(Luận văn thạc sĩ hcmute) đánh giá hiệu năng kỹ thuật sc fdma trong hệ thống lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ MAI LAN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KỸ THUẬT SC-FDMA TRONG HỆ THỐNG LTE NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ – 60520203 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016 Luan van LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ MAI LAN Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1984 Nơi sinh: Thái Bình Quê quán: Xn Hịa – Vũ Thư – Thái Bình Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Số 86, Dương Đình Hội, Phước Long B, Q.9 E-mail: thimailan_nguyen@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2006 đến 2008 Nơi học: Viện Đại học Mở Hà Nội Ngành học: Điện tử viễn thông Tên đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình điều khiển máy trộn bê tơng Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 8/2008, Viện Đại học Mở Hà Nội Người hướng dẫn: Th.S Trần Sĩ Hồng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2012-2013 ĐH Công nghiệp Tp HCM Giảng dạy 2014 đến CĐ Công Thương Tp HCM Giảng dạy i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… (Ký tên ghi rõ họ tên) ii Luan van LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy chương trình Cao học ngành Kỹ thuật điện tử - khóa 2014B, khoa Điện – Điện tử, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, người truyền đạt cho kiến thức hữu ích làm sở cho tơi thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Hồng Liên tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu chia sẻ kinh nghiệm cho thời gian thực đề tài Do thời gian có hạn kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luận văn cịn thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến góp ý Thầy/Cô bạn Tp.HCM, tháng năm 2016 Học viên thực Nguyễn Thị Mai Lan iii Luan van TĨM TẮT Tỷ số cơng suất đỉnh trung bình (PAPR) lớn nhược điểm kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Mục đích đề tài nghiên cứu so sánh PAPR hệ thống OFDM hệ thống SC-FDMA Kỹ thuật OFDM trường hợp đặc biệt điều chế đa sóng mang, phù hợp cho việc thiết kế hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ nhiễu ISI, ICI… Bên cạnh ưu điểm bật, tồn nhược điểm định Nhược điểm OFDM tỷ số cơng suất đỉnh trung bình (PAPR) lớn PAPR lớn OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại ký tự sóng mang vượt xa mức trung bình tồn sóng mang Vì vậy, để khơng làm méo tín hiệu phát, khuếch đại cơng suất phải đặt chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao Nội dung luận văn bao gồm chương trình bày vấn đề sau: Chương giới thiệu tổng quan công nghệ LTE, mục tiêu yêu cầu LTE tính quan trọng LTE Chương trình bày kỹ thuật truy nhập vô tuyến LTE số đặc tính kênh truyền Nguyên lý kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA với kiểu xếp sóng mang khác đem lại độ linh hoạt cao truyền dẫn trình bày Chương Chương phân tích đặc tính PAPR kỹ thuật SC-FDMA, lưu đồ mơ PAPR SER Sau kết mô Các kết luận hướng phát triển đề tài trình bày Chương iv Luan van ABSTRACT High Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is a major drawback of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique Objective of this paper is the study of PAPR comparison between OFDM system and SCFDMA system OFDM technique is a special case of multi-carrier modulation, suitable for the design of a system with a high transmission speed, eliminating interference ISI, ICI Besides the outstanding points, it still exist certain disadvantages The main disadvantage of OFDM is the ratio of average peak power rather large PAPR Large PAPR by using multi-carrier OFDM to transmit information, the maximum value of the characters on a carrier can far exceed the average level over the entire carrier So, in order not to distort the transmitted signal, power amplifier set to have large storage efficiency is not high The content of the thesis includes chapters presents the following issues: Chapter presents an overview of LTE technology, the objective of LTE and important features Chapter presents the radio access techniques in the LTE system and a number of characteristics of the channel Basic principles of SC-FDMA technique with different arrangement of carrier provide flexibility in the transmission, are presented in Chapter Chapter analyzes the characteristics of the PAPR in SC-FDMA technique, the flow chart for calculating the PAPR and SER Then the simulation results The conclusions and development trend themes are presented in Chapter v Luan van MỤC LỤC LÝ LỊCH CÁ NHÂN i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC HÌNH xii DANH MỤC BẢNG xiv MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Chương TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE 1.1 Tổng quan công nghệ LTE 1.1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 1.1.2 Các mục tiêu yêu cầu LTE 1.2 Các tính quan trọng LTE 1.2.1 Sơ đồ truyền dẫn 1.2.2 Lập biểu phụ thuộc kênh 10 1.2.3 Điều phối nhiễu ô 11 1.2.4 Hỗ trợ đa anten 12 vi Luan van 1.2.5 Hỗ trợ quảng bá đa phương 12 1.2.6 Thích ứng đường truyền 13 1.3 Điều chế LTE 13 Chương CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 15 2.1 Một số đặc tính kênh truyền 15 2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu 16 2.1.2 Hiệu ứng đa đường 16 2.1.3 Các loại fading 17 2.1.4 Dịch tần Doppler 17 2.1.4 Nhiễu liên ký tự (ISI) nhiễu liên sóng mang (ICI) 18 2.1.5 Nhiễu MAI LTE 18 2.2 Các kỹ thuật truy nhập LTE 19 2.2.1 Nguyên lý OFDM 19 2.2.2 Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA 25 2.2.3 Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA 27 2.2.4 Kỹ thuật đa anten 29 Chương KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA TẦN SỐ ĐƠN SÓNG MANG SC - FDMA 32 3.1 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 32 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 32 3.1.2 SC-FDMA với tạo dạng phổ 37 3.1.3 Các phương pháp xếp sóng mang 39 3.2 Biểu diễn kí hiệu SC-FDMA miền thời gian 41 3.2.1 Phương pháp IFDMA 41 3.2.2 Phương pháp LFDMA 42 vii Luan van 3.2.3 Phương pháp DFDMA 44 3.3 SC-FDMA OFDMA 46 Chương MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT SC-FDMA 49 4.1 Phân tích đặc tính PAPR SC-FDMA 49 4.2 Lưu đồ tính PAPR SC-FDMA 51 4.3 Kết mô PAPR 53 4.4 Tỉ số lỗi kí hiệu SER SC-FDMA 58 4.5 Sơ đồ khối tính SER 59 4.6 Kết mô SER 60 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 62 5.1 Kết luận 62 5.2 Hướng phát triển đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 viii Luan van DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án hợp tác hệ thứ ba Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân A AWGN B C CCDF Complementary Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy bù CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn DFDMA Distributed Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số phân tán DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDE Frequency Domain Equalization Cân miền tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform D F Đa truy nhập phân chia theo tần số Biến đổi Fourier nhanh ix Luan van  Mặc định có 16 khối FFT đầu vào  Sử dụng lọc Raised-cosine để tạo dạng xung Các thông số sử dụng mặc định cho mô lần đầu, nhiên thay đổi thơng số 4.2 Lưu đồ tính PAPR SC-FDMA Như trình bày phần lý thuyết ưu điểm lớn quan trọng hệ thống SC-FDMA so với OFDMA PAPR thấp Do hiệu suất khuếch đại công suất cao điều dẫn tới tăng vùng phủ chi phí máy đầu cuối giảm thấp Để làm rõ nhận xét luận văn thực vấn đề mô so sánh PAPR tín hiệu SC-FDMA kiểu xếp sóng mang khác với tín hiệu OFDMA Chương trình thực cơng việc sau: trước tiên ta chọn thông số đầu vào cho mơ mặc định phần trên, sau điều chế phát ngẫu nhiên khối liệu, biến đổi FFT tín hiệu, xếp sóng mang con, biến đổi IFFT, thực tạo xung lọc Raised-cosine khơng tạo xung, cuối tính PAPR tín hiệu SC-FDMA 51 Luan van Hình 4.1 Lưu đồ tính PAPR SC-FDMA 52 Luan van 4.3 Kết mô PAPR Hình 4.2 Mơ PAPR với α = 0.4 - điều chế QPSK Hình 4.3 Mơ PAPR với α = 0.4, điều chế 16QAM 53 Luan van Hình 4.4 Mơ PAPR với α = 0.4, điều chế 64QAM Hình 4.5 Mơ PAPR với α = 0.15, điều chế QPSK 54 Luan van Hình 4.6 Mơ PAPR với α = 0.15, điều chế 16QAM Hình 4.7 Mô PAPR với α = 0.15, điều chế 64QAM 55 Luan van (a) (b) 56 Luan van (c) Hình 4.8 Mơ PAPR khơng tạo dạng xung (a) QPSK, (b) 16QAM, (c) 64QAM Bảng 4.1 So sánh PAPR với xác suất nhỏ 0.1% Điều chế Kiểu IFDMA QPSK 16QAM α = α = Không α = α = 0.4 0.15 tạo 0.4 0.15 xung 5.1dB 6.4dB 0dB 6.1dB 7.6dB 64QAM Không α = α = tạo 0.4 0.15 xung 4.8dB 7.1dB 7.6dB Không tạo xung 5.5dB LFDMA 7.2dB 7.3dB 7.1dB 7.9dB 8.2dB 7.8dB 8dB DFDMA 7.5dB 7.5dB 7.1dB 8.5dB 8.4dB 7.8dB 8.5dB 8.5dB 7.9dB OFDMA 10dB 9.5dB 9.7dB 9.4dB 9.5dB 9.5dB 9.6dB 9.7dB 10dB 8.3dB 7.9dB Từ bảng 4.1 thấy tất trường hợp PAPR tín hiệu SC-FDMA ln ln thấp so với tín hiệu OFDMA IFDMA có PAPR thấp nhất, DFDMA LFDMA có mức PAPR Hơn với kiểu điều chế khác tín hiệu OFDM có PAPR thay đổi (hầu khơng 57 Luan van thay đổi) Đối với tín hiệu SC-FDMA thay đổi nhiều Điều giải thích sau: Các sóng mang OFDM điều chế phát độc lập cơng suất tức thời có dạng phân bố gần dạng hàm mũ phụ thuộc vào dạng sơ đồ điều chế Trong SC-FDMA thuộc tính ‘đơn sóng mang’ phụ thuộc lớn vào dạng điều chế Trong lược đồ xếp sóng mang, IFDMA có PAPR thấp với IFDMA kí tự sau xếp phát liên tục, liền kề nhau, cơng suất đỉnh thấp PAPR thấp, điều hoàn toàn trái ngược với hai kiểu xếp lại DFDMA LFDMA Trong trường hợp tạo dạng xung, giảm phần công suất xạ ngồi băng tức hạn chế mát cơng suất khơng cần thiết, lợi ích to lớn việc tạo dạng xung Tuy nhiên tạo dạng xung, xung bị trải rộng tương ứng với phần trăm hệ số  điều gây lãng phí tài nguyên băng thông Theo kết mô tạo dạng xung PAPR tín hiệu SC-FDMA cao so với trường hợp không tạo dạng xung Đây mâu thuẫn, cần cân trường hợp không tạo dạng xung tạo dạng xung với hệ số  hài hịa Cũng theo tạo dạng xung với hệ số  tăng lên, xạ lượng băng tăng lên tức phần cơng suất phát tín hiệu bị xạ băng tăng lên, kéo theo cơng suất đỉnh tín hiệu giảm xuống Điều dẫn tới PAPR tín hiệu giảm hệ số  tăng lên Đây lợi ích điều chỉnh PAPR với hệ số  4.4 Tỉ số lỗi kí hiệu SER SC-FDMA Để đánh giá hiệu sử dụng hệ thống vấn đề quan trọng tỷ lệ lỗi ký hiệu SER Trong phần mô phỏng, so sánh SER hệ thống SC-FDMA mà cụ thể kiểu xếp sóng mang khác IFDMA, DFDMA LFDMA với với hệ thống OFDMA với thông số giả thuyết sau:  Kiểu điều chế mặc định QPSK 58 Luan van  Tốc độ lấy mẫu: 5.10^6 mẫu/s hay 5Mhz/s  Độ dài CP = 20 mẫu, TCP = µs cấu trúc khung đường lên loại với CP bình thường Trong TFFT = 66.67µs TCP = µs  Số sóng mang mặc định 512  Băng thông truyền dẫn 5MHz  Bộ cân miền tần số MMSE  Trong kênh khơng có tượng dịch Doppler 4.5 Sơ đồ khối tính SER Hình 4.9 Lưu đồ tính SER SC-FDMA 59 Luan van 4.6 Kết mô SER Mô SER SC-FDMA OFDMA mô hình kênh cố định Hình 4.10 SER SC-FDMA OFDMA mơ hình kênh cố định Bảng 4.2 SER tín hiệu với mơ hình kênh cố định Kiểu IFDMA LFDMA DFDMA OFDMA 0.1086 0.1101 0.1090 0.1098 0.0116 0.0121 0.0120 0.0119 12 0.0001 0.0000 0.0000 0.0001 SNR SER tín hiệu kiểu xếp khác SC-FDMA OFDMA với mơ hình cố định thấp, chúng có chênh lệch không đáng kể Mô so sánh SER SC-FDMA OFDMA hai điều kiện kênh khác cho Đường chấm chấm thể SER điều kiện mơ hình 60 Luan van kênh người với vận tốc 3Km/h, đường lại cho phương tiện di chuyển với vận tốc 120 Km/h Hình 4.11 SER SC-FDMA OFDMA hai mơ hình kênh khác SC-FDMA có SER thấp OFDMA Điều giải thích SCFDMA phát ký hiệu theo thời gian OFDMA phát ký hiệu song song Do SC-FDMA có độ nhạy cảm dịch tần số thấp Kiểu xếp sóng mang IFDMA có SER cao nhiều so với kiểu xếp cịn lại Điều giải thích sau: IFDMA phát kí hiệu người dùng liên tục nhạy cảm với lỗi kí hiệu cần ảnh hưởng nhỏ chẳng hạn trễ gây lỗi SER Trong với hai kiểu xếp cịn lại Các kí hiệu người sử dụng người dùng dược phân bố trải băng thông khả chống pha đinh tốt nên khả SER thấp SER mơ hình kênh với tốc độ đầu cuối di chuyển cao cao mơ hình đầu cuối di chuyển với tốc độ thấp 61 Luan van Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Nền tảng đề tài sở lý thuyết hệ thống mạng thông tin di động Trong phần đầu, luận văn giới thiệu tổng quát công nghệ LTE Phần đề tài đề cập đến việc triển khai kỹ thuật SC-FDMA cho kênh đường lên thay cho kỹ thuật OFDMA Hơn đề tài tiếp tục trình bày cụ thể sơ đồ hệ thống, nguyên tắc hoạt động kỹ thuật SC-FDMA Cuối đề tài mô phần mềm Matlab để đánh giá chất lượng hệ thống sử dụng kỹ thuật SC-FDMA Sau mô đạt kết mô chương 4, ta nhận định chất lượng hệ thống sử dụng kỹ thuật SC-FDMA tốt so với OFDMA 5.2 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai đề tài phát triển theo số hướng như: - Nghiên cứu mơ hình LTE triển khai Việt Nam - Đưa phương pháp phân bổ công suất cho kênh đường lên kênh đường xuống mạng chuyển tiếp - Tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp thuật toán ước lượng cân kênh truyền 62 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Md Munjure Mowla, Liton Chandra Paul, Md Rabiul Hasan, "Comparative Performance Analysis of Different Modulation Techniques for PAPR Reduction of OFDM Signal," International Journal of Computer Networks and Communications (IJCNC), vol 6, no 3, pp pp.63-73, May 2014 [2] S.S.Anwar, S.L.Kotgire, S.B.Deosarker and D.E Rani, "New Improved Clipping and filtering technique algorithm for peak-to-average power ratio reduction of OFDM signals," International Journal of Computer Science and Communication, vol 3, no 1, pp 175-179, January-June 2012 [3] Md Munjure Mowla, S.M Mahmud Hasan, "PERFORMANCE IMPROVEMENT OF PAPR REDUCTION FOR OFDM SIGNAL IN LTE SYSTEM," International Journal of Wireless & Mobile Networks, vol 5, pp 35 - 47, August 2013 [4] G a Rajni, "A Comparison of Different PAPR Reduction Techniques in OFDM Using Various," International Journal of Mobile Network Communications & Telematics (IJMNCT), vol 2, no 4, pp 53-60, 2012 [5] M Jamal, B Horia, K Maria, “Study of multiple access schemes in 3GPP LTE OFDMA vs SC-FDMA”, Applied Electronics (AE), Sep 2011 [6] H G Myung and D J Goodman, “Single Carrier FDMA: A New Air Interface for Long Term Evolution”, John Wiley & Sons, Nov 2008 [7] Adachi, F., Garg, D., Takaoka, S., et al., “Broadband CDMA Techniques”, IEEE Wireless Comm., vol 12, no 2, Apr 2005, pp 8–18 [8] Fatma I.S., Tolga G., “Uplink Resource Allocation Algorithms for SingleCarrier FDMA Systems”, Department of Electrical & Electronic Engineering, TOBB University of of Economics & Technology, Ankara, Turkey, April, 2010 [9] Myung.H.G.,Lim J.,Goodman D.J., ”Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission”, IEEE Veh Tech Mag september 2006 [10] MM Rana, MS Islam, AZ Kouzani “Peak to Average Power Ratio Analysis for LTE system”: Proceedings of the Second International Conference on 63 Luan van Communication Software and Networks, IEEE Computer Society Press, Singapore, pp 516-520, 2010 [11] S H Han, and J H Lee, ”An overview of peak to average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission”, IEEE Wireless Communications, April 2005 [12] M Wang, Z Zhong, Q Liu, “Resource allocation for SC-FDMA in LTE uplink” Service Operations, Logistics, and Informatics (SOLI), IEEE Internation Conference on, July 2011 [13] G Chen, Y Zhu, KB Letaief, “Combined MMSE-FDE and interference cancellation for uplink SC-FDMA with carrier frequency offsets”, Communications (ICC), IEEE Internation Conference on, May 2010 [14] P Li, Y Zhu, Z Wang, N Wang, “Peak-to-average power ratio of SCFDMA systems with localized subcarrier mapping”, IEEE Mobile Congress (GMC), Oct 2010 [15] C Ciochina, H Sari, “A review of OFDMA and single-carrier FDMA”, IEEE Wireless Conference (EW), 2010 European [16] CA Azurdia-Meza, K Lee, K Lee, “PAPR reduction in SC-FDMA by pulse shaping using parametric linear combination pulses”, IEEE Communications Letters, Nov 2012 64 Luan van S K L 0 Luan van ... lại kỹ thuật OFDM/ OFDMA, làm rõ ưu điểm nhược điểm kỹ thuật này; từ trình bày chi tiết kỹ thuật SC- FDMA, thể rõ ưu điểm kỹ thuật SC- FDMA so với OFDMA, đồng thời phân tích đánh giá chất lượng hệ. .. thi hệ thống SC- FDMA so với OFDMA dẫn tới việc phân phối tài nguyên hệ thống bị thay đổi Trong báo [10] phân tích thơng số PAPR hệ thống 3GPP LTE sử dụng mạch lọc Raise cosine để đánh giá hiệu kỹ. .. truyền dẫn SC- FDMA 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống SC- FDMA SC- FDMA: + OFDMA : Hình 3.1 Cấu trúc phát thu SC- FDMA Trong đó: Xp: Kí hiệu số liệu thứ p (p = 0, 1, 2, …, P-1) khối số liệu đầu vào SC- FDMA Xn: