ứng dụng kỹ thuật mimo trong thông tin di động 4g- lte

1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI MỞ ĐẦU 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 10 1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 10 1.1.1. Hệ thống 1G (hệ thống tương tự) 10 1.1.2. Hệ thống 2G ( Digital ) 10 1.1.3. Hệ thống 3G 14 1.1.4. Công nghệ 4G 18 1.2 Những tồn tại và khó khăn về kĩ thuật trong thông tin di động 20 1.3 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động 21 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G_LTE 23 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 23 2.2 Kiến trúc mạng LTE 24 2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống 26 2.2.2 Thiết bị người dùng ( UE) 28 2.2.3 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 28 2.2.4 Thực thể quản lý tính di động (MME) 30 2.2.5 Cổng phục vụ ( S-GW) 33 2.2.6 Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) 36 2.2.7 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF) 38 2.2.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 40 2.3 Các kĩ thuật truy nhập cơ bản trong LTE 40 2.3.1 Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDMA và đường lên SC-FDMA 40 2.3.2 Công nghệ đa anten MIMO 49 2.3.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 53 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT MIMO VÀ ỨNG DỤNG TRONG LTE 56 3.1 Giới thiệu kỹ thuật MIMO 56 3.1.1 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 56 3.1.2 Khuyết điểm của hệ thống MIMO 57 3.1.3 Dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO 57 2 3.1.4 Mô hình MIMO tổng quát 57 3.2 Kênh SVD MIMO 59 3.2.1 Mô hình kênh SVD MIMO 59 3.2.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu 64 3.3 Đa anten thu 65 3.3.1 Mô hình kênh phân tập anten thu 65 3.3.2 Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC 67 3.3.3 Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC 69 3.3.4 Kết hợp loại bỏ nhiễu IRC 71 3.4 Đa anten phát 75 3.4.1 Phân tập phát 75 3.4.2 Phân tập trễ 85 3.4.3 Tạo búp sóng phía phát 90 3.5 Mã hóa không gian- thời gian: 93 3.5.1 Mã hóa Alamouti 95 3.5.2 Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ 96 3.6 Các vấn đề của MIMO trong LTE 100 3.7 Xây dựng hệ thống MIMO trong LTE 101 3.7.1 7 phương thức của MIMO trong LTE Error! Bookmark not defined. 3.7.2 Đa anten trong LTE 103 3.8 Áp dụng của MIMO trong hoạt động 110 KẾT LUẬN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 3 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, chúng ta ai cũng thấy rõ vai trò quan trọng của thông tin di động bởi khả năng kết nối thông tin mọi lúc mọi nơi. Cùng với sự phát triển của xã hội, sự bùng nổ thông tin thì thông tin di động cũng liên tục phát triển để đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Thông tin di động đã có lịch sử phát triển hơn 30 năm với sự thay đổi mạnh mẽ về công nghệ. Mạng thông tin di động thế hệ sau ra đời để khắc phục các hạn chế của các mạng thông tin di động trước đó. Như mạng thông tin di động thế hệ 3 (3G) của chuẩn UMTS ra đời để khắc phục các hạn chế của các mạng thông tin di động trước đó và đang được triển khai rộng rãi. Tuy nhiên, mạng thông tin di động 3G này cũng có những hạn chế như tốc độ truyền dữ liệu cao nhất là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ về thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó để download các file có dung lượng lớn chưa đáp ứng các yêu cầu như: khả năng tích hợp các mạng khác chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao, tài nguyên băng tần ít LTE ( Long Term Evolution) là thế hệ thứ tư (4G) của UMTS do 3GPP xây dựng. LTE là một nỗ lực phát triển của những người nghiên cứu nhằm tạo ra một hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn, chất lương tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn gian kiến trúc mạng với giao tiếp mở, giảm đáng kể năng lương tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối khắc phục các hạn chế của mạng thông tin di động thế hệ thứ 3. Luận văn nghiên cứ “ Ứng dụng kỹ thuật MIMO trong thông tin di động 4G_LTE ”, đây là một đề tài kết hợp các kiến thức về mạng viễn thông và thông tin di động. Để đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động thì các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào và đa đầu ra 4 (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là giải pháp công nghệ triển vọng nhất. Với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Đào Ngọc Chiến, tôi đã cố gắng để hoàn thành tốt Luận văn. Luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về Thông tin Di động. Chương 2: Tổng quan về thông tin di động 4G_LTE. Chương 3: Kỹ thuật MIMO và Ứng dụng Kỹ thuật MIMO trong LTE. Do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế, bản Luận văn khó có thể tránh khỏi các sai xót. Em mong sẽ nhận được sự góp ý của các thầy, cô để Luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đào Ngọc Chiến, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Đạo tạo sau Đại học – Viễn Đại Học Mở Hà Nội đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và người thân - những người đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 10 năm 2012 Đinh Hữu Thắng 5 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Đề tài: Ứng dụng Kỹ thuật MIMO trong thông tin di đông 4G_LTE Tác giả luận văn: Đinh Hữu Thắng Khóa: 2010-2012 Người hướng dẫn: PGS.TS Đào Ngọc Chiến 1. Lý do chọn đề tài: Mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới với nhiều cải tiến nổi bật với khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của xã hội, sự bùng nổ thông tin dẫn đến những nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng thì 3G vẫn còn những hạn chế như tốc độ truyền dữ liệu, khả năng đáp ứng các dịch vụ về thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó để download các file có dung lượng lớn chưa đáp ứng các yêu cầu như: khả năng tích hợp các mạng khác chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao, tài nguyên băng tần ít LTE ( Long Term Evolution) là thế hệ thứ tư (4G) của UMTS do 3GPP xây dựng. LTE là một nỗ lực phát triển của những người nghiên cứu nhằm tạo ra một hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn, chất lương tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn gian kiến trúc mạng với giao tiếp mở, giảm đáng kể năng lương tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Do vây, để đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động thì các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào và đa đầu ra (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là giải pháp công nghệ triển vọng nhất. Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu mà không cần tăng công suất phát cũng như 6 tăng băng thông của hế thống. Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và việc kết hợp hệ thống MIMO với kỹ thuật điều chế đa sóng mang là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai. 2. Mục tiêu :  Tìm hiểu tổng quan về thông tin di động.  Trình bầy công nghệ LTE.  Trình bầy kỹ thuật MIMO và xây dựng mô hình hệ thống MIMO-OFDM.  Xây dựng hệ thống MIMO trong LTE.  Hướng triển khai Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Đạo tạo sau Đại học – Viễn Đại Học Mở Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo PGS.TS Đào Ngọc Chiến người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn này. Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đào Ngọc Chiến 7 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh 1G / 2G First/ Second/– Generation wireless communication system 3G / 4G Third/ Fourth/– Generation wireless communication system 3GPP Third Generation Partnership Project AF Application Functions AMPS Advanced Mobi Phone System AWGN Additive White Hau Gaussian Noise BBERF Bearer Binding and Event Reporting Function BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station BU Bad Urban CCD Cyclic Delay Diversity CCDF Complementary Cumulative Distribution Function CCI Co-Channel Interference CDF Cumulative Distribution Function CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix CS Circuit Switched CSI Channel State Information DAB Digital Audio Broadcasting DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DLST Diagonal Layered Space-Time DVB Digital Video Broadcasting DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestrial EGC Equal-Gain Combining eNodeB Enhanced NodeB EPC Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System GINC Group Interference Nulling Cancellation GSM Global System for Mobile Communications 8 GUTI Globally Unique temporary Identification HSDPA High Speed Packet Access HSS Home Subscriber Service IDFT/DFT Inverse Discrete Fourier Transform/Discrete Fourier Transform IFFT/FFT Inverse Fast Fourier Transform/ Fast Fourier Transform IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 IMS IP Multimedia Subsystem IMSI International Mobile Subscriber Identity LTE Long Term Evolution ISI Inter-Symbol Interference MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobility Management Entity MRC Maximal Ratio Combining OFDM Orthogonal Ferquency Division Multiplexing P-GW Packet Data Network Gateway PCEF Policy Charging and Rules Function PCRF Policy charging and rules function PDN/ PDN-GW Packet Data Network/ Packet Data Network Gateway PMIP Proxy Mobile IP QPSK Quadrature Phase Shift Keying RRM Radio Resources Management RNC Radio Network Controller RTMI Radio Telefono Mobile Integrato S-GW Serving Gateway SC-FDM Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDMA Space-Division Multiple Access SFBC Space Frequency Block Code SIMO Single Input Multi Output SISO Single Input Single Oput SNR Single to Noise Ratio STBC Space-Time Block Coding STTC Space-Time Trellis Coding 9 STTD Space Time Transmit Diversity SU-MIMO Single User Multiple Input Multiple Output SVD Singular Value Diagonal TDM/TDMA Time Division Multiplexing /Time Division Multiple Access UE User Equipment USIM Universal Subcriber Identity Module UICC Universal Integrated Circuit Card UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems V-BLAST Vertical-Bell Lab Layered Space-Time E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network WCDMA/MC- WCDMA Wideband Code Division Multiple Access/ Multi-Carrier Wideband Code Division Multiple Access ZF Zero-Forcing 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 1.1.1. Hệ thống 1G (hệ thống tương tự) 1.1.1.1. Lịch sử phát triển Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là: NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia. 1.1.1.2. Đặc điểm của hệ thống 1G Hầu hết các hệ thống nều là hệ thống Analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âm thanh.Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, HICAP, CDPD, Mobitex, DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng . 1.1.2. Hệ thống 2G ( Digital ) Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu Âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991. [...]... tư ng tán x trong thông tin di ng… 22 CHƯƠNG 2: T NG QUAN V THÔNG TIN DI NG 4G _LTE 2.1 Gi i thi u v công ngh LTE LTE là th h th tư (4G) tương lai c a chu n UMTS do 3GPP phát tri n UMTS th h th ba (3G) d a trên WCDMA ã ư c tri n khai trên toàn th gi i m b o tính c nh tranh cho h th ng này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP ãb t u d án nh m xác nh bư c phát tri n v lâu dài cho công ngh di UMTS v i tên... thanh T c n 2MHz Nhưng t c trong các ô pico trong nhà, còn các d ch v v i t c cho di ng thông thư ng c c 14.4Kbps s i này ch có ư c mb o các ô macro 1.3 Môi trư ng vô tuy n trong thông tin di ng Trong m t kênh vô tuy n lý tư ng, tín hi u thu ư c ch bao g m m t tín hi u n tr c ti p và s là b n thu ư c hoàn h o c a tín hi u khác Tuy nhiên, trong m t kênh th c t , tín hi u b thay i trong su t quá trình truy... m ng Internet di ng d a trên IP hoàn toàn Hình (dư i) cho th y m t lo t các h th ng m ng 4G s tích h p: v tinh băng r ng, m ng t ong 2G, m ng t ong 3G, m ch vòng n i h t vô tuy n (WLL) và m ng cá nhân (PAN), dùng giao th c IP là giao th c tích h p Hình 1.2 K t n i liên t c gi a các m ng 1.2 Nh ng t n t i và khó khăn v kĩ thu t trong thông tin di Dung lư ng trong các h th ng thông tin di ng ng th h... dành cho thông tin di ng thì có h n CDMA cũng làm tăng dung lư ng h th ng áng k nhưng nó l i d n m t ăng nh p vào h th ng Nhưng ph t n n s gia tăng nhi u ng kênh và nhi u xuyên kênh do phân b cao c a ngư i dùng trong m t cell Do ó dung lư ng h th ng không cao Bên c nh ó ch t lư ng d ch v c a ngư i dùng cũng gi m do fading và nhi u ng kênh, nhi u xuyên kênh khi h di chuy n Các h th ng thông tin di ng th... t trong hai P-GW ho c PCRF tùy thu c vào S5/S8 ư c d a trên GTP ho c PMIP tương ng N u giao di n S5/S8 ư c d a trên PMIP thì d li u trong giao di n ó s ư c các lu ng IP trong m t ư ng h m GRE truy n t i m i UE Khi ó trong giao di n S5/S8 d a trên GTP m i ph n t mang s có ư ng h m c a riêng mình Do ó S-GW h tr PMIP S5/S8 có trách nhi m liên k t các ph n t mang, ví d : ánh x các lu ng IP trong giao di. .. khác và các ch c năng chính 2.2.4 Th c th qu n lý tính di Th c th qu n lý tính di ng (MME) ng (MME) là thành ph n i u khi n chính trong EPC Thông thư ng MME s là m t máy ch nhà i u hành Nó ch ho t m t v trí an toàn t i các cơ s c a ng trong các CP, và không tham gia vào con ư ng c a UP d li u Ngoài giao di n cu i vào MME trong ki n trúc th hi n trong hình 2.2, MME còn có m t k t n i logic tr c ti p... ng MME trư c ó không có s n ho c thông tin n các nh tuy n v ng m t Hình 2.4 cho th y các k t n i v i eNB ã n xung quanh các nút logic và tóm t t các ch c năng chính trong giao di n này Trong t t c các k t n i eNB có th là trong m i quan h m t – nhi u ho c nhi u – nhi u Các eNB có th ph c v ng th i nhi u UE trong vùng ph sóng c a nó nhưng m i UE ch ư ck tn it i m t eNB trong cùng m t th i i m Các eNB... các ph n t mang trong giao di n S1 Ch c năng này trong S-GW ư c g i là ch c năng liên k t ph n t mang và báo cáo s hi u ph n t mang b t ki n (BBERF) B t k nơi mà tín u, BBERF luôn nh n các thông tin liên k t ph n t mang t PCRF 34 Hình 2.6: Các k t n i S-GW t i các nút logic khác và các ch c năng chính Trong khi di chuy n gi a các eNodeB, S-GW ho t a phương MME s l nh S-GW ng như nút cu i di ng chuy n... gián ti p nơi mà d li u UP ư c chuy n ti p gi a các eNodeB thông qua các S-GW Không có tên giao di n c th liên quan n giao di n gi a các S-GW vì nh d ng chính xác gi ng như trong giao di n S1-U và có th cho r ng các S-GW liên quan chúng ã truy n thông tr c ti p v i cùng m t eNodeB ây s là trư ng h p khi chuy n ti p d li u gián ti p di n ra thông qua ch m t S-GW, t c là c hai eNodeB có th ư ck tn i... bao di thi u Các GUTI có th Qu n lý tính di ng qu c t (IMSI) qua giao di n vô tuy n ư c gi m ư c c p tr l i, ví d nh kỳ ngăn ch n theo dõi UE ng: MME theo dõi v trí c a t t c các UE trong khu v c c a mình, khi m t UE ăng ký vào m ng l n u tiên, MME s t o ra m t l i vào cho UE và tín hi u v i v trí t i HSS trong m ng ch c a UE MME yêu c u tài nguyên thích h p ư c thi t l p trong eNodeB, cũng như trong . chương: Chương 1: Tổng quan về Thông tin Di động. Chương 2: Tổng quan về thông tin di động 4G _LTE. Chương 3: Kỹ thuật MIMO và Ứng dụng Kỹ thuật MIMO trong LTE. Do thời gian và trình độ bản. thông tin di động thế hệ thứ 3. Luận văn nghiên cứ “ Ứng dụng kỹ thuật MIMO trong thông tin di động 4G _LTE ”, đây là một đề tài kết hợp các kiến thức về mạng viễn thông và thông tin di động. Để. khó khăn về kĩ thuật trong thông tin di động 20 1.3 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động 21 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G _LTE 23 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 23 2.2