Đang tải... (xem toàn văn)
1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC BÁO CÁO MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG Đề tài Kỹ thuật MIMO trong mạng 4G LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian dựa trên Turbo C.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC BÁO CÁO MƠN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Đề tài: Kỹ thuật MIMO mạng 4G LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian dựa Turbo Coding, 16-QAM, OFDM CRC Giảng viên: TS Lê Hải Châu Học viên: Nguyễn Văn Công Hoàng Văn Đăng Bouasone Khambouavong Lớp: Hà Nội, 03/2021 M20CQTE02-B Mục Lục I TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE Giới thiệu Mục tiêu Thông số vật lý hệ thống LTE II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO Hệ thống MIMO Ghép kênh không gian Mơ hình kênh vơ tuyến 3.1 Kênh AWGN 3.2 Kênh Fading Rayleigh 10 Turbo coding 13 4.1 Turbo encoder 13 4.2 Trellis termination 13 III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 14 Mô hình lớp vật lý LTE Matlab 14 Chi tiết khối 15 Mô kết 19 3.1 Giản đồ chòm phân bố điểm cách rời rạc theo thời gian tín hiệu điều chế phía thu phía phát 19 3.2 Phổ tín hiệu phía thu phía phát 21 Kết luận 23 Đề xuất 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 I TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE Giới thiệu LTE hệ mạng di dộng thứ tư chuẩn UMTS 3GPP phát triển UMTS hệ thứ ba dựa WCDMA triển khai tồn giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11/2004 3GPP bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt băng tần có băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với giao tiếp mở giảm đáng kể lượng tiêu thụ thiết bị đầu cuối Chuẩn LTE nhắm mục tiêu tốc độ liệu cao hơn, hiệu sử dụng phổ cao hơn, độ trễ thấp hơn, băng thơng kênh linh hoạt chi phí hệ thống so với người tiền nhiệm LTE coi mở hệ thứ tư (4G) thông tin di động Nó gọi đa phương tiện di động, lúc, nơi, với hỗ trợ di động tồn cầu, Giải pháp khơng dây tích hợp Dịch vụ cá nhân tùy chỉnh LTE sẽdựa giao thức internet (IP), cung cấp thông lượng cao hơn, băng thông rộng bàn giao tốt đảm bảo dịch vụ liền mạch khu vực bảo hiểm với hỗ trợ đa phương tiện Các đặc tính LTE Hoạt động băng tần: 700 MHz-2,6 GHz Tốc độ DL: 100 Mbps (ở BW 20 MHz) Tốc độ UL: 50 Mbps với anten thu anten phát Độ trễ: nhỏ ms Độ rộng BW linh hoạt:1,4 MHz; MHz; MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz Hỗtrợ trường hợp độ dài băng lên băng xuống không Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu 0-15 km/h hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, lên đ ến 500 km/h tùy băng tần Phổ tần số: Hoạt động chế độ FDD TDD Độ phủ sóng từ 5-100 km Dung lượng 200 user/cell băng tần MHz Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS VoIP đảm bảo chất lượng âm tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS Liên kết mạng: Khả liên kết với hệ thống UTRAN/GERAN có hệ thống khơng thuộc 3GPP đảm bảo Thời gian trễ việc truyền tải EUTRAN UTRAN/GERAN nhỏ 300 ms cho dịch vụ thời gian thực 500 ms cho dịch vụ cịn lại Chi phí: chi phí triển khai vận hành giảm Mạng LTE hoạt động dải tần sử dụng 3GPP Nó bao gồm băng tần lõi IMT-2000 (1.9-2 GHz) dải mở rộng (2.5 GHz), 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz) … Băng tần định MHz định nghĩa IUT phù hợp với dịch vụ IMT băng tần lớn 5MHz sử dụng cho dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt băng tần LTE cho phép nhà sản xuất phát triển LTE băng tần tồn họ Mục tiêu Mục tiêu thiết kế LTE yêu cầu cho LTE chia thành phần khác sau: • Tiềm dung lượng • Hiệu suất hệ thống • Các vấn đề liên quan đến việc triển khai • Kiến trúc dịch chuyển (migration) • Quản lí tài ngun vơ tuyến • Độ phức tạp • Những vấn đề chung -Bắt đầu dịch vụ dựa -cơ sở hạ tầng dịch vụ khả -triển khai nhanh dịch vụ - Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao chất -kết nối chuyển giao linh hoạt lượng tính mạng nhiều hệ thống truy nhập -tốc độ truyền dẫn -100Mb/s(tốc độ cao môi trường di động).1Gb/s (tốc độ tối đa môi trường nhà) -dung lượng hệ thống -gấp 10 lần hệ thống 3G -chi phí -1/10 đến 1/100 bit truyền -Thời gian trễ -50ms tối ưu Thông số vật lý hệ thống LTE Bảng 1: Các thơng số lớp vật lí LTE Tốc độ đỉnh LTE theo lớp sau: Bảng 2: Tốc độ đỉnh LTE theo lớp Chuẩn 4G LTE LTE Advanced nay: Hình 1: Chuẩn tiến tới 4G II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO Hệ thống MIMO Truyền thông không dây trải qua thay đổi đáng kể năm gần Ngày có nhiều người sử dụng dịch vụ truyền thơng đại, tăng nhu cầu khả truyền tải nhiều Do băng thông nguồn tài nguyên hạn chế, nên nhu cầu công suất truyền tải cao phải đáp ứng cách sử dụng tốt băng tần số điều kiện kênh Một đột phá kỹ thuật gần đây, có khả cung cấp tốc độ liệu cần thiết, việc sử dụng nhiều anten hai đầu kết nối Các hệ thống gọi hệ thống không dây đa đầu vào đa đầu (MIMO) Các hệ thống MIMO có khả đạt thơng lượng cao mà không tăng bang thông công suất truyền Rõ ràng hệ thống MIMO đạt độ lợi tốc độ truyền độ tin cậy kèm theo chi phí tính tốn cao May mắn thay, mạch tích hợp với cơng suất tính tốn cao đời đáp ứng yêu cầu thực thuật tốn xử lý tín hiệu cần thiết Có hai độ lợi thu hệ thống MIMO Chúng gọi độ lợi phân tập (diversity gain) độ lợi hợp kênh không gian (spatial multiplexing gain) Hình 2: Kênh MIMO với NT anten phát N R anten thu Ưu điểm Với tất đặc tính kể ta kết luận vắn tắt ưu điểm hệ MIMO sau: - Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền tăng tốc độ liệu - Tăng cường khả chống Fading chí phần khai thác - Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng điều khiển hướng phát xạ không máy phát thu) Nhược điểm - Chi phí giá thành cho thiết bị cao (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát, phải dùng vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…) Ghép kênh không gian Ghép kênh không gian hình thức MIMO sử dụng để cung cấp dung lượng liệu bổ sung cách sử dụng đường khác để thực lưu lượng bổ sung, tức tăng khả thông lượng liệu Như kết việc sử dụng nhiều anten, cơng nghệ khơng dây MIMO tăng đáng kể lực kênh định tuân theo pháp luật Shannon Bằng cách tăng số lượng nhận truyền anten tăng tuyến tính thông lượng kênh với cặp ăng ten bổ sung vào hệ thống Điều làm cho công nghệ không dây MIMO kỹ thuật không dây quan trọng sử dụng năm gần Khi băng thông phổ trở thành mặt hàng có giá trị hết cho hệ thống thông tin vô tuyến, kỹ thuật cần thiết để sử dụng băng thông hiệu Công nghệ không dây MIMO kỹ thuật Mơ hình kênh vơ tuyến 3.1 Kênh AWGN Kênh AWGN kênh chứa ồn (hay nhiễu) trắng cộng tính, khơng chịu tác động tượng ảnh hưởng kênh đa đường, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler … mà chịu ảnh hưởng suy hao đường theo khoảng cách có tapdelay khơng đổi Nhiễu trắng loại nhiễu phổ biến hệ thống truyền dẫn Nhiễu trắng (có hàm ý theo tính chất quang ánh sáng trắng ánh sáng chứa tất màu dải nhìn thấy) nhiễu dải rộng có mật độ phổ cơng suất phẳng (mật độ phổ cơng suất khơng đổi tồn tiến trình), nghĩa tín hiệu nhiễu có cơng suất tồn khoảng băng thơng Hàm mật độ xác suất theo phân bố GAUSS theo phương thức tác động có tính chất cộng tính nên gọi nhiễu Gaussian trắng cộng tính Hầu hết loại nhiễu hệ thống thông tin vô tuyến chứa nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) với miền thời gian Đó máy thu hoạt động sinh nhiệt lượng chuyển động nhiệt hạt mang điện gây loại nhiễu trắng tiêu biểu có phân bố Gauss tác động cộng với tín hiệu thu kênh Đặc biệt, số sóng mang phụ lớn hầu hết Thành phần nhiễu khác gọi nhiễu Gaussian trắng cộng tác động kênh xét kênh riêng lẻ đặc điểm loại nhiễu thỏa mãn điều kiện nhiễu Gaussian trắng cộng Như tín hiệu truyền qua kênh phải thêm vào tín hiệu ngẫu nhiên khơng mong muốn gọi nhiễu AWGN với trung bình a, phương sai có phân bố mật độ xác suất xác định bởi: P(x) = ( e ( x )2 2 ) Với mµ µ giá trị trung bình phương sai kỳ vọng µ Hàm mật độ phổ xác suất nhiễu Gaussian trình bày hình: Hình 3: Hàm mật độ phổ cơng suất nhiễu Gauss Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu thu (SNR) tỉ số công suất nhận công suất nhiễu băng thông tín hiệu phát Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR thường mơ tả theo lượng tín hiệu bit Eb hay kí tự Es SNR = E E Pr = s = b với Ts thời gian kí tự cịn Tb thời gian bit (với điều N B N BTs N BTb chế nhị phân Ts = Tb Es = Eb ) Cho xung liệu 1/B, xung “rised cosine” với B Ts = 1, có SNR = Es / N với tín hiệu nhiều mức SNR = Es / N với tin hiệu nhị phân 3.2 Kênh Fading Rayleigh Kênh Fading Rayleight kênh chịu tác động tất tượng ảnh hưởng kênh đa đường, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler, ảnh hưởng suy hao đường theo khoảng cách có tap-delay thay đổi ngẫu nhiên Kênh Fading Rayleight tác động trực tiếp vào tín hiệu (nhân với tín hiệu khơng phải cơng với tín hiệu) Fading tượng tín hiệu thu bị “méo” cách bất thường xảy hệ thống vô tuyến tác động môi trường truyền dẫn Các loại fading chia ra: • Fading phẳng • Fading chọn lọc tần số • Fading nhanh • Fading chậm Chúng phân loại theo chu kỳ tín hiệu băng thơng tín hiệu dải sau: 10 Hình 4: Phân loại Fading theo chu kỳ băng thông Trong hệ thống vô tuyến di động, tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu qua nhiều đường phản xạ - tượng gọi truyền sóng đa đường Hiệu ứng gây thay đổi ngẫu nhiên biên độ, pha góc tới tín hiệu thu được, gọi Fading đa đường Giả sử hệ thống không gianthời gian bao gồm K người sử dụng, người sử dụng phát tín hiệu kênh đa đuờng rời rạc độc lập với đường truyền L tới máy thu, tín hiệu có biên độ, pha hướng tới riêng Phân bố tham số phụ thuộc vào loại môi trường thông tin di động Hướng tới phụ thuộc vào ba thành phần khác là: Tán xạ đầu cuối di động (hiện tượng nhiễu xạ thường bị ảnh hưởng tốc độ di động) Tán xạ trạm gốc Các vật tán xạ xa Loại tán xạ xuất môi trường thành thị nông thôn vật thể có cấu trúc lớn núi đồi, tồ nhà, có ảnh hưởng định tới kênh thông tin di động kể vật tán xạ xa so với trạm gốc máy di động Nếu vật tán xạ nằm tầm nhìn thẳng trạm gốc máy di động chúng có vai trò giống vật phản xạ rời rạc vật phản xạ tập trung theo nhóm Khi 11 vật phản xạ nhóm lại, ăn ten trạm gốc máy di động xem thành phần tán xạ điểm điểm nêu Ta thấy rằng, mơ hình phân bố mơi trường tán xạ chiếm vai trị quan trọng việc thiết kế hệ thống Nhiều mơ hình phân bố môi trường tán xạ khác đề xuất, với thuộc tính độ xác khác Một số mơ hình phát triển cho thực tế, cịn hầu hết mơ hình khác có xu hướng phục vụ cho mục đích mơ Hàm truyền đạt kênh thực chất trình xác suất phụ thuộc thời gian tần số Biên độ hàm truyền đạt kênh tần số định tuân theo phân bố Rayleigh điều kiện môi trường truyền dẫn thõa mãn: Môi trường truyền dẫn bao gồm tuyến trang tầm nhìn thẳng (LOS) lẫn tuyến tầm che khuất (NLOS), có nghĩa khơng có tuyến có cơng suất tín hiệu vượt trội Tín hiệu máy thu nhận từ vô số hướng phản xạ nhiễu xạ khác (đa đường) Hình 5: Rayleigh Fading 12 Turbo coding 4.1 Turbo encoder Sơ đồ mã hóa turbo Mã hợp lệ ghép song song (PCCC) với hai thành phần trạng thái mã hóa xen kẽ mã turbo bên Tỷ lệ mã hóa mã hóa turbo 1/3 Cấu trúc turbo mã hóa thể sau: Hình 6: Cấu trúc mã hóa turbo tỷ lệ 1/3 (các đường nét đứt áp dụng cho trellis termination) 4.2 Trellis termination Kết thúc trellis thực cách lấy bit đuôi từ phản hồi ghi dịch chuyển sau tất bit thông tin được mã hóa Các bit đệm sau mã hóa bit thơng tin Ba bit sử dụng để kết thúc mã hóa thành phần (cơng tắc phía hình 5.1.3-2 phía vị trí) mã hóa thành phần thứ hai bị tắt Ba bit đuôi cuối sử dụng để kết thúc thứ hai mã hóa cấu thành (cơng tắc hình 5.1.3-2 vị trí thấp hơn) mã hóa cấu thành bị tắt Các bit truyền để kết thúc lưới sau là: 13 III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB Mơ hình lớp vật lý LTE Matlab Hình + 8: Tổng quan xử lý kênh vật lý đường xuống 14 Chi tiết khối Hình 9: Sơ đồ tổng quan Hình 10: Đa kênh nhiễu AWGN 15 Hình 11: Khối phát LTE Hình 12: Khối thu LTE Hình 13: BER 16 Hình 14: Turbo code Chức khối: Máy phát nhị phân Bernoulli: Khối phát nhị phân Bernoulli tạo số nhị phân ngẫu nhiên sử dụng phân phối Bernoulli Phân phối Bernoulli với thông số p với xác suất p với xác suất 1-p Khối phát số nguyên ngẫu nhiên (Random enteger generator): Khối phát số nguyên ngẫu nhiên phân bố khoảng [0, M-1].M số mức tín hiệu QAM điều chế, M=256 Khối điều chế 16-QAM: Điều chế tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp điều chế biên độ xung vuông Lối vào bit số nguyên Khối kênh nhiễu cộng tính AWGN: Khối AWGN cộng nhiễu trắng Gauss vào tín hiệu lối vào Tín hiệu lối vào tín hiệu lối số phức số thực Khối giải điều chế QAM: Giải điều chế tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp điều chế biên độ xung vuông Là tập hợp số nguyên từ 0->255 17 Bộ tính tốn thống kê lỗi (error…): Khối dùng để tính tốn tỷ lệ lỗi bit tỷ lệ lỗi symbol liệu lối vào Tốc độ lỗi liệu thu xác định = độ trễ liệu truyền Khối có cổng lối vào: Tx Rx, Tx cho tín hiệu truyền đi, Rx cho tín hiệu nhận đựợc Khối hiển thị: Khối hiển thị giá trị lối vào Khối cho ta thấy tỷ lệ lỗi bit ký tự, tổng số lỗi tổng số ký tự Giản đồ chòm sao: Hiển thị thành phần pha vuông pha tín hiệu điều chế Giản đồ chịm mô tả phân bố điểm cách rời rạc theo thời gian tín hiệu điều chế, thể đặc điểm dạng xung méo tín hiệu Thiết lập thông số: Máy phát nhị phân Bernoulli: M-arynumber = Initial seed = 61; Probability of a zero = 0.5; sample time = Tích chọn Frame-based outputs; Samples per frame = 20; Output data type = Boolean Khối General QAM Modulator Baseband: M-ary number = 16; Input type = Bit; Constellation ordering = Gray; Average power, referenced to ohm (watts) = 0.5; Phase offset (rad) = 0; Output data type = double Signal constellation = exp(2*pi*i*[0:7]/8)] Khối AWGN channel : Chế độ : SNR, SNR : 10 ; Initial Seed = 32965 : khởi tạo giá trị ban đầu cho tạo nhiễu Gauss Mode: xác định biến nhiễu với tín hiệu lối vào Input signal power(watts): công suất ký hiệu lối vào Eb/No) hay mẫu (nếu chọn SNR) Symbol period (s): khoảng thời gian tồn ký tự tính theo giây Trường xuất chế độ Eb/No hay Es/No thiết lập Khối Multipath Rayleigh Fading Channel: Mximum Doppler shift (Hz) = 40; Tích chọn: Normalize gain vector to dB overall gain; Initial seed = 73 Các thông số khác để mặc định Khối CRC-N Syndronme: CRC method = CRC-24; Initial states = 0; Checksum per frame = 18 Khối QAM Scatter Plot Scope: Sample per symbol = 8; Offset(samples)=0; Points displayed=40; New points per display = 10 Mô kết 3.1 Giản đồ chòm phân bố điểm cách rời rạc theo thời gian tín hiệu điều chế phía thu phía phát 3.1.1 Phía phát 19 3.1.2 Phía thu 20 ... (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát, phải dùng vi xử lý đặc biệt chuyên dụng? ??) Ghép kênh khơng gian Ghép kênh khơng gian hình thức MIMO sử dụng để cung cấp dung lượng liệu bổ sung cách sử dụng. .. thiết để sử dụng băng thông hiệu Công nghệ không dây MIMO kỹ thuật Mơ hình kênh vơ tuyến 3.1 Kênh AWGN Kênh AWGN kênh chứa ồn (hay nhiễu) trắng cộng tính, không chịu tác động tượng ảnh hưởng kênh. .. sung vào hệ thống Điều làm cho công nghệ không dây MIMO kỹ thuật không dây quan trọng sử dụng năm gần Khi băng thông phổ trở thành mặt hàng có giá trị hết cho hệ thống thông tin vô tuyến, kỹ thuật