ĐỒ án tốt NGHIỆP đại học đề tài kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh CCI và nhiễu liên cell ICIC trong hệ thống LTE

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh - CCI nhiễu liên Cell - ICIC hệ thống LTE” Người hướng dẫn Sinh viên thực Lớp Khóa Hệ Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn LỜI CÁM ƠN Tốt nghiệp đại học coi cột mốc quan trọng trình người Để có ngày hơm phải trải qua nhiều thử thách đòi hỏi cố gắng, kiên trì khơng thể khơng kể đến dạy tận tình thầy giúp đỡ, động viên bạn bè gia đình Để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Chu Tuấn Linh- Viện Khoa Học Kỹ Thuật Bưu Điện ln tận tình giúp đỡ hướng dẫn em suốt trình thực đồ án Mặc dù bận rộn thầy dành thời gian định hướng, góp ý sửa chữa giúp em có phương pháp học tập nghiên cứu tốt Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo dạy dỗ, dìu dắt em xuất trình học tập vừa qua Cuối cho em cảm ơn tất bạn bè gia đình ln giúp đỡ động viên em xuất thời gian qua lúc khó khăn Hà Nội, Ngày 10 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực Đinh Văn Khang Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Công nghệ LTE nghiên cứu phát triển rộng rãi giới; cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập liệu nhanh lên đến hàng trăm Mb/s chí đạt 1Gb/s, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vơ tuyến dựa tảng hoàn toàn IP… Hệ thống LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM cho đường xuống Trong hệ thống người dung cấp phát số sóng mang khác sóng mang trực giao với với hiệu suất sử dụng phổ cao linh hoạt việc phân bổ tần số cho người dụng Tuy nhiên hiệu suất mạng LTE đa tế bào (multi-cells) lại bị giảm đáng kể có xuất nhiễu đồng kênh – CCI nhiễu liên Cell – ICIC làm ảnh hưởng đến tín hiệu hệ thống Để giải vấn đề nhà mạng phải sử dụng kết hợp nhiều kỹ thuật khác cho phù hợp với tình trạng tín hiệu khu vực Về người ta kết hợp hai phương án việc tái sử dụng tần số Cell phối hợp Cell mạng cho phù hợp Ngoài việc giúp giảm tránh nhiễu cho hệ thống, kỹ thuật giúp tối ưu tài nguyên cho nhà mạng (tần số, công suất, …) Trong đồ án: “ Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn hệ thống 4G LTE” mà tơi trình bày tổng hợp lại kỹ thuật để tối ưu tần số, cơng suất tín hiệu Cell di động đánh giá hiệu kỹ thuật Nội dung đồ án gồm có chương: Chương 1: Truy nhập vô tuyến 4G LTE đường xuống Nội dung chương trình bày kiến trúc mạng chế độ truy nhập LTE Chương 2: Các loại nhiễu mạng 4G LTE đường xuống Trong chương tơi trình bày loại nhiễu hệ thống 4G LTE bao gồm: tạp âm Gauss trắng cộng, nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên kênh ICI, nhiễu đồng kênh CCI, … Chương 3: Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn 4G LTE Chương trình bày cụ thể kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn đánh giá hiệu phương pháp; đông thời đưa đề xuất, nhận xét để sử dụng kỹ thuật cho phù hợp Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học MỤC L LỜI CÁM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LTE 1.1Giới thiệu chung 1.2Kiến trúc mạng LTE 1.2.1Thiết bị ng 1.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 1.2.3Thực thể q 1.2.4Cổng phục 1.2.5Cổng mạn 1.2.6Chức 1.2.7Máy chủ th 1.3Truy nhập vô tuyến LTE 1.3.1Các chế độ 1.3.2Băng tần t 1.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDM 1.3.4 Kỹ thuật MIMO mạng 4G LTE 1.4Các thủ tục truy nhập 1.4.1Thủ tục dò 1.4.2Truy nhập 1.5Kết luận chương CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 4G LTE 2.1Giới thiệu chương 2.2Tạp âm nhiệt AWGN -Additive white Gauss 2.3Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interfenc Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học 2.4 Nhiễu liên kênh ICI ( Inter Channel lnterfere 2.5 Nhiễu đồng kênh CCI (Co-Channel Interfere 2.6 Nhiễu liên Cell ICIC ( Inter – Cell Interfere 2.7 Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interfe 2.8 Kết luận chương CHƯƠNG 3: GIẢM NHIỄU CCI ICI BẰNG KỸ THUẬT TÁI SỬ DỤNG TẦN 3.1 Giới thiệu chương 3.2 Các kỹ tái sử dụng tần số (Conventional Frequency Reuse) 3.3 Tái sử dụng tần số phân đoạn 3.3.1 Tái sử dụ 3.3.2 Tái sử dụ 3.3.3 Tái sử dụng tần số phân đoạn mềm – SFFR (Soft Fractional Frequency Reuse) 3.3.4 Tái sử dụ 3.3.5 Tái sử d Frequency Reuse) 3.4 Nhận xét đánh giá kỹ thuật tái sử dụng tần số 3.4.1 Mơ hình h 3.4.2 Đánh giá 3.5 Mô phong ̉ 3.5.1 3.5.2 Cac công ́ Mô ta qua ̉ Kết qua m ̉ 3.5.3 3.5.4 3.6 Kết luận chương DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH Bảng 1.1 Các đặc điểm cơng nghệ 4G LTE 10 Bảng 1.2 Số lượng khối tài nguyên cho băng thông LTE khác 28 ( cụ thể FDD&TDD) 28 Bảng 1.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) 29 Bảng 3.1 Mơ hình hóa kỹ thuật tái sử dụng tần số 69 Bảng 3.2 So sánh hiệu kỹ thuật tái sử dụng tần số 72 Bảng 3.3 Các tham sốmô phỏng 73 Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng có E-UTRAN 13 Hình 1.2 eNodeB kết nối tới nút logic khác chức 16 Hình 1.3 MME kết nối tới nút logic khác chức .18 Hình 1.4 Các kết nối S-GW tới nút logic khác chức .19 Hình P-GW kết nối tới node logic khác chức 21 Hình 1.6 PCRF kết nối tới nút logic khác & chức .22 Hình 1.7 Biểu diễn tần số-thời gian tín hiệu OFDM 25 Hình 1.8 Sự tạo ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT 25 Hình 1.9 Sự tạo chuỗi tín hiệu OFDM 26 Hình 1.10 Cấp phát sóng mang cho OFDM & OFDMA 26 Hình 1.11 Cấu trúc khung loại 27 Hình 1.13 Lưới tài nguyên đường xuống 28 Hình 1.14 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA 30 Hình 1.15 Sơ đồ máy phát thu OFDMA 31 Hình 1.16 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 32 Hình 1.17 MIMO 2×2 , khơng có tiền mã hóa 34 Hình 1.18 truyền chuỗi ký hiệu liệu QPSK hệ thống OFDM 36 Hình 1.19 Các tín hiệu đồng sơ cấp & thứ cấp 38 Hình 1.20 Sự hình thành tín hiệu đồng miền tần số .40 Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh Hình 1.21 Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 43 Hình 1.22 Minh họa cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên .44 Hình 1.23 Định thời phần mở đầu eNodeB cho người sử dụng truy nhập 45 ngẫu nhiên khác 45 Hình 1.24 Sự phát phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên miền tần số 46 Hình 2.1 Mơ hình kênh Gaussian trắng cộng 50 Hình 2.2 Mơ hình nhiễu liên ký tự ISI 51 Hình 2.3 Chèn thêm khoảng bảo vệ hệ thống OFDM 52 Hình 2.4 Phổ tần nhiễu liên kênh 52 Hình 2.5 Khoảng bảo vệ lặp 53 Hình 2.6 Một hệ thống thông tin số tế bào ( Cellular ) 53 Hình 2.7 Minh họa nhiễu liên Cell 55 Hình 3.1 Các kỹ thuật giảm nhiễu 57 Hình 3.2 Mơ hình tái sử dụng tần số FR1(a) FR3(b) 58 Hình 3.3 Mơ hình hệ thống Cell phân bổ theo phương pháp PFR .60 Hình 3.2 Tái sử dụng tần số mềm –SFR 61 Hình 3.3 Mơ hình tái sửdungg̣ tần sốphân đoaṇ mềm 63 Hình 3.4 Vấn đề hạn chế phổ tần SFR 65 Hình 3.5 Phương pháp IFR cho cụm Cell hệ thống 66 Hình 3.6 Tái sử dụng tần số phân đoạn tiên tiến (EFFR) 68 Hình 3.9 Mô hình mangg̣ 77 Hình 3.10 Tỷsốtín hiêụ tapg̣ âm nhiễu 78 Hiǹ h 3.11 Dung lươngg̣ Cell 79 Với băng tần vùng trung tâm Cell B1=15 Mhz 79 Hình 3.12 Sự phụ thuộc tổng dung lượng Cell vào băng tần vùng trung tâm 80 Hình 3.13 Sự phụ thuộc tham số US vào băng tần 80 Hình 3.14 Dung lượng Cell với B1=6, B1=8, B1=12 Mhz 81 Hình 3.15 So sánh FFR với FR1 FR3 với B1=8 Mhz 81 Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN BTS CCI CDMA DCI DS-CDMA DwPTS EFFR EPC E-UTRAN FDD FFR FR GUTI GW HARQ HSDPA Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học HSS ICI ICI ICIC IFFT IFR IMS IP ISI LTE MBMS MIMO ML-SFR MME OFDMA PCC PCFICH PCFICH Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học PCRF PCS PDCCH PFR PMI PMIP QoS SC-FDMA SFFR SFR TDD UE UMTS UTS UTRAN Chương 3: Giảm nhiễu CCI ICIC kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn Hình 3.11 Dung lươngg̣ Cell Với băng tần vùng trung tâm Cell B1=15 Mhz Tổng dung lươngg̣ Cell FR1 là8,0728.10 (bps) Tổng dung lươngg̣ Cell FR3 là5,5310.10 (bps) Tổng dung lươngg̣ Cell FFR là8,7776e.10 (bps) Nhận xét: Dựa vào hình 3.10 ta thấy SINR kĩ thuật FFR với SINR FR1 FR3 khoảng (0-0.65Rc) (0.65Rc- Rc) Qua hình 3.10 3.11 ta thấy chất lượng tín hiệu FFR nói cải thiện so với FR1 lại so với FR3, bên cạnh dung lượng FR1 khoảng (0-0.65Rc) cao kỹ thuật lại Ri>0.65 Rc dung lượng lại thấp so với kỹ thuật lại Điều xảy vấn đề phân bổ tài nguyên tần số cho vùng truyền dẫn kỹ thuật dẫn đến việc FFR FR3 chưa sử dụng hiệu phổ tần cấp phát Đinh Văn Khang – D11VT6 79 Chương 3: Giảm nhiễu CCI ICIC kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn Tối ưu băng tần Hình 3.12 Sự phụ thuộc tổng dung lượng Cell vào băng tần vùng trung tâm Hình 3.13 Sự phụ thuộc tham số US vào băng tần Từ hình 3.12 ta thấy dung lượng tồn Cell phụ thuộc tuyến tính vào băng thơng cấp phát cho vùng trung tâm Cell Như phân tích ta tăng B1 lên, tổng dung lượng Cell tăng lên chất lượng tín hiệu người dùng biên Cell bị giảm đáng kể, ta phải dựa vào tham số US để lựa chọn băng tần phù hợp Đinh Văn Khang – D11VT6 80 Chương 3: Giảm nhiễu CCI ICIC kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn Từ hình 3.13 thấy băng tần tối ưu B1=8 Mhz Hình 3.14 cho ta nhìn trực quan hiệu ta dùng B1=8 Mhz Hình 3.14 cho ta thấy với B1=8 tổng dung lượng Cell bị giảm nhiều so với B1=12 Mhz nhiên dung lượng tín hiệu vung biên Cell lại tương đối tốt; bên cạnh với băng tần B=6 Mhz dung lượng vùng biên Cell tương đối cao tổng dung lượng Cell lại giảm đáng kể Chính B1=8 Mhz băng tần tối ưu cho vùng trung tâm Cell Hình 3.14 Dung lượng Cell với B1=6, B1=8, B1=12 Mhz Hình 3.15 So sánh FFR với FR1 FR3 với B1=8 Mhz Đinh Văn Khang – D11VT6 81 Chương 3: Giảm nhiễu CCI ICIC kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn Hình 3.15 kết so sánh tương đối mặt dung lượng áp dụng FFR so với FR1 FR3 Ta dễ dàng nhận thấy dung lượng FFR vùng biên Cell trung tâm Cell lại trùng với dung lượng FR1 FR3 tương tự tỉ lệ SINR Tổng dung lượng 9 sau tối ưu FR1, FR3 FFR 6,5254.10 ; 4,4726.10 ; 5,9264 10 (bps) Có thể thấy dung lượng FFR giảm không nhiều so với FR1 nhiên điều chưa khơng tốt FFR sử dụng 1/3 băng tần (B-B1) Có thể dung lượng giảm chất lượng người dùng biên Cell FFR chắn tốt FR1 SINR FFR đảm bảo mức tối thiểu tức máy thu có khả sử dụng tín hiệu cịn FR1 dung lượng có cao chất lượng tín hiệu giảm, điều làm ảnh hưởng đến q trình xử lí thơng tin để khôi phục lại thông tin mà người dùng cần 3.6 Kết luận chương Chương đồ án trình bày kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn hệ thống 4G LTE Vềcơ kỹthuâṭnày dưạ việc áp dụng kĩ thuật FR1 FR3 phân phối loaịtài nguyên tần số, công suất vàviêcg̣ lưạ choṇ bán kinh́ sử dungg̣ cho miền tần sốkhác Chương đồ án mô kĩ thuật FFR, FR1, FR3 đồng thời tìm tham số tối ưu cho FFR Bên cạnh thơng qua việc so sánh với kĩ thuật FR1 FR3 ta phần thấy hiệu sử dụng phổ FFR so với kĩ thuật lại Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học 82 Trong thơi gian gần va nhu cầu sư dungg̣ cua dung tăng cao đa cho đơi ưng dungg̣ ̀ ̉ lơn cung đô tg̣ rễn thấp thi viêcg̣ nghiên cưu, phat triển công nghê ́ ̀ ̃ thiết Công nghê L g̣ TE đời đa m ̃ ang laịnhiều ưu điểm vươṭ trôịso với thếhê cg̣ ũ với tốc đô g̣truyền dẫn cao, đô tg̣ rễthấp Tuy nhiên với viêcg̣ sốlương,g̣ nhu cầu người dùng ngày tăng tài nguyên tg̣ hống bi hg̣ aṇ chế(đăcg̣ biêṭlàtần số) thìviêcg̣ phân bổtài nguyên cho đảm bảo đươcg̣ chất lươngg̣ cho người dùng dung lươngg̣ g̣ thống cao địi hỏi phải cósư g̣kết hơpg̣ nhiều phương án, kỹthṭtối ưu g̣thống khác Tapg̣ âm, nhiễu làmôṭtrong yếu tốảnh hưởng nhiều đến chất lươngg̣ dicḥ vu g̣ gây nhiều khókhăn cho viêcg̣ phân phối tài ngun Chính vìvâỵ giảm tránh nhiễu làmơṭ công viêcg̣ quan trongg̣ tg̣ hống thơng tin vơ tuyến nói chung g̣thống LTE nói riêng Mơṭtrong phương pháp đa ̃đươcg̣ nghiên cứu vàtriển khai đólàviêcg̣ tái sử dungg̣ tần sốphân đoaṇ mangg̣ di đôngg̣ đa tếbào Đây làphương pháp phân chia dải tần thành dải tần (đoan)g̣ khác vàphân phối dải tần với mức công suất khác cho vùng khác đểnhằm mucg̣ đich́ đaṭđươcg̣ hiêụ suất phổcao Đồán đa t ̃ rinh̀ bày môṭkỹthuâṭtái sử dungg̣ tần sốthường găpg̣ thưcg̣ tếnghiên cứu đa đ ̃ ươcg̣ triển khai Trong đồán thìcác kỹthṭđươcg̣ đánh giátrong mơṭmangg̣ di đơngg̣ đa tếbào có kich́ thước đồng cómâṭđơ g̣người sử dungg̣ phân bốđều tếbào Trong thưcg̣ tế, kỹthuâṭtái sử dungg̣ tần sốđươcg̣ áp dungg̣ cho vùng miền khác tùy thuôcg̣ vào đăcg̣ điểm điạ lýcũng nhu cầu người sử dungg̣ Ngoài viêcg̣ áp dungg̣ kỹ thuâṭtái sửdungg̣ tần sốtrong tếbào, nhàmangg̣ áp dungg̣ thêm viêcg̣ phối hơpg̣ sư hg̣ oaṭ đôngg̣ Cell với nhau, thiết kếnhững traṃ phát sóng femto Cell cho khu vưcg̣ có yêu cầu vềlưu lươngg̣ cao khu đơng dân cư, tịa nhàlớn… Đồán đa ̃trinh̀ bày đươcg̣ vềcác kỹthuâṭtái sử dungg̣ tần số Tuy nhiên sư hg̣ aṇ chếvềmăṭkiến thức thời gian thưcg̣ hiêṇ nên đồán cịn cónhiều thiếu xót Chinh́ vìvâỵ em mong sư g̣góp ýthêm thầy vàcác baṇ để Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học 83 Code Matlab sử dụng mô Tối ưu bán kính vùng trung tâm Cell clc; clear all; %Tham So B=20e6; Bsc=15e3; Fc=2000; Rc=1000; d=40; Pt=46; Pdf=-174; Hr=1.5; Hb=50; cm=3; Nguong= 8; B1=15e6; buocnhay=1; xyzt=buocnhay/Rc:buocnhay/Rc:1; for i=1:(Rc/buocnhay) Ri=i*buocnhay; N1=B/Bsc; % Tong S1(1)=0; S1(i+1)=3.14*i*i-S1(i); % Dien tich hinh khuyen bkinh R(i-1) den Ri Nx1(i)=(S1(i+1)/(3.14*Rc*Rc))*N1;% So song mang cap phat co S(i+1) SINRx1(i)= SINR1(Pt,Pdf,Rc,d,Ri,Fc,B); Cx1(i)=Nx1(i)*DungLuong(Bsc,SINRx1(i)); C1=C1+Cx1(i) % FR3 N3=B/(3*Bsc); % Tong so song mang S3(1)=0; S3(i+1)=3.14*i*i-S3(i); % Dien tich hinh khuyen bkinh R(i-1) den Ri Nx3(i)=(S3(i+1)/(3.14*Rc*Rc))*N3;% So song mang cap phat co S(i+1) SINRx3(i)= SINR3(Pt,Pdf,Rc,d,Ri,Fc,B); Cx3(i)=Nx3(i)*DungLuong(Bsc,SINRx3(i)); C3=C3+Cx3(i) end for i=1:(Rc/buocnhay) if SINRx1(i)