Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- Trần Quang HàoNGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA KHÔNG GIAN – THỜI GIAN CHO MẠNG DI ĐỘNG 4G Chuyên ngành : Kỹ th
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
Trần Quang Hào
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG PHÁP
MÃ HÓA KHÔNG GIAN – THỜI GIAN
CHO MẠNG DI ĐỘNG 4G
Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
Hà Nội – 2013
Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131848571000000
Trang 21
M c l c
DANH SÁCH T VIT TT 3
DANH MC HÌNH V 5
DANH MC BNG BI U 7
LU 8
NG V C A KÊNH TRUY N VÔ TUY NG 10
1.1 Gii thiu 10
1.1.1 Mô hình thh ng thu phát vô tuy n 11
1.2 Nhng thách thc ca kênh vô tuyng 13
1.2.1 ng truy n 13
1.2.2 Hi u ng che khu t 16
1.2.3 Fading 17
1.3 19
1.3.1 Mô hình MIMO 19
1.3.1 20
1.3.2 Phân t p 23
I GIAN 31
2.1 Mã khi không gian thi gian (STBC) 31
2.1.1 Alamouti 32
2.1.2 Gii mã Maximum Likelihood 33
2.1.3 36
2.2 i không gian thi gian (STTC) 42
2.2.1 42
2.2.2 Thit k t mã không - thi gian 47
2.2.3 Mã hóa/gii mã STTC trong các kênh fading ph ng 49
2.3 Mã lp không gian thi gian (V-Blast) 52
2.3.1 Kin trúc V-BLAST 52
Trang 32
2.3.2 B thu V-Blast Zero-Forcing 54
2.3.3 B thu V-Blast Minimum Mean-Squared Error 62
C: KIN TRÚC H THNG VÀ THAM S KÊNH TRUY N 4G LTE -NG XU NG 68
3.1 T ng quan 4G- LTE 68
3.1.1 Gii thi u v công ngh LTE 68
3.1.2 Nhm ni bt ca mng 4G-LTE 72
3.2 Kin trúc h ng 4G- th ng xu ng 73
3.3 Các tham s h ng 76 th 3.4 Tham s kênh truy n 76
3.5 K thung xu ng OFDMA 77
3.5.1 K thu t p phân chia theo t n s trc giao OFDMA 77
3.5.2 n c a công ngh OFDMA 81
3.5.3 m c a công ngh OFDMA 83
T QU MÔ PH NG VÀ 84
4.1 h th c s d ng 85
4.2 Các chu d ng trong h ng 86 th 4.2.1 nh d ng khung d u 86 li 4.2.2 C u trúc khe d u( Slot) 87 li 4.2.3 Tín hiu quy chi u( cell-specific reference signal) 88
4.3 Kt qu mô ph ng 89
KT LUN 94
Trang 43
1 MIMO Multiple Input Multiple Output thu
2 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo
3 LTE Long Term Evolution
4 4G The fourth Generation of mobile communication
5 GSM Global System for Mobile communications
6 CDMA Code Division Multiple Access theo mã
7 STBC Space Time Block Code
-8 STTC Space Time Trellis Code Trellis
9 SFBC Space Frequency Block Code -
10 STMLD Space-Time Maximum Likelyhood Decoder
11 PAPR Peak to Average Power Ratio trung bình
12 AWGN Additive White Gaussian Noise
14 RMS Root Mean Square
15 CSI Information of the Channel State kênh
Trang 54
16 DFT Discrete Fourier Transform
17 FCF Frequency Correlation Function
18 CCF Cross Corelation Function quan chéo
19 FFT Fast Fourier Transform
21 ICI Inter-carrier Interference
22 IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
23 IFFT Inverse Fast Fourier Transform
24 V-BLAST Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time gian
25 SINR Signal to Interference plus Noise Ratio
Trang 65
t N anten phát và Nr anten thu 20
Hình 2.4:
- -PSK
-BLAST
Hình 2.11 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 59
Hình 2.12 Máy thu V-BLAST MMSE 66
pilot
Trang 7-6
s và du khác nhau 92
Trang 87
3
3
Trang 9Nh ng nghiên c u v lý thuy t thông tin cho thy h th ng nhi u anten thu phát (MIMO) k t h p v i k thu t OFDM cho l i
l n v ng kênh vô tuy c t o v i nhi u ph n t anten hai
u kênh truy n Mã không gian th i gian là k thu t x lý tín hi u nh m m t
ng t t nh t cho h th ng MIMO
Công ngh c nghiên c u chu n hóa c a t chc 3GPP2 t u
nhc chu n hóa công nh n r ng rãi trên toàn th gi i
v i chu n LTE và LTE Advanced theo nhi u phiên b n khác nhau Các nhà phát hành
-Sau nh ng c g ng n l c h c h i, nghiên c u, lu c nh ng k t
qu u v vi c s d ng t o kênh MIMO v i tham s kênh
Trang 109
LTE, cùng v t qu mô ph ng phân tích t l l i ký t (SER), sai s kênh truy n (MSE) cho h thng 4G-LTE trong vi c s d ng các b l ng kênh truy n khác nhau, t n ngh ng d ng cho h ng th
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn ớV i th i gian và ki n th c ờ ế ứcòn h n hạ ẹp nên đồ án không tránh kh i t n t i nhi u thi u sót Tôi mong s ỏ ồ ạ ề ế ẽ nhận đượ ực s ch b o, góp ý c a th y cô và các b n phát tri n tài này t t ỉ ả ủ ầ ạ để ể đề ố hơn nữa
Trang 121.1.1 Mô hình h th ng thu phát vô tuy n
T t c các h ng thông tin s u có th mô hình hóa thành m th khi
1.1) Ngay c v i các h th ng m ng không dây ph c t p, toàn b h th ng
có th chia thành các kh i liên k t v i nhau bao g m kh i phát, kênh truy n và kh i bên thu
Trang 13 có th s c l i bên nh n B u ch chu n b tín hi u d ng s cho kênh
vô tuyu khi n Tín hi u s u ch c chuy n thành các d ng
qua b bi i s (DACc chuy
t n sóng vô tuy n ( ) Tín hi u RF RF c b c x n t qua anten thích hp
bên thu th c hi c l i v i bên phát Sau khi chuy n các sóng
vô tuy n ( ) xu ng t n s ch h p và l c ra tín hi u các t RF thí n s khác nhau, tín hi u
c chuy n thành tín hi u s b i b chuy thành s (ADC) Tín hi u s này có th c giu ch và gi i mã b i m t m ch s tích h p
có th khôi ph c l i d ng
Ma ph n này là gi i thích nh ng y u t n ng ti tín hi c trong h ng vô tuy n và làm th th có th mô hình hóa s
d ng t p các tham s Giá tr i c a các tham s này s c chi ti t hóa trong
b ng ( 1.1 i, chúng ta s nh c t t c các
Trang 1413
m khác nhau khi thi t k m t h th ng thông tin vô tuy ng th i trong ph n này, chúng ta s gi i thi u mô hình kênh truy n t ng quát và th o lu n v kh
r ng mà n mô hình
S u tiên và rõ nh n ra nh t gi a kênh truy n vô tuy n và h u tuy l n c a công su n bên nh n là bao nhiêu Gi thit chúng ta s d ng
m ng c a tín hi u truy i d ng các m t c u song song nhau, vì v ng nhc anten v i kho ng cách d
s t l ngh ch v i di n tích c a m t c u 4 d2 Theo công th c t n hao trong không gian t do, ho c công thc Friis, công su t bên nh
2
2
4 d
GGP
t r
( ) 1.1
Pr và Pt lt là công su t c và công su t phát ra, và là
c sóng Xét v i mô hình TDL cPr/Pt là giá tr trung bình c a
l Pr/Pt = E||h|| 2 hi n cho giá tr mong mu n,
c Nc s d ng bên phát hay bên thu, s
l i Gt hay Grc, và công su t bên máy thu s
M t khác ta l i có c fc c/fcy công su t nh c s t l ngh ch
v n s sóng mang M t khác, v i cùng m t công su t phát, kho ng cách truy n tin s gi m khi s d ng t n s t y u t quan trong có h ng thông tin t th cao, b i vì mu n thì t n s phi cao
Trang 1514
ng truy n sóng m t không ph i là không gian t do Nó là s
ph n x t m t ho c các v t th khác s t nhc b i vì có nhin bên thu Tuy nhiên, b i vì sóng ph n x ng b d ch pha 1800, s
ph n x kho i xa (vài ) nên t o ra các nhikm trình x p x c s d ng tính toán tng truyn là:
4
2 2
d
hhGGP
Trang 16và ch y u, kho c l i theo d-4 suy
ng ph thu c nhi ng cách trong h th ng m gian t do
có m t cái nhìn t ng truy n, mô hình th c nghi m
c tri n khai s d ng các s li u th c t M t trong nh ng công th c suy hao t ng
Trang 1716
Trong công th c ( ) có thêm ba thành ph n là 1.3 P0, d0 và 0 là công su t suy
c trên kho ng cách tham chi u là d 0 c ch n là Trên th 1m c
t , P0 c l y x p x là m t vài là s dB c cho trong bng trên
y, mô hình suy hao c g ng thi t l p m i quan h gi a công sut bên thu và bên phát theo kho ng cách Tuy nhiên, r t nhi u các y u t khác ngoài kho ng cách có th ng l n t i t ng công su t u bên thu Ví d i
và các tòa nhà a bên phát và bên thu có th gây ra s suy gigi m tm th l n ca tín hi u bên nh n Khi mô hình hóa s xu t hi n c ng v t ch n trong môi
ng truy giá s i c tín hic gi i thi u là hi u i ng u nhiên g i
là s che khu t V i hi u ng che khu t, công th ng truy n th c t là:
Giá tr hi u ng che khu t tiêu bin s ngu nhiên loga chu
Trang 18N là phân b Gaussian v i giá tr trung bình là và b c t do là 0 2s
V i công th l ch chu n s là dB Giá tr s nm trong di 6-12dB Hiu ng che khu t là m t hi u ng quan tr ng trong m ng vô tuy n
b i vì nó gây ra SINR bên thu bii theo th i gian dài m t s t bào, hi u ng này gây ra vi c thông tin t cao v tin cm b o Vi c thi t k h thm thu phát ph i tuân theo hi u ng che khu t loga chu n qua phân t p t n thiên theo công su t phát
Hình 1.3: Hi u ng che khu ng truy n tín hi u Xét trong vùng có ph m vi nh thì hi ng truy n và che chn là không và có giá tr cho phép mà không làm n chng tín hiu thu t i máy thu
1.2.3 Fading
M t trong nh ng y u t ng c a kênh vô tuy n là fading Không gi ng
ng truy n ho c hi u ng che khu t, gây ra s suy hao t l l n do kho ng cách ho c các v t c n, fading là do bên phía tr m thu nh c r t nhi u
Trang 1918
phiên b n khác nhau c a cùng m t tín hi u Các m u tín hi n bên thu là
do ng ca vic ph n x , tán x i là hi u ng
Khi m t s ph n x n g n nhau, hi u ng k t h tia i
Ph thu c vào s sai khác v pha gi a các tín hi n, nhi u có th
ho c suy gi u này gây ra s sai khác r t l n v c a tín hi u nh c
cho dù kho ng cách là ng n M t khác, khi di chuy n tr m phát và tr m thu m t
kho ng khá ng n thì có th ng r t l n v c a tín hi u nh c, ngay
kh ng truy n và hi u ng che khu t có th i
ng xem xét này, chúng ta s d ng mô hình kênh truy
h[k,t]=h0 1 - v -v,t] Khi tr m phát và tr m thu
có s d ch chuy ng kênh truyn h(t) s ng kênh
truy n này có th c xem xét ph thuc 2 bi n: m t bi n tr là và m t bi n th i
gian t1.4) Vì kênh truyi theo kho ng cách và th i gian, các giá
tr c a h0,h1 v có th hoàn toàn khác thm t và thm B i v kênh
truy n bi n thiên theo c và , chúng ta ph i s d ng t tho
lung kênh truy n là gì
Trang 201,t1)h* 2,t2)]
1,t1)h* 2
u tiên, chúng ta gi thi t r ng kênh truy
nhau c th hai, chúng ta gi thi t r ng kênh truy n c a tín hi n
thi gian khác nhau, 1 và 2
T R R
R
T T
N N
nn
x
xx
hh
h
hh
h
hh
h
y
yy
1 2
1
2 1
2 22
21
1 12
11 2
1
(1.7)
Trang 211(
log
2 2 2
N
n
n n n
PB
Trang 2221
) , 0 ( 2 1
H hay HH
0)(HH nINR y y0R x 1) (1.12a)
n
Trang 2322
0)(HH nINT y y0T x 1) (1.12b)
0)(WnIN y y0 (1.13)
T R H
NNHH
NNHHW
,
nxUDVn
Hx
Nhân H
nUxUDVUy
~y UH y,~xVHx,~nUHn,
nxD
Trang 2423
1.3.2 Phân t p
1.3.2.1 Phân t p t n s ậ ầ ố
Trong phân t p t n s , m t vài t n s phát cùng m t tín hi u Các
t n s c n cách nhau m t kho ng l t h t o pha- c l p
t h p s khác nhau v ng khác nhau Trong nh ng h truyng, nh ng b n sao tín hi i dtha trong mi n t n s b ng tín hi u tr i ph Các k thu t tr i ph s hi u qu khi
t h p c a kênh là nh t h p c a kênh l n
d i thông tin tín hi u tr i ph , tr i tr ng s nh so v i chu k ký hi u (kênh
phng h p này, tr i ph s không h u hi u trong vi c phân t p t n s
p th i gian, phân t p t n s làm hi u su t ph a trong mi n t n s
1.3.2.2 Phân t p th i gian ậ ờ
Phân t p th i gian có th c b ng cách phát nh ng m u tín hi u gi ng nhau trong các khe th i gian khác nhau, k t qu c các tín hi u pha-
u thu Yêu c u c ng th i gian gi a các l n phát b n sao ph i ít nh t b ng th i gian k t h p c a kênh Trong truy ng,
mã sc k t h p v i b xáo tr c phân t p th ng
h p này, nh ng b n sao c a tín hi i i dtha trong mi n th i gian b ng b mã s a sai Kho ng th i gian tách bi t gi a các b n sao c a tín hi c t o ra b ng b xáo tr c pha- c l p t i l i vào c a b gi i mã Vì th i gian xáo tr n d n t i gi i mã tr , k thung rt
hi u qu v ng pha- di chuy n l n) khi mà th i gian k t
h p là nh V i kênh pha- m, m t b xáo tr n l n có th d n t i tr r t l n và không th dùng cho nh ng ng d ng th i gian th
Trang 2524
v y, phân t p th i gian không th giúp gi c suy hao pha-m
o ra s a mi n th
1.3.2.3 Phân t p không gian ậ
Phân t p không gian là k thu t ph bi n trong truy n thông không dây và còn
g i là phân t p anten K thu t này s d ng nhi u anten hay nh ng anten s p x p cùng
truyn nh n tín hi u Nh t cách nhau m t kho ng thích h các tín hi u trên t quan Kho ng cách này
ng lan truy n t n s ng thì kho ng cách này
b ng m c nh ng tín hi phân t p không gian, nh ng b n sao tín hi c g i t i m i
da trong mip th i gian và phân t p t n s , phân t p không gian không làm suy gi m hay m t mát v hi u su t ph Tính ch t này cho th thu t thích h p v i s phát tri n công ngh truy n thông vô tuy n
t d li
Mm l n c a phân t p không gian là khi các anten có kho ng cách thích
h p thì h ng có th th c ph n l n hi ng suy gi m sâu ( deep fades )
L i ích này có th c mà không c n s d ng t truy n Ngoài ra, h thm khác:
-
-
-
-
Trang 2625
a Phân t p thu
D ng ph bi n nh t c a phân t p không gian chính là phân t ng s
d ng 2 anten thu Có th thc các ví d c a d ng phân t
c a access point trong m ng wifi Trong k thu t phân t p thu, không có m t yêu c u
c nào cho phía phát, tuy nhiên phía thu yêu c u m t quá trình x th lý Nr ng d lu liu nhc và k t h p chúng theo thu t toán nh nh
thu Nr
y
Hình 1.7 : Mô hình k t h p l a ch n
Trang 27Hình 1.8: Mô hình k t h p t l k t h p MRC làm vi c b ng s cho m i nhánh j i
Trang 2827
1
2 2
1
( rr
q q
q h
ta có :
2 1 2
Phân tc chia làm 2 lo i chính : vòng Trong h thng vòng m không yêu c u phía phát ph thông tin v kênh truy n
c l i, trong h th n có m cung c p thông tin
v kênh truy n cho phía phát
Phân t p phát vòng m
Trang 29 c ti p t d u, mã hóa không gian i gian t n d ng li th
s phân t p không gian c a kênh truy n Xét v i kênh fading ph ng, h t1( )ng
c a kênh truy n t anten 1 t i phía thu, h t2( ) ng c a kênh truy n t anten 2 t i phía thu Do kênh là c nh nên trong th h t1( 0) =
Trang 30V i s ng anten thu > 1, tín hi u t ng anten thu s c t ng h
c t ng h p MRC l i v i nhau (ta s l i phân c c thu)
Phân t
N u h ng có m th ng feedback, phía phát s c thông tin v kênh truy n
Trang 31hi u d a vào thông tin kênh truy
Trang 3231
ng I chúng ta th ng c a h th ng thông tin không
th ng cách s d ng nhi u anten phát và anten thu M t h th ng v i n
g tuy n tính v i s anten t i thi u M t cách th c hi n t
n Có nhi u lo i mã không gian th i gian n u xét v c u trúc mã, bao g m
Mã kh i không gian th i gian (STBC), i không gian th i gian (STTC), mã
l p không gian th i gian (V-BLAST)
2.1 Mã kh i không gian th i gian (STBC)
Mã hóa kh i là m t k thun và hi u qu cho công ngh
Trang 33* 2 1
cc
ccC
(2.1)
12 2 2 2 2
2
2 1
2 2
2 1
0
cc
cc
* 2 1 2
c c c c
n1 n2
Trang 3433
1c
4
* 2
2 1
2 2 2
2
1 1 1
1
)()(
)()
Tthth
ehTthth
* 2 1 2 1 2
cc
cchhr
* 2 1 2
1 2 2 1 1 1
nchchr
nchchr
Trang 35* 2 1 2
2 2 2 1 1 1 , 2
1
2 1
minarg)
~,
~
S x
2 1
* 2
* 2 1 2 1
* 2
* 2 1
2 2
2 2
2 1
2 2
* 1 2
* 2
* 1 1 1 1
* 1
* 2 2
2 1
2 2
2 1
2 1
* 1 2
* 2
* 2 1
* 2 1
* 2 2 2
* 1 2
2 1 2
2 2 1
2 2
2 2
* 1 1 1
* 1
* 2
* 2 1
* 1
* 1 1
2 2 2
2 1 1
2 1
2
* 1 2
* 2 1 2
2 2
* 1
* 2 1
* 2 1
* 1 2
* 2
* 2 1
* 2 1
* 2 2 2
* 1 2
2 1 2
2 2 1
2 2
*
* 1 2
* 2 1 2
* 1 2
* 2 1 2
2
* 1 2
* 1
* 2 1
* 2 1 2 2
* 1 1 1
* 1
* 2
* 2 1
* 1
* 1 1
2 2 2
2 1 1
2 1
* 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1
2 2
)(
)(
)(
))(
(
))(
(
xhrhrxhrhrxhhr
xhrhrxhrhrxhhr
xhrxhrxhrxhrxhxhr
xhrxhrxhrxhrxhxhrxhxhrx
xhxhrxhxhrx
xhxhrxhxhrx
* 1
* 2 2
2 1
2 2
2 1
2 1
* 1
* 2 2
2 1
2 1 1
* 1
* 2 2
2 1
2 2
2 1
2 1
* 1 2
* 2
* 1 1 1 1
* 1
* 2 2
2 1
2 2
2 1
2 1
1
)(
1min
arg
)(
)(
min
arg
)(
)(
h
hrhrxxhrhrxhhr
xhrhrxhrhrxhhr
* 1 2 2
* 1
2 2
2 2
2 1
2
* 1 2 2
* 1
2 2
2 2
* 1 2 2
* 1
2 2
2 2
2 1
2 2
* 2 1
* 2
* 2 1 2
* 1 2 2
* 1
2 2
2 2
2 1
2 2 2
)(
1min
arg
)(
)(
min
arg
)(
)(
h
hrhrxxhrhrxhhr
xhrhrxhrhrxhhr
(rh r h
1 r22 (r1*h2r2h1*)22
Trang 36* 2 2
* 1 1
* 2
1 1
* 2 2
* 1 2
r
rhh
hhx
1 1
2 2
2 1
* 2 2 1
* 1 1
2 2
2 1 1
nchhnhnhchhx
2 1
2 2 2 2
2 1
2 2
2 1
2 1 1 1
)1(
~minarg
~
)1(
~minarg
~
2
1
xh
hx
xc
xh
hx
xc
s x
s x
2 1 1 1
~minarg
~
~minarg
~
2
1
xxc
xxc
s x
s x
Trang 37* 2 1 12 11 12
cc
cchhr
* 2 1 22 21 22
cc
cchhr
* 2 1 2 1 2
cc
cchhr
* 2 1 2
c c c c
Trang 381 1
* 2
2
* 1 2
1
* 22
21 21
* 22
22
* 21 22
21
* 12
11 11
* 12 12
* 11 12 11
M
M M
M
rh
h
hh
xx
r
rhh
hh
xx
r
rhh
hhx
1 1
* 2
2
* 1
* 22
21 21
* 22 22
* 21
* 12
11 11
* 12 12
* 11
2 1 22
21 12 11 2
M
M M
M M
r
rh
h
hh
r
rhh
hhr
rhh
hh
xxx
xxxx
* 2 1 21
* 22
* 22 21 11
* 12
* 12 11
2
2 2
2 1
2 22
2 21
2 12
2 11 2
* 2 2 1
* 1
* 22 22 21
* 21
* 12 12 11
* 11
1
2 2
2 1
2 22
2 21
2 12
2 11 1
~
~
M M M M
M M
M M M M
M M
nhnhn
hnhnhnh
chh
hh
hhx
nhnhn
hnhnhnh
chh
hh
hhx
2 1 2
1 1 1
2 2
2 1 1
nchhx
M i
i i
2 2
2 1
~ c c1, ~2
Trang 392 2
2 1
2 2 2 2
2 1 1
2 2
2 1
2 1 1 1
1
~minarg
~
1
~minarg
~
2
1
xh
hx
xc
xh
hx
xc
M i
i i S
x
M
S x
Trang 4039
nhi u anten ch không ph i mi n th i gian ho c t ).n s
c s d ng ph bi n cho h th ng nhi u anten