(enb{i}); % SSS REs sfgrid(lteCellRSIndices(enb{i})) = lteCellRS(enb{i}); % Cell RS REs grid = [grid sfgrid]; %#ok end enb{i}.NSubframe = 0; tx{i} = lteOFDMModulate(enb{i}, grid); 70 % OFDM modulate % tx after pass throught fading chanel tx{i} = lteFadingChannel(channel,tx{i}); % ADD GAUSIAN NOISE % Calculate noise gain N0 = 1/(sqrt(2.0*enb{i}.CellRefP*double(info.Nfft))*SNR); % Create additive white Gaussian noise noise = N0*complex(randn(size(tx{i})),randn(size(tx{i}))); % Add noise to the received time domain waveform tx{i} = tx{i} + noise; end %% Compute Delays from eNodeBs to UEs % Using the known eNodeB positions, the time delay from each eNodeB to the % UE is calculated using the distance between the UE and eNodeB, |radius|, % and the speed of propagation (speed of light) Using knowledge of the % sampling rate, |info.SamplingRate|, the sample delay is calculated and % stored in |sampleDelay| These variables will be used to model the % environment between the eNodeBs and the UE but the information will NOT % be provided to the UE speedOfLight = 299792458.0; % Speed of light in m/s % Generate the movement of UE y=[420:20:880, 900:30:1120, 1150:50:2000, 2050:30:2170, 2200:20:2780]+150; x=(y.^2-3500.*y+(1750)^2)/10^2.5+600; % plot the movement position of EU plot(x, y,'-black','LineWidth',1.5); UEPositionList = [x; y]';% Real position of UE %The estimated position OTDOAPositionList =[]; for posId = 1:length(UEPositionList(:,1)) UEPosition = UEPositionList(posId,:);%current position of EU sampleDelay = zeros(1, NeNodeB); radius = cell(1, NeNodeB); 71 for i = 1:NeNodeB % [~, radius{i}] = cart2pol(enb{i}.Position(1), enb{i}.Position(2)); radius{i} = enb{i}.Position(2))^2); sqrt((UEPosition(1)-enb{i}.Position(1))^2+(UEPosition(2)- delay = radius{i}/speedOfLight; % Delay in seconds sampleDelay(i) = round(delay*info.SamplingRate); % Delay in samples end %% Create Sum of Received Waveforms and Plot Received Waveforms % The received signal at the UE is modeled by delaying each eNodeB % transmission according to the values in |sampleDelay|, and attenuating % the received signal from each eNodeB using the values in |radius| in % conjunction with an implementation of the TR 36.814 [ ] Urban % Macro Line Of Sight (LOS) path loss model The received waveform from % each eNodeB is padded with zeros to ensure all waveforms are the same % length sumrx = zeros(length(tx{1})+max(sampleDelay), 1); rx = cell(1, NeNodeB); for i = 1:NeNodeB % Pass Loss - COST-HATA hBSef = 100; %100m - effective base station antenna height [m]; 30